第二章 数列极限
本章包含数列极限相关的基础定理,是数学分析的核心内容之一。
§1 实数系的连续性
定义 上界与下界
设 S 是一个非空实数集。若存在实数 M,使得对一切 x∈S,都有 x⩽M,则称 M 为 S 的一个上界,并称 S 有上界。若存在实数 m,使得对一切 x∈S,都有 x⩾m,则称 m 为 S 的一个下界,并称 S 有下界。若 S 既有上界又有下界,则称 S 有界。
例子:定义 上界与下界 — 例子
定义 上确界与下确界
设 S 是非空实数集。若存在实数 β 满足:
(1)对一切 x∈S,有 x⩽β(即 β 是 S 的上界);
(2)对任意给定的 ε>0,存在 x∈S,使得 x>β−ε(即比 β 小的数都不是 S 的上界),
则称 β 为 S 的**上确界**,记为 β=supS。
类似地,若存在实数 α 满足:
(1)对一切 x∈S,有 x⩾α;
(2)对任意给定的 ε>0,存在 x∈S,使得 x<α+ε,
则称 α 为 S 的**下确界**,记为 α=infS。
例子:定义 上确界与下确界 — 例子
定义 数列极限
设 {xn} 是一给定数列,a 是一个实常数。如果对于任意给定的 ε>0,可以找到正整数 N,使得当 n>N 时,成立
∣xn−a∣<ε,
则称数列 {xn} **收敛**于 a,记为 limn→∞xn=a。若不存在这样的 a,则称 {xn} 发散。
例子:定义 数列极限 — 例子
定义 无穷大量
若对于任意给定的 G>0,可以找到正整数 N,使得当 n>N 时成立
∣xn∣>G,
则称数列 {xn} 是**无穷大量**(或称 {xn} 发散到 ∞),记为 limn→∞xn=∞。
类似可定义 limn→∞xn=+∞ 和 limn→∞xn=−∞。
例子:定义 无穷大量 — 例子
定义 无穷小量
如果 limn→∞xn=0,则称 {xn} 为**无穷小量**。
例子:定义 无穷小量 — 例子
定义 闭区间套
如果一列闭区间 {[an,bn]} 满足条件:
(1)[an+1,bn+1]⊂[an,bn],即 an⩽an+1<bn+1⩽bn(n=1,2,3,…);
(2)limn→∞(bn−an)=0,
则称 {[an,bn]} 是一个**闭区间套**。
例子:定义 闭区间套 — 例子
定义 子列
设 {xn} 是一个数列,而
n1<n2<n3<⋯<nk<⋯
是一列严格递增的正整数,则称 {xnk} 为 {xn} 的一个**子列**。
例子:定义 子列 — 例子
定义 基本数列(Cauchy数列)
如果数列 {xn} 具有以下特性:对于任意给定的 ε>0,存在正整数 N,使得当 m,n>N 时成立
∣xm−xn∣<ε,
则称 {xn} 为**基本数列**(或 Cauchy数列)。
例子:定义 基本数列(Cauchy数列) — 例子
定义 单调数列
如果数列 {xn} 满足 xn⩽xn+1(n=1,2,3,…),则称 {xn} 为**单调增加数列;如果满足 xn⩾xn+1,则称 {xn} 为单调减少数列。两者统称单调数列**。
例子:定义 单调数列 — 例子
定理 确界存在定理(实数系连续性定理)
定理陈述:非空有上界的数集必有上确界,非空有下界的数集必有下确界。
证明:
我们只证”非空有上界的数集必有上确界”,下确界的情形完全类似。
设 S 是非空实数集,且有上界。我们需要构造一个实数 β,然后验证 β 满足上确界的两个条件。
核心想法:每个实数都可以写成无限小数。我们从整数位开始,逐位确定上确界的每一位数字——每一步都取”尽可能大”的那一位。
第一步:确定整数位
S 有上界,所以 S 中元素的整数部分不可能无限大。因此 S 中元素的整数部分存在最大值,记为 α0。
令 S0={x∈S∣x 的整数部分等于 α0},则 S0 非空。
第二步:确定第1位小数
S0 中元素的第1位小数只能取 0,1,…,9 这10个值,其中必有最大值,记为 α1。
令 S1={x∈S0∣x 的第1位小数等于 α1},则 S1 非空。
第三步:确定第 n 位小数
