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极限存在的条件有哪些(原来上、下极限本身也是有充要条件的)

2024-07-10 14:00:21 100次浏览   


上、下极限相等,是数列收敛的充要条件,这个知识关注的人本来就不多了。没想到吧!连上、下极限本身,也是有充要条件的。而且还不止一个,有界数列上、下极限的ε-N充要条件。定理的内容是这样的:

定理:设{xn}为有界数列,则任给ε>0,

1、A ̅为{xn}的上极限的充要条件是:

(1)存在N>0,使得当n>N时,有xn<A ̅+ε;

(2)存在子列{x_(nk )}, x_(nk )>A ̅-ε, k=1,2,….

2、▁A为{xn}的下极限的充要条件是:

(1)存在N>0,使得当n>N时,有xn>▁A-ε;

(2)存在子列{x_(nk )}, x_(nk )<▁A+ε, k=1,2,….

下面老黄为你解读证明:(这里只证上极限的充要条件,下极限的充要条件同理,或直接取相反数列得证)

证明:[必要性]∵A ̅是{xn}的聚点,【先证必要性,就是假设上极限,证明条件(1)(2)都成立。首先,上极限是一个聚点】

∴对任给的ε>0,在U(A ̅,ε)内含有{xn}中无穷多项,【这是聚点的定义】

设为{x_(nk )},则有x_(nk )>A ̅-ε, k=1,2,….【这无穷多个项记为一个子列,子列中的所有项都在U(A ̅,ε)内,自然大于邻域的左端点,条件(2)得证】

又A ̅是{xn}的最大聚点,∴在A ̅+ε的右边至多只有{xn}的有限个项,【反之如果A ̅+ε的右边存在{xn}的无限多个项,那么在A ̅的右边就必有更大的聚点】

设此有限项的最大下标为N,则当n>N时,有xn<A ̅+ε.【条件(1)得证】

证明: [充分性]任给的ε>0,由条件(1)和(2)可知,【再证充分性,就是假设条件(1)(2)都成立,证明上极限。】

在U(A ̅,ε)内含有{xn}中无穷多项,∴A ̅是{xn}的一个聚点.【这是聚点的定义】

又设a>A ̅. 记ε0=1/2(a-A ̅),【用反证法,假设有更大的聚点】

则由条件(1)可知,在U(a,ε0)内至多只有{xn}的有限个项,【与聚点的定义矛盾】

∴a不是{xn}的聚点,即A ̅是{xn}的最大聚点. ∴A ̅是{xn}的上极限.【最大聚点是上极限的定义】

这个定理还有一个等价定理,被使用得更多:

设{xn}为有界数列,则

1、A ̅为{xn}的上极限的充要条件是:对任何a>A ̅,{xn}中大于a的项至多有限个;对任何b<A ̅,{xn}中大于b的项有无限多个;

2、▁A为{xn}的下极限的充要条件是:对任何b<▁A,{xn}中小于b的项至多有限个;对任何a>▁A,{xn}中小于a的项有无限多个.

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