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学习笔记2

Weierstrass定理(单调有界数列必收敛)#

证明: 设{an}\{a_n\}单调递增且有界。记X={an∣n∈N}X=\{a_n | n \in \mathbb{N}\}为由此数列构成的集合,α=sup⁡X\alpha = \sup X,则对于任意给定的 ε>0\varepsilon > 0 ,由集合上界的定义(上确界是最小的上界)可知,存在 N∈NN\in \mathbb{N}使得

α−ε<aN\alpha - \varepsilon < a_N

由于{an}\{a_n\}是单调递增的,故当 n>Nn>N时有

α−ε<aN≤an≤α<α+ε\alpha - \varepsilon <a_N \le a_n \le \alpha < \alpha + \varepsilon

闭区间套原理#

定理内容#

设有一列闭区间 [an,bn],n≥1,an≠bn[a_n,b_n],n \ge 1,a_n\ne b_n,满足条件

[a1,b1]⊋[a2,b2]⊋…[a_1,b_1]\supsetneq[a_2,b_2]\supsetneq \dots

并且有

lim⁡n→∞(an−bn)=0\lim_{n \to \infty}(a_n-b_n)=0

则存在唯一的实数 γ\gamma使得

γ∈⋂n=1∞[an,bn]\gamma \in \bigcap_{n=1}^{\infty}[a_n,b_n]

证明#

证明: 考虑数列 {an}\{a_n\} {bn}\{b_n\},他们分别是单调递增、单调递减的有界数列,记他们的极限分别为a,ba,b,由于 an<bna_n<b_n,我们有

an≤a≤b≤bna_n\le a \le b \le b_n

由于

lim⁡n→∞(an−bn)=0\lim_{n \to \infty}(a_n-b_n)=0

故a=ba=b。取γ=a\gamma=a,则满足定理要求。

注1 去掉闭区间的条件则不再成立

注2 利用闭区间套原理可以证明确界原理(我还不会)

自然对数的底#

定义1#

有 an=(1+1n)na_n=(1+\frac{1}{n})^n

an=1⋅(1+1n)n<(1+n⋅(1+1n)n+1)n+1=(1+1n+1)n+1=an+1a_n=1 \cdot (1+\frac{1}{n})^n <(\frac{1+n \cdot(1+\frac{1}{n})}{n+1})^{n+1}=(1+\frac{1}{n+1})^{n+1}=a_{n+1}14an=12⋅12(1+1n)n≤(12+12+n⋅(1+1n)n+2)n+2=1\frac{1}{4}a_n=\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{2}(1+\frac{1}{n})^n\le (\frac{\frac{1}{2}+\frac{1}{2}+n \cdot(1+\frac{1}{n})}{n+2})^{n+2}=1

因此ana_n单调有界,故他收敛。记

lim⁡n→∞an=e\lim_{n\to\infty}a_n=e

定义2#

考虑数列{Sn}\{S_n\},其中

Sn=1+1+12!+13!+⋯+1n!=∑k=0n1k!  (其中0! =1)S_n=1+1+\frac{1}{2!}+\frac{1}{3!}+\dots+\frac{1}{n!}=\sum^n_{k=0}\frac{1}{k!}\;\text{(其中0! =1)}Sn≤1+1+11⋅2+12⋅3+13⋅4⋯+1(n−1)⋅n=3−1n≤3S_n \le 1+ 1+\frac{1}{1\cdot2}+\frac{1}{2\cdot3}+\frac{1}{3\cdot4}\dots+\frac{1}{(n-1)\cdot n}=3-\frac{1}{n} \le 3

{Sn}\{S_n\}单调递增且有界,因此他收敛,记

lim⁡n→∞Sn=e\lim_{n\to\infty}S_n=e

注意 我们还需要证明

lim⁡n→∞Sn=lim⁡n→∞an\lim_{n\to\infty}S_n=\lim_{n\to\infty}a_n

基本列Cauchy收敛原理#

基本列定义#

∀ε>0,∃N∈N,s.t.∀m,n>N有∣an−am∣<ε\forall \varepsilon>0,\exist N\in \mathbb{N},\text{s.t.} \forall m,n>N \text{有} |a_n-a_m|<\varepsilon

或另一个等价写法

∀ε>0,∃N∈N,s.t.∀n>N,p∈N有∣an+p−an∣<ε\forall \varepsilon>0,\exist N\in \mathbb{N},\text{s.t.} \forall n>N,p\in\mathbb{N} \text{有} |a_{n+p}-a_n|<\varepsilon

有限覆盖定理(Heine-Borel定理,Borel-Lebesgue定理)#

定理内容: 闭区间的任意一个开覆盖必有有限子覆盖

证明: 考虑使用反证,现存在一个闭区间X=[a,b]X=[a,b]这个闭区间有一个开覆盖S={Iλ}λ∈ΛS=\{I_\lambda\}_{\lambda\in\Lambda},假设这个开覆盖没有有限子覆盖。考虑设J0=[a,b]J_0=[a,b],将[a,b][a,b]分成两个区间[a,a+b2],[a+b2,b][a,\frac{a+b}{2}],[\frac{a+b}{2},b],由于这个闭区间没有有限子覆盖,那么这两个区间中至少有一个没有有限子覆盖,记这个区间为J1J_1,用这样的方式可以一直分下去,最终得到

Jn⊊Jn−1⊊...⊊J1⊊J0      其中∣Jn∣=b−a2nJ_n\subsetneq J_{n-1}\subsetneq ... \subsetneq J_1 \subsetneq J_0\;\;\;\text{其中}|J_n|=\frac{b-a}{2^n}