一般地,假设已确定前 n−1 位并得到非空集合 Sn−1。Sn−1 中元素的第 n 位小数必存在最大值,记为 αn。
令 Sn={x∈Sn−1∣x 的第 n 位小数等于 αn},则 Sn 非空。
这样得到嵌套的集合序列 S⊃S0⊃S1⊃⋯,每个 Sn 都非空。
第四步:构造 β
令
β=α0+0.α1α2⋯αn⋯
第五步:验证 β 是 S 的上界
任取 x∈S,要证 x⩽β。
两种情况都有 x⩽β,因此 β 是 S 的上界。
第六步:验证 β 是最小上界
要证:任给 ε>0,存在 x0∈S 使得 x0>β−ε(这正是上确界定义的第二条)。
取 n0 足够大使得 10n01<ε(这总是可以做到的,因为 10n1→0)。
因为 Sn0 非空,取 x0∈Sn0。x0 和 β 的整数部分及前 n0 位小数完全相同,所以
β−x0⩽10n01<ε,
即 x0>β−ε。
这说明比 β 小的数都不是 S 的上界。
结论:β 是 S 的上界,且比 β 小的数都不是上界,所以 β=supS。
证毕
意义:此定理反映了实数系连续性这一基本性质。假若实数全体不能布满整条数轴而是留有”空隙”,则”空隙”左边的数集就没有上确界。
例子:定理 确界存在定理(实数系连续性定理) — 例子
定理 确界惟一性
定理陈述:非空有界数集的上(下)确界是惟一的。
证明:
设 S 是非空有界数集。假设 S 有两个上确界 β1 和 β2,且 β1=β2。
不妨设 β1<β2。
所以 β1=β2,上确界惟一。下确界的情形同理。
证毕
例子:定理 确界惟一性 — 例子
§2 数列极限
定理 极限惟一性
定理陈述:收敛数列的极限必惟一。
证明:
假设数列 {xn} 同时收敛于 a 和 b,且 a=b。我们来推出矛盾。
第1步:因为 a=b,所以 ∣a−b∣>0。令 ε=2∣a−b∣>0。
第2步:由 limn→∞xn=a,存在 N1,当 n>N1 时,∣xn−a∣<ε。
第3步:由 limn→∞xn=b,存在 N2,当 n>N2 时,∣xn−b∣<ε。
第4步:取 N=max{N1,N2},当 n>N 时,两个不等式同时成立。由三角不等式:
∣a−b∣=∣(a−xn)+(xn−b)∣⩽∣xn−a∣+∣xn−b∣<ε+ε=2ε=∣a−b∣.
这得到 ∣a−b∣<∣a−b∣,矛盾!
因此 a=b,极限惟一。
证毕
例子:定理 极限惟一性 — 例子
定理 收敛数列有界性
定理陈述:收敛数列必有界。
证明:
设 limn→∞xn=a。
第1步:取 ε=1。由极限定义,存在 N,当 n>N 时,∣xn−a∣<1。
第2步:∣xn−a∣<1 意味着 a−1<xn<a+1。所以当 n>N 时,xn 被夹在 a−1 和 a+1 之间。
第3步:前 N 项 x1,x2,…,xN 只有有限个,它们自然有最大值和最小值。令
M=max{x1,x2,…,xN,a+1},m=min{x1,x2,…,xN,a−1}.
第4步:验证 m⩽xn⩽M 对所有 n 成立:
- 若 n⩽N:xn 在前 N 项中,而 M 至少是前 N 项的最大值,m 至多是前 N 项的最小值,所以 m⩽xn⩽M。
- 若 n>N:a−1⩽xn⩽a+1,而 m⩽a−1,M⩾a+1,所以也有 m⩽xn⩽M。
因此 {xn} 有界。
证毕
注意:逆命题不成立。例如 xn=(−1)n,满足 −1⩽xn⩽1(有界),但不收敛。
例子:定理 收敛数列有界性 — 例子
定理 保序性
定理陈述:设数列 {xn},{yn} 均收敛,若 limn→∞xn=a,limn→∞yn=b,且 a<b,则存在正整数 N,当 n>N 时,成立 xn<yn。
证明:
核心想法:a 和 b 之间有距离 b−a>0,取中点 c=2a+b。当 n 足够大时,xn 离 a 很近(不会超过 c),yn 离 b 很近(不会低于 c),于是 xn<c<yn。
第1步:令 ε=2b−a>0(a 和 b 之间距离的一半)。
第2步:由 limn→∞xn=a,存在 N1,当 n>N1 时,∣xn−a∣<ε,即
xn<a+ε=a+2b−a=2a+b.
