高等微积分 Lesson 6
Cauchy收敛准则
/Definition/
称{xn}是Cauchy序列,若∀ε>0,∃N∈Z+,∀m,n≥N有∣xm−xn∣<ε.
/Theorem/
R中任何Cauchy列都有极限. 即{xn}收敛 ⟺ {xn}是Cauchy列.
/Proof/
上节课已经证明完充分性,现在证必要性,也就是从右至左证明. 显然只能使用夹逼定理.
令an=inf{xn,xn+1,⋯},bn=sup{xn,xn+1,⋯}. 则有如下几个结论:
- an≤xn≤bn.
- a1≤a2≤⋯≤an≤bn≤⋯≤b2≤b1.
{an}和{bn}是单调且有界的,故由MCT可知,均有极限. n→∞liman=A,n→∞limbn=B.
接下来证明A=B. 首先,A≤B是显然的.
对于A≥B的证明,我们只能应用Cauchy列的定义,
草稿:关心B−A,≈bn−an,≈sup−inf,≈sup{xk−xl}(k,l≥n).
定义∀n≥N,令X={xn,xn+1,⋯}.
引理:sup(X−Y)=supX−infY.
/Proof/
∀x∈X,∀y∈Y有x−y≤supX−infY,说明是上界.
接下来说明是最小上界:∀ε>0,∀c=supX−infY−ε不是上界.
由supX定义,supX−ε/2<x,同理,∃y,y<infY+ε/2. 从而存在x−y>(supX−ε/2)−(infY+ε/2)=supX−infY−ε.
是最小上界.
证毕.
考虑sup(X−X),则有sup(X−X)=supX−infX=bn−an. 由定义知道,X中任意两项之差<ε,表明ε是(X−X)的上界.
从而sup(X−X)≤ε,进而bn−an<ε(∀n≥N). 用极限不等式,
B−A=n→∞lim(bn−an)≤ε,∀ε>0
而B−A≥0,所以B−A=0.
由夹逼定理,{xn}的极限n→∞limxn=A=B. 必要性得证.
证毕.
注意,Cauchy收敛准则是充分必要条件,而MCT是充分不必要条件.
/Example/
xn=12cosθ+⋯+n2cosnθ,证明收敛.
/Proof/
用Cauchy准则,只需证{xn}是Cauchy列.
为此∀ε>0,取定N.
草稿:∀m>n≥N,
∣xm−xn∣=∣k=n+1∑mk2coskθ∣≤k=n+1∑mk21<k=n+1∑mk(k−1)1=n1−m1<n1≤N1<ε
把N取为⌊1/ε⌋+1即可.
证毕.
接下来看一个untrivial的例子:
在一般度量空间也可定义点列极限&Cauchy列.
/Definition/
所谓一个度量空间,是指集合X和度量d:X×X→R>0,度量指的是X中x,y两点间的距离.
满足如下度量公理:
- 对称性:d(x,y)=d(y,x),∀x,y∈X.
- 正定性:d(x,y)=0 ⟺ x=y.
- 三角不等式:d(x,y)+d(y,z)≥d(x,z). (两边之和大于第三边)
其中三角不等式是核心内容.
记上述度量空间为(X,d),上下文明确时,简记为X.
/Example/
Euclidian空间,度量定义为d(x,y)=∑k=1n(xk−yk)2.
/Example/
二维球面,度量定义为连接两点之间的大圆弧的劣弧长度.
/Definition/
设{xn}n=1∞是度量空间(X,l)中的一个无穷点列,称{xn}收敛于L∈X,若∀ε>0,∃N∈Z+,∀n≥N,有d(xn,L)<ε.
有了上面的定义,我们就可以定义Cauchy列:
/Definition/
d(xn,xm)<ε,对于∀ε>0,∃N∈Z+,∀n,m≥N.
由此知,{xn}收敛 ⟹ {xn}是