由闭区间套原理可知存在唯一的γ∈X\gamma\in X满足

γ∈⋂k=0∞Jk\gamma \in\bigcap^{\infty}_{k=0}J_k

那么由于γ∈X\gamma\in X且IλI_\lambda是开集,所以一定存在ε>0,λ0\varepsilon>0,\lambda_0使得(γ−ε,γ+ε)⊆Iλ0(\gamma-\varepsilon,\gamma+\varepsilon)\subseteq I_{\lambda_0},由于∣Jn∣→0|J_n|\to0,则存在N∈NN\in\mathbb{N}使得 ∀n>N\forall n>N时,有∣Jn∣<ε|J_n|<\varepsilon且γ∈Jn⇒Jn⊆Iλ0\gamma\in J_n\Rarr J_n\subseteq I_{\lambda_0},这就意味着我们所假设的无限个无法被有限个子覆盖覆盖的JnJ_n被一个的开区间覆盖了,这与我们的假设矛盾。□\Box

注 IλI_\lambda是一个开集不一定是一个单独的开区间

Bolzano–Weierstrass定理(波尔查诺–魏尔斯特拉斯定理)#

定理内容: 有界数列必有收敛子列

证明: 先设有一个数列{an}\{a_n\},有一个闭区间[a,b][a,b]使得

A={an∣n∈N}⊆[a,b]A=\{a_n|n\in\mathbb{N}\}\subseteq[a,b]

如果AA为有限集那么根据鸽巢原理,一定存在某个数出现了无数次,那么可以知道这个数可以对应一个收敛子列。那么现在考虑AA为无限集。


施工中🚧


一些习题#

作业1.2.6#

题目: 设数列 ana_n 满足

lim⁡n→∞ann=0\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{n}=0

求证

lim⁡n→∞max⁡{a1,a2,…,an}n=0\lim_{n\to\infty}\frac{\max\{a_1,a_2,\dots,a_n\}}{n}=0

证明:

lim⁡n→∞ann=0    ⇒     ∀ε>0,∃N1∈N  s.t.  ∀n>N1有∣ann∣<ε\lim_{n\to\infty}\frac{a_n}{n}=0 \;\;\Rarr\;\;\ \forall \varepsilon>0,\exist N_1\in \mathbb{N}\;\text{s.t.} \;\forall n>N_1\text{有}|\frac{a_n}{n}|< \varepsilon

令

M=max⁡{a1,a2,…,aN1}M=\max\{a_1,a_2,\dots,a_{N_1}\}

则

∃N2∈N  s.t.  ∀n>N2,Mn<ε\exist N_2\in\mathbb{N}\;\text{s.t.}\;\forall n>N_2,\frac{M}{n}<\varepsilon

令

N=max⁡{N1,N2}N=\max\{N_1,N_2\}

对于n>Nn>N时max⁡{a1,a2,…,an}n\frac{\max\{a_1,a_2,\dots,a_n\}}{n}的大小,考虑aka_k其中 k≤nk\le n

情形一 k≤N1k\le N_1

∣akn∣≤∣Mn∣≤ε|\frac{a_k}{n}|\le|\frac{M}{n}|\le\varepsilon

情形二 N1<k≤nN_1<k\le n

由于

∀ε>0,∃N1∈N  s.t.  ∀n>N1有∣ann∣<ε\forall \varepsilon>0,\exist N_1\in \mathbb{N}\;\text{s.t.} \;\forall n>N_1\text{有}|\frac{a_n}{n}|< \varepsilon

又因为 k≤nk\le n,故

∣akn∣≤∣akk∣<ε\left|\frac{a_k}{n}\right|\le\left|\frac{a_k}{k}\right|<\varepsilon

综上所述

∀n>N,k≤n,∣akn∣<ε\forall n>N, k\le n,|\frac{a_k}{n}|<\varepsilon

故

∀ε>0  ∃N  s.t.  ∀n>N,∣max⁡{a1,a2,…,an}n∣<ε  □\forall \varepsilon>0 \;\exist N \;\text{s.t.}\; \forall n>N , |\frac{\max\{a_1,a_2,\dots,a_n\}}{n}|<\varepsilon \;\Box

思路分析:

考虑将 max⁡{a1,a2...,an}\max\{a_1,a_2...,a_n\} 分成两部分a1,...,aN,...,ana_1,...,a_N,...,a_n,前一半放缩为常数比nn即 Mn\frac{M}{n} 的形式,一定小于ε\varepsilon,之后的有akn<ε\frac{a_k}{n}<\varepsilon则整体的max小于ε\varepsilon,得证。

作业1.2.5#

题目: 证明数列{(−1)n+2n}\{(-1)^n+\frac{2}{n}\}发散

思路分析:

考虑分奇偶项,奇偶极限不同故数列发散。


勘误#

以下是发布后发现并已修正的错误,按所在小节列出。

  • 「Bolzano–Weierstrass定理」标题原拼写为 Bolazno-Weiestrass,已改为 Bolzano–Weierstrass。
  • 「作业1.2.6」证明的最后一行,分子原为 max⁡{a1,a2,…,aN1}\max\{a_1,a_2,\dots,a_{N_1}\}(即前面的 MM),应为 max⁡{a1,a2,…,an}\max\{a_1,a_2,\dots,a_n\},已修正。
  • 「作业1.2.6」情形二补充了推导:由于 k≤nk\le n,有 ∣akn∣≤∣akk∣<ε\left|\frac{a_k}{n}\right|\le\left|\frac{a_k}{k}\right|<\varepsilon。
  • 全文独立公式原来写在同一行的 $$...$$ 中,被渲染成了行内公式,已改为单独成行显示。
学习笔记2
https://minstring.vercel.app/posts/notes/notes2/
作者
MinString
发布于
2026-10-09
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0

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