第3步:由 limn→∞yn=b,存在 N2,当 n>N2 时,∣yn−b∣<ε,即
yn>b−ε=b−2b−a=2a+b.
第4步:取 N=max{N1,N2},当 n>N 时:
xn<2a+b<yn.
因此 xn<yn。
证毕
推论1:若 limn→∞yn=b>0,则存在 N,当 n>N 时,yn>2b>0。
推论1的证明:取 xn=0(恒为零的数列),则 limn→∞xn=0<b。由保序性,当 n 足够大时 0=xn<yn。再由 yn→b,取 ε=2b,当 n 足够大时 yn>b−2b=2b。
推论2:若 limn→∞yn=b<0,则存在 N,当 n>N 时,yn<2b<0。
推论2的证明:对 −yn 应用推论1即可(−yn→−b>0)。
例子:定理 保序性 — 例子
定理 夹逼定理
定理陈述:若三个数列 {xn},{yn},{zn} 从某项开始成立
xn⩽yn⩽zn,n>N0,
且 limn→∞xn=limn→∞zn=a,则 limn→∞yn=a。
证明:
核心想法:yn 被 xn 和 zn 夹在中间,而 xn 和 zn 都趋向 a,所以 yn 也被”挤”向 a。
第1步:任给 ε>0。
第2步:由 limn→∞xn=a,存在 N1,当 n>N1 时,∣xn−a∣<ε,即 a−ε<xn。
第3步:由 limn→∞zn=a,存在 N2,当 n>N2 时,∣zn−a∣<ε,即 zn<a+ε。
第4步:取 N=max{N0,N1,N2},当 n>N 时,三个条件同时成立:
a−ε<xn⩽yn⩽zn<a+ε.
第5步:上式即 a−ε<yn<a+ε,也就是 ∣yn−a∣<ε。
由 ε 的任意性,limn→∞yn=a。
证毕
例子:定理 夹逼定理 — 例子
定理 四则运算
定理陈述:设 limn→∞xn=a,limn→∞yn=b,则
- limn→∞(αxn+βyn)=αa+βb(α,β 是常数)
- limn→∞(xnyn)=ab
- limn→∞(ynxn)=ba(b=0)
证明(1) 线性运算:
任给 ε>0。
由 xn→a,存在 N1,当 n>N1 时,∣xn−a∣<ε。
由 yn→b,存在 N2,当 n>N2 时,∣yn−b∣<ε。
取 N=max{N1,N2},当 n>N 时:
∣(αxn+βyn)−(αa+βb)∣=∣α(xn−a)+β(yn−b)∣⩽∣α∣⋅∣xn−a∣+∣β∣⋅∣yn−b∣<(∣α∣+∣β∣)ε.
因为 (∣α∣+∣β∣) 是常数,(∣α∣+∣β∣)ε 可以任意小,所以 limn→∞(αxn+βyn)=αa+βb。
注:严格来说,如果一开始取 ε′=∣α∣+∣β∣+1ε(分母加1是为了避免 ∣α∣+∣β∣=0),则最终得到的结果 <ε。这种”先放大常数倍,再调整 ε“的技巧在极限证明中非常常用。
证明(2) 乘法:
第1步:由定理2.2.2,{xn} 收敛所以有界,即存在 X>0 使得 ∣xn∣⩽X 对所有 n 成立。
第2步:关键技巧——“加一项减一项”:
∣xnyn−ab∣=∣xnyn−xnb+xnb−ab∣=∣xn(yn−b)+b(xn−a)∣⩽∣xn∣⋅∣yn−b∣+∣b∣⋅∣xn−a∣.
