Infimum und Supremum in teilweise geordneten Mengen

Sei MM eine teilweise geordnete Menge mit der Ordnung \leq und AA eine nichtleere Teilmenge AMA\subseteq M.

Minimum und Maximum

Unter dem Minimum min(A)\min (A) von AA verstehen wir alle unteren Schranken von AA, die zu AA gehören und dementsprechend ist das Maximum max(A)\max (A) die Menge aller oberen Schranken von AA, die zu AA gehört. Mittels Minorante und Majorante kann man die Definition elegant wie folgt ausdrücken:
min(A):=AMi(A)\min (A):=A\cap \Mi(A) sowie max(A):=AMa(A)\max (A):=A\cap \Ma(A)(1)
Die Sprechweise "das" Minimum/ Maximum ist gerechtfertigt durch
 
 

Satz 1602

Existieren Minimum (Maximum) einer Menge AA so sind sie eindeutig bestimmt.

Beweis

Seien x,ymin(A)x,y\in \min(A). Dann gilt x,yAx,y\in A und x,yMi(A)x,y\in \Mi(A), damit sind xx und yy beide untere Schranken von AA, also gilt sowohl xyx\leq y als auch yxy\leq x. Damit gilt x=yx=y.
Analog wird der Beweis fürs Maximum geführt. \qed

Infimum und Supremum

Das Infimum inf(A)\inf(A) einer Menge AA ist die größte untere Schranke von AA und das Supremum sup(A)\sup(A) ist die kleinste obere Schranke von AA. Mit (1) können wir also schreiben:
inf(A)=max(Mi(A))=Mi(A)Ma(Mi(A))\inf(A)=\max(\Mi(A))=\Mi(A)\cap\Ma(\Mi(A)) sup(A)=min(Ma(A))=Ma(A)Mi(Ma(A))\sup(A)=\min(\Ma(A))=\Ma(A)\cap\Mi(\Ma(A))
Nach Satz 1602 sind auch Infimum und Supremum eindeutig bestimmt, sofern sie existieren, da sie als Minimum bzw. Maximum von Minoranten- bzw. Majorantenmengen definiert sind.
Eine andere Formulierung der Definition ist gegeben durch

Satz 160V

Sei s=inf(A)s=\inf(A), dann gilt sas\leq a für alle aAa\in A und für alle tMi(A)t\in \Mi(A) (für die also tat\leq a für alle aAa\in A ist) gilt: sts\geq t. Das Infimum ist also die größte untere Schranke. Insbesondere gilt: falls xax\leq a für alle aAa\in A, dann ist auch xinf(A)x\leq \inf(A).
Sei s=sup(A)s=\sup(A), dann gilt sas\geq a für alle aAa\in A und für alle tMa(A)t\in \Ma(A) (für die also tat\geq a für alle aAa\in A ist) gilt: sts\leq t. Das Supremum ist also die kleinste obere Schranke. Insbesondere gilt: falls xax\geq a für alle aAa\in A, dann ist auch xsup(A)x\geq \sup(A).

Beweis

Man schreibe die Definitionen explizit auf und mache sich klar, was Majorante/ Minorante bedeutet. \qed

Es gibt jedoch noch einen anderen Grund für die hohe Wertschätzung der Mathematik; sie allein bietet den Naturwissenschaften ein gewisses Maß an Sicherheit, das ohne Mathematik nicht erreichbar wäre.

Albert Einstein

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