A 数学语言、集合与条件控制 · 03

实数区间

数轴上一段连续的实数所组成的集合,叫作区间。它可以用不等式、区间符号或数轴来表示,这三种写法描述的是同一个实数范围。

有限区间

有限区间:括号记录端点是否取到

有限区间有左、右两个端点。每一端使用什么括号,只取决于这个端点是否属于当前集合。

设 $a,b\in\mathbb R$,且 $a<b$。以 $a,b$ 为端点的连续实数范围,可以写成下面四种有限区间。

实数范围 区间表示 端点情况
$a\leq x\leq b$ $[a,b]$ 两端都取到
$a<x<b$ $(a,b)$ 两端都不取到
$a\leq x<b$ $[a,b)$ 取到左端,不取到右端
$a<x\leq b$ $(a,b]$ 不取到左端,取到右端

方括号靠近某个有限端点,表示这个端点属于区间;圆括号靠近某个有限端点,表示这个端点不属于区间。因此,$[a,b]$ 称为闭区间,$(a,b)$ 称为开区间,$[a,b)$ 与 $(a,b]$ 称为半开半闭区间;$a,b$ 都称为区间的端点。

不等式与数轴

三种表示:不等式、区间与数轴说同一范围

先从不等式读出实数范围,再把两个端点的归属分别对应到括号和数轴端点。

例如,集合

$$S=\{x\in\mathbb R\mid -2\leq x<3\}.$$

也可以写成 $S=[-2,3)$。左边的方括号表示 $-2\in S$,右边的圆括号表示 $3\notin S$;$-2$ 与 $3$ 之间的所有实数都属于 $S$。

观察数轴上的两个端点:$-2$ 处是实心点,并写明“属于 $S$”;$3$ 处是空心点,并写明“不属于 $S$”。两个端点之间的线段表示区间内的全部实数。

区间负二到三左闭右开的数轴表示 数轴上从负二到三画出线段。负二处是实心点并标注属于集合 S,三处是空心点并标注不属于集合 S,表示集合 S 等于左闭右开的区间负二到三。 属于 S 不属于 S −2 3
实心点说明 $-2$ 被区间取到,对应不等式中的“$\leq$”和左方括号;空心点说明 $3$ 不被区间取到,对应不等式中的“$<$”和右圆括号。因此,不等式、区间符号与数轴都表示同一个集合 $S=[-2,3)$。

无穷区间

无穷区间:无穷端只能用圆括号

当实数范围向一侧无限延伸时,仍要判断有限端点是否取到;表示无穷方向的一端则始终使用圆括号。

实数范围 区间表示
$x\geq a$ $[a,+\infty)$
$x>a$ $(a,+\infty)$
$x\leq b$ $(-\infty,b]$
$x<b$ $(-\infty,b)$

$+\infty$ 与 $-\infty$ 表示无限延伸的方向,不是实数,也不是区间中可以“取到”的端点。因此,无穷端一律使用圆括号,不能写成 $[a,+\infty]$ 或 $[-\infty,b]$。

全体实数组成的集合可以表示为

$$\mathbb R=(-\infty,+\infty).$$

式子两端都用圆括号,正是因为 $\pm\infty$ 都不属于实数集。

转换顺序

判断顺序:先读范围,再定括号

无论从哪一种表示出发,都要分别检查左右边界,并保证转换前后包含完全相同的实数。

从实数范围写成区间

先确认范围:找出左、右边界,并确认这是一段连续的实数范围。

再检查有限端点:不等号允许等于时用方括号,严格不等号对应圆括号。

最后检查无穷端:出现无穷方向时,无穷端只能写圆括号。

从区间读回实数范围

分别读取两端:方括号对应“可以等于”,圆括号对应“不能等于”。

识别无穷方向:无穷端只表示范围向该方向延伸,不表示能够取到无穷。

核对最终范围:得到的不等式应当与原区间包含完全相同的实数。

核心结论

核心理解:括号是在回答端点归属

有限端点能否取到,决定使用方括号还是圆括号;无穷不是实数,永远不能作为被取到的端点。

把每个括号还原成端点的属于或不属于关系,就能在不等式、区间与数轴之间准确转换。

有限端点看归属 → 无穷端用圆括号 → 三种表示保持同一实数范围。