第3步:任给 ε>0。由 yn→b,存在 N1,当 n>N1 时,∣yn−b∣<ε。由 xn→a,存在 N2,当 n>N2 时,∣xn−a∣<ε。
第4步:取 N=max{N1,N2},当 n>N 时:
∣xnyn−ab∣⩽X⋅ε+∣b∣⋅ε=(X+∣b∣)ε.
因为 (X+∣b∣) 是常数,所以 limn→∞(xnyn)=ab。
证明(3) 除法:
第1步:因为 b=0,由定理2.2.3的推论1,存在 N0,当 n>N0 时,∣yn∣>2∣b∣>0。所以 yn=0,除法 ynxn 有意义。
第2步:关键技巧——通分:
ynxn−ba=ynbbxn−ayn=ynbb(xn−a)−a(yn−b)⩽∣yn∣⋅∣b∣∣b∣⋅∣xn−a∣+∣a∣⋅∣yn−b∣.
第3步:当 n>N0 时,∣yn∣>2∣b∣,所以 ∣yn∣1<∣b∣2。代入上式:
ynxn−ba<∣b∣22(∣b∣⋅∣xn−a∣+∣a∣⋅∣yn−b∣).
第4步:任给 ε>0,取 N1,N2 使得 n>N1 时 ∣xn−a∣<ε,n>N2 时 ∣yn−b∣<ε。令 N=max{N0,N1,N2},当 n>N 时:
ynxn−ba<∣b∣22(∣b∣+∣a∣)ε=∣b∣22(∣a∣+∣b∣)ε.
因为 ∣b∣22(∣a∣+∣b∣) 是常数,所以 limn→∞ynxn=ba。
证毕
例子:定理 四则运算 — 例子
§3 无穷大量与无穷小量
定理 无穷大量与无穷小量的关系
定理陈述:设 xn=0,则 {xn} 是无穷大量的充分必要条件是 {xn1} 是无穷小量。
证明:
必要性({xn} 是无穷大量 ⇒ {xn1} 是无穷小量):
任给 ε>0。令 G=ε1>0。
因为 {xn} 是无穷大量,所以存在 N,当 n>N 时,∣xn∣>G=ε1。
取倒数(∣xn∣>0,取倒数后不等号反转):
xn1=∣xn∣1<ε.
所以 {xn1} 是无穷小量。
充分性({xn1} 是无穷小量 ⇒ {xn} 是无穷大量):
任给 G>0。令 ε=G1>0。
因为 {xn1} 是无穷小量,所以存在 N,当 n>N 时,xn1<ε=G1。
取倒数(xn=0,所以 xn1=0,可以取倒数):
∣xn∣=xn11>G.
所以 {xn} 是无穷大量。
证毕
例子:定理 无穷大量与无穷小量的关系 — 例子
定理 无穷大量的乘积
定理陈述:设 {xn} 是无穷大量,若当 n>N0 时,∣yn∣⩾δ>0 成立,则 {xnyn} 是无穷大量。
证明:
核心想法:∣xn∣ 可以任意大,而 ∣yn∣ 始终不低于 δ>0,所以 ∣xnyn∣=∣xn∣⋅∣yn∣⩾δ∣xn∣ 也可以任意大。
任给 G>0。令 G′=δG>0。
因为 {xn} 是无穷大量,存在 N1,当 n>N1 时,∣xn∣>G′。
取 N=max{N0,N1},当 n>N 时:
∣xnyn∣=∣xn∣⋅∣yn∣⩾∣xn∣⋅δ>G′⋅δ=G.
所以 {xnyn} 是无穷大量。
证毕
推论:设 {xn} 是无穷大量,limn→∞yn=b=0,则 {xnyn} 和 {ynxn} 都是无穷大量。
推论的证明:由 yn→b=0 及定理2.2.3的推论1,当 n 足够大时 ∣yn∣>2∣b∣>0。取 δ=2∣b∣,由定理2.3.2知 {xnyn} 是无穷大量。
对 ynxn:由 yn→b=0 及四则运算,yn1→b1,所以 yn1 收敛,从而有界。设 yn1⩽M。但我们需要的是 ∣yn∣ 有正下界——事实上当 n 足够大时 yn1<∣b∣2,取倒数得 ∣yn∣>2∣b∣,因此 ynxn=∣xn∣⋅yn1。因为 yn1→b1=0,由定理2.2.3的推论1,当 n 足够大时 yn1>2∣b∣1>0。取 δ′=2∣b∣1,由定理2.3.2(将 yn1 视为 yn 的角色),{xn⋅yn1}={ynxn} 是无穷大量。
例子:定理 无穷大量的乘积 — 例子
定理 Stolz定理
定理陈述:设 {yn} 是严格单调增加的正无穷大量,且
n→∞limyn−yn−1xn−xn−1=a(a 可以为有限量、+∞ 与 −∞),
则
n→∞limynxn=a.
