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§3.33.3 凝聚定理

华东师范大学数学系高等教育出版社《数学分析》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)
  1. 凝聚定理 (Bolzano-Weierstrass (魏尔斯特拉斯) 定理): 有界数列必有收敛子列.

  2. 凝聚定理在实数系中成立,在有理数集 Q 中不成立 (作为思考题).

  3. 评注 从数列的极限理论知道,收敛数列一定有界,但有界数列不一定收敛.在一系列需要构造收敛数列的分析问题中,往往采取分两步走的办法,即一开始构造一个有界数列,然后对它用凝聚定理得到收敛子列.凝聚定理的这种用法往往有效,用形象化的语言来说,即是从混乱中找出了秩序.

凝聚定理的证法很多.除了例题 3.2.2 的证明外,这里介绍一个较新的证明.它依赖于一个很有意思的发现: 任何数列都有单调子列 (可以参考 [8, 41, 55]). 需要指出: 这个结论与实数系无关.将它用于有界数列,再利用单调有界数列的收敛定理,就得到凝聚定理.因此为证明凝聚定理,我们只需证明下列结论.

例题 3.3.1

每个数列都有单调子列.

证明

称数列 {aₙ} 中的项 aₙ 具有性质 (M): 若对每个 i > n,成立 aₙ ≥slant aᵢ.这就是说,aₙ 是集合 {aᵢ | i ≥slant n} 的最大数.

分两种情况讨论.(1) 数列 {aₙ} 有无穷多项具有性质 (M). 将它们按下标的顺序排队,记为 aₙ₁, aₙ₂, …, aₙₖ, …,满足条件 n₁ < n₂ < … < nₖ < ….那么就已经得到一个单调减少的子列 {aₙₖ} .

(2) 数列 {aₙ} 中只有有限多项具有性质 (M). 那么存在 N,使得所有的 aₙ (n ≥slant N) 都不具有性质 (M). 从中任取一项记为 aₙ₁.因为它不具有性质 (M), 所以能找到 n₂ > n₁,使得 aₙ₁ < aₙ₂.同样因为 aₙ₂ 不具有性质 (M), 所以又有 n₃ > n₂,使得 aₙ₂ < aₙ₃.这样就可归纳地定出严格单调增加的子列 {aₙₖ} . square

若要作进一步了解,可参考《美国数学月刊》(1988) 第 95 卷 44—45 页.

作为凝聚定理的一个应用,同时也是对凝聚定理的一个发展,有以下例题.

例题 3.3.2

数列有收敛子列的充分必要条件是该数列不是无穷大量.

证明

必要性是明显的.现证明充分性.设 {aₙ} 是一个数列,它不是无穷大量.写出无穷大量的定义,即

∀ G > 0, ∃ N, ∀ n > N, text 成立 | a _ n | > G,

然后用 §1.4 的对偶法则,写出“不是无穷大量”的正面陈述:

∃ G _ 0 > 0, ∀ N, ∃ n > N, text 成立 | a _ n | ≤slant G _ 0.

现在对 N = 1 ,取 n₁ > 1 ,使 |aₙ₁| < G₀ 。再对 N = n₁ ,取 n₂ > n₁ ,使得 |aₙ₂| < G₀ 。这样就可以归纳地得到数列 {aₙ} 的一个有界子列 {aₙₖ} 。对它用凝聚定理,就得到 {aₙₖ} 的一个收敛子列。由于它也是 {aₙ} 的子列(一个数列的子列的子列仍然是数列的子列),这样就找到了数列 {aₙ} 的一个收敛子列. □

  1. 对于给定的数列 {xₙ} 和数 a,证明: 在 a 的每个邻域中有数列 {xₙ} 的无穷多项的充分必要条件是,a 是数列 {xₙ} 的某个子列的极限.

  2. 证明: 有界数列发散的充分必要条件是存在两个收敛于不同极限值的子列.

  3. 证明: 若 {xₙ} 无界,但不是无穷大量,则存在两个子列,其中一个子列收敛,另一个子列是无穷大量.

  4. 用凝聚定理证明单调有界数列的收敛定理.

共 0 题