证明(仅证 a 为有限数的情形):
核心想法:把 ynxn 看成差分的”累加”。令 ak=xk−xk−1,bk=yk−yk−1,则 xn=x0+∑k=1nak,yn=y0+∑k=1nbk。条件说 bkak→a,而 ynxn 是这些差分之比的”加权平均”,当各项都趋向 a 时,平均也趋向 a。
正式证明:
任给 ε>0。由 yn−yn−1xn−xn−1→a,存在 N0,当 n>N0 时:
yn−yn−1xn−xn−1−a<ε,
即
(a−ε)(yn−yn−1)<xn−xn−1<(a+ε)(yn−yn−1).(∗)
对 k=N0+1,N0+2,…,n 分别写出 (∗) 并相加:
(a−ε)k=N0+1∑n(yk−yk−1)<k=N0+1∑n(xk−xk−1)<(a+ε)k=N0+1∑n(yk−yk−1).
左边和右边都是望远镜求和(中间项全部抵消):
k=N0+1∑n(yk−yk−1)=yn−yN0,k=N0+1∑n(xk−xk−1)=xn−xN0.
所以:
(a−ε)(yn−yN0)<xn−xN0<(a+ε)(yn−yN0).
两边除以 yn(yn>0):
(a−ε)(1−ynyN0)<ynxn−ynxN0<(a+ε)(1−ynyN0).
整理得:
ynxn<(a+ε)(1−ynyN0)+ynxN0=(a+ε)+ynxN0−(a+ε)yN0,
ynxn>(a−ε)(1−ynyN0)+ynxN0=(a−ε)+ynxN0−(a−ε)yN0.
令 C1=xN0−(a+ε)yN0,C2=xN0−(a−ε)yN0(都是与 n 无关的常数),则:
a−ε+ynC2<ynxn<a+ε+ynC1.
因为 yn→+∞,所以 ynC1→0,ynC2→0。存在 N1,当 n>N1 时,ynC1<ε 且 ynC2<ε。
取 N=max{N0,N1},当 n>N 时:
a−2ε<ynxn<a+2ε.
即 ynxn−a<2ε。由 ε 的任意性,limn→∞ynxn=a。
证毕
例子:定理 Stolz定理 — 例子
§4 实数系的基本定理
定理 单调有界数列收敛定理
定理陈述:单调有界数列必定收敛。
证明:
我们只证”单调递增且有上界的数列收敛”,单调递减且有下界的情形类似。
设 {xn} 单调递增(x1⩽x2⩽⋯)且有上界。
第1步:令 S={xn∣n∈N+},则 S 是非空有上界的数集。由确界存在定理,S 有上确界,记 a=supS。
第2步:我们要证 limn→∞xn=a,即任给 ε>0,存在 N,当 n>N 时 ∣xn−a∣<ε。
第3步:因为 a=supS 是 S 的最小上界,所以 a−ε 不是 S 的上界。这意味着存在某个 xN∈S 使得 xN>a−ε。
第4步:因为 {xn} 单调递增,当 n>N 时,xn⩾xN>a−ε。
第5步:又因为 a 是 S 的上界,所以 xn⩽a<a+ε。
第6步:综合第4步和第5步,当 n>N 时:
a−ε<xn<a+ε,即 ∣xn−a∣<ε.
因此 limn→∞xn=a。
证毕
意义:这个定理的重要性在于,我们不需要事先知道极限值是多少,只需要验证数列单调且有界,就能断定它收敛。
例子:定理 单调有界数列收敛定理 — 例子
定理 闭区间套定理
定理陈述:如果 {[an,bn]} 形成一个闭区间套,即满足
- [a1,b1]⊃[a2,b2]⊃⋯⊃[an,bn]⊃⋯
- limn→∞(bn−an)=0
则存在唯一的实数 ξ 属于所有的闭区间 [an,bn],且 ξ=limn→∞an=limn→∞bn。
证明:
第1步:由条件1(区间逐个包含),a1⩽a2⩽⋯({an} 单调递增),b1⩾b2⩾⋯({bn} 单调递减)。
第2步:{an} 有上界:因为每个 an⩽bn⩽b1(b1 是公共上界)。{bn} 有下界:因为每个 bn⩾an⩾a1(a1 是公共下界)。
第3步:由定理2.4.1(单调有界数列收敛),{an} 收敛(记极限为 ξ),{bn} 收敛(记极限为 η)。
第4步:由极限的保序性,对每个 n 有 an⩽bn,取极限得 ξ⩽η。
第5步:由条件2,limn→∞(bn−an)=0。由极限的四则运算,η−ξ=limn→∞bn−limn→∞an=limn→∞(bn−an)=0,所以 ξ=η。
第6步:证明 ξ∈[an,bn] 对所有 n 成立。
因为 {an} 递增趋于 ξ,所以 an⩽ξ 对所有 n 成立(递增数列的每一项都不超过极限)。
因为 {bn} 递减趋于 ξ,所以 bn⩾ξ 对所有 n 成立(递减数列的每一项都不低于极限)。
因此 an⩽ξ⩽bn,即 ξ∈[an,bn] 对所有 n 成立。
第7步:惟一性。假设还有 ξ′∈[an,bn] 对所有 n 成立,则 an⩽ξ′⩽bn。取极限得 ξ⩽ξ′⩽ξ,所以 ξ′=ξ。
证毕
例子:定理 闭区间套定理 — 例子
定理 实数集不可列
定理陈述:实数集 R 是不可列集(即不是可列集)。
证明(Cantor对角线法):
我们只需证明 (0,1) 中的实数不可列(因为如果 (0,1) 都不可列,R 更不可列)。
第1步:用反证法。假设 (0,1) 中的实数是可列的,那么可以把它们全部排成一列:
(0,1)={r1,r2,r3,…}.
第2步:把每个 rn 写成无限小数形式:
r1=0.a11a12a13⋯
r2=0.a21a22a23⋯
r3=0.a31a32a33⋯
⋮
其中每个 aij∈{0,1,…,9}。
第3步:构造一个新的实数 r=0.b1b2b3⋯,其中第 n 位小数 bn 定义为:
bn={1,2,如果 ann=1,如果 ann=1.
关键:bn=ann,且 bn∈{1,2}(不取0和9,避免 0.999⋯=1.000⋯ 的歧义)。
第4步:r∈(0,1)(因为 r 的每一位都是1或2,所以 0.111⋯⩽r⩽0.222⋯,确实在 (0,1) 中)。
第5步:但 r=rn 对任何 n 都成立!因为 r 和 rn 在第 n 位小数上不同(bn=ann),而前面的位都相同,所以 r 和 rn 是不同的实数。
第6步:这意味着 r∈(0,1) 但 r 不在列表 {r1,r2,…} 中,与假设”列表包含了 (0,1) 中所有实数”矛盾。
因此 (0,1) 不可列,R 不可列(即不是可列集)。
证毕
例子:定理 实数集不可列 — 例子
定理 子列收敛性
定理陈述:若数列 {xn} 收敛于 a,则它的任何子列 {xnk} 也收敛于 a。
证明:
第1步:设 limn→∞xn=a。任给 ε>0,存在 N,当 n>N 时,∣xn−a∣<ε。
第2步:子列的下标满足 n1<n2<n3<⋯,因此 nk⩾k(第 k 个子列项的下标至少是 k——因为每次下标至少增加1)。
第3步:取 K=N。当 k>K 时,nk⩾k>N,所以 ∣xnk−a∣<ε。
因此 limk→∞xnk=a。
证毕
应用:若一个数列有两个子列收敛于不同的极限,则该数列发散。例如 xn=(−1)n,奇数项子列收敛于 −1,偶数项子列收敛于 1,所以 {(−1)n} 发散。
例子:定理 子列收敛性 — 例子
定理 Bolzano-Weierstrass定理
定理陈述:有界数列必有收敛子列。
证明:
核心想法:反复将区间对半分,每次选择包含无穷多项的那一半,最终”夹”出一个极限点。
设 {xn} 有界,即存在 a1,b1 使得 a1⩽xn⩽b1 对所有 n 成立。
第1步:将 [a1,b1] 等分为两个子区间 [a1,c1] 和 [c1,b1],其中 c1=2a1+b1。
至少有一个子区间包含 {xn} 的无穷多项(因为两个子区间合起来包含所有项,如果每个都只有有限项,加起来也是有限项,但总共有无穷多项,矛盾)。取包含无穷多项的那个子区间为 [a2,b2](如果两个都包含无穷多项,任取一个)。
第2步:从落在 [a2,b2] 中的那些项里,选一个作为 xn1。
第3步:重复这个过程。将 [a2,b2] 等分为两个子区间,取包含无穷多项的那个为 [a3,b3]。从落在 [a3,b3] 中且下标大于 n1 的项里选一个作为 xn2(这是可以做到的,因为 [a3,b3] 包含无穷多项,而前 n1 项只有有限个)。
第4步:如此继续,得到:
- 闭区间套 [a1,b1]⊃[a2,b2]⊃⋯
- bk−ak=2k−1b1−a1→0
- 子列 {xnk},其中 xnk∈[ak,bk]
第5步:由闭区间套定理,存在唯一的 ξ∈[ak,bk] 对所有 k 成立,且 ak→ξ,bk→ξ。
第6步:因为 ak⩽xnk⩽bk,由夹逼定理,xnk→ξ。
因此 {xn} 有收敛子列 {xnk}。
证毕
例子:定理 Bolzano-Weierstrass定理 — 例子
定理 无界数列的性质
定理陈述:若 {xn} 是一个无界数列(即不是有界数列),则存在子列 {xnk},使得 limk→∞xnk=∞(即为无穷大量)。
证明:
核心想法:{xn} 无界意味着 ∣xn∣ 可以任意大。我们逐步挑选出越来越大的项。
第1步:因为 {xn} 无界,所以不存在 M 使得 ∣xn∣⩽M 对所有 n 成立。
取 G=1。不可能所有项都满足 ∣xn∣⩽1(否则就有界了),所以存在 n1 使得 ∣xn1∣>1。
第2步:取 G=2。在 n>n1 的项中,不可能都满足 ∣xn∣⩽2。为什么?因为如果 n>n1 时 ∣xn∣⩽2,而前 n1 项只有有限个也有界,那整个数列就有界了,矛盾。所以存在 n2>n1 使得 ∣xn2∣>2。
第3步:一般地,假设已经找到 n1<n2<⋯<nk−1 使得 ∣xnj∣>j(j=1,2,…,k−1)。取 G=k,在 n>nk−1 的项中,不可能都满足 ∣xn∣⩽k(否则整体有界),所以存在 nk>nk−1 使得 ∣xnk∣>k。
第4步:这样得到的子列 {xnk} 满足 ∣xnk∣>k。任给 G>0,取 K=⌈G⌉(不超过 G 的最大整数加1),当 k>K 时 ∣xnk∣>k>K⩾G。所以 limk→∞xnk=∞(即为无穷大量)。
证毕
例子:定理 无界数列的性质 — 例子
定理 Cauchy收敛原理
定理陈述:数列 {xn} 收敛的充分必要条件是:{xn} 是基本数列(Cauchy数列),即对任意给定的 ε>0,存在正整数 N,使得对一切 m,n>N,成立 ∣xm−xn∣<ε。
证明:
必要性(收敛 ⇒ 基本数列):
设 limn→∞xn=a。任给 ε>0,存在 N,当 n>N 时,∣xn−a∣<2ε。
当 m,n>N 时,由三角不等式:
∣xm−xn∣=∣(xm−a)+(a−xn)∣⩽∣xm−a∣+∣xn−a∣<2ε+2ε=ε.
所以 {xn} 是基本数列。
充分性(基本数列 ⇒ 收敛):
第1步:先证 {xn} 有界。
取 ε=1,存在 N,当 m,n>N 时 ∣xm−xn∣<1。特别地,固定 m=N+1,则当 n>N 时 ∣xn−xN+1∣<1,即 xN+1−1<xn<xN+1+1。
令 M=max{∣x1∣,∣x2∣,…,∣xN∣,∣xN+1∣+1},则 ∣xn∣⩽M 对所有 n 成立。
第2步:由Bolzano-Weierstrass定理,{xn} 有收敛子列 {xnk},设 xnk→a。
第3步:证明整个数列 {xn} 也收敛于 a。
任给 ε>0。
因为 {xn} 是基本数列,存在 N1,当 m,n>N1 时 ∣xm−xn∣<2ε。
因为 xnk→a,存在 K,当 k>K 时 ∣xnk−a∣<2ε。
取 k 足够大使得 nk>N1 且 k>K(这是可以做到的,因为 nk→∞)。则对任意 n>N1:
∣xn−a∣⩽∣xn−xnk∣+∣xnk−a∣<2ε+2ε=ε.
因此 limn→∞xn=a。
证毕
意义:Cauchy收敛原理的重要性在于,判断数列是否收敛不需要知道极限值,只需要验证数列自身”尾部”的项是否足够接近。
例子:定理 Cauchy收敛原理 — 例子
定理 实数系完备性与连续性等价
定理陈述:实数系的完备性等价于实数系的连续性。
说明:
这两个性质看似不同,但本质上说的是同一件事:实数轴没有”空隙”。
证明:
我们需要证明两个方向的蕴含。
方向一:连续性 ⇒ 完备性
这就是我们已经建立的推理链:
确界存在定理 ⇒ 单调有界数列收敛 ⇒ 闭区间套定理 ⇒ Bolzano-Weierstrass定理 ⇒ Cauchy收敛原理。
每一步的推理都已经在前面各定理的证明中完成。
方向二:完备性 ⇒ 连续性
我们需要从Cauchy收敛原理出发,证明非空有上界的数集必有上确界。
设 S 是非空有上界的数集。我们要用Cauchy收敛原理来构造 S 的上确界。
第1步:取一个含 S 的上界的区间 [a0,b0],其中 a0 不是 S 的上界(即存在 x∈S 使得 x>a0),b0 是 S 的上界。
第2步:令 c0=2a0+b0(中点)。检查 c0 是否为 S 的上界:
- 若 c0 是 S 的上界,令 a1=a0,b1=c0;
- 若 c0 不是 S 的上界,令 a1=c0,b1=b0。
这样 a1 不是上界,b1 是上界,且 b1−a1=2b0−a0。
第3步:重复这个过程。第 n 步得到 [an,bn],满足:
- an 不是 S 的上界(即存在 x∈S 使得 x>an);
- bn 是 S 的上界;
- bn−an=2nb0−a0→0。
第4步:证明 {an} 是Cauchy数列。
任给 ε>0,取 N 使得 2Nb0−a0<ε。当 m,n>N 时(不妨设 m⩽n),因为 {an} 递增且有上界 bN,所以 0⩽an−am⩽bm−am⩽bN−aN<ε。因此 ∣an−am∣<ε,{an} 是Cauchy数列。
第5步:由Cauchy收敛原理,{an} 收敛。记 β=limn→∞an。
因为 bn−an→0,所以 limn→∞bn=limn→∞an=β。
第6步:验证 β 是 S 的上界。
假设 β 不是 S 的上界,则存在 x∈S 使得 x>β。令 ε=x−β>0,当 n 足够大时 bn<β+ε=x,即 bn<x。但 bn 是 S 的上界,应有 bn⩾x,矛盾。所以 β 是 S 的上界。
第7步:验证 β 是最小上界。
任给 ε>0,当 n 足够大时 an>β−ε。而 an 不是 S 的上界,所以存在 x∈S 使得 x>an>β−ε。这说明 β−ε 不是 S 的上界,即比 β 小的数都不是上界。
结论:β 是 S 的上确界。因此完备性蕴含连续性。
综合:连续性与完备性等价。
证毕
例子:定理 实数系完备性与连续性等价 — 例子
相关链接
来源引用
- [数学分析 陈纪修 第三版 上](raw/数学分析 陈纪修 第三版 上/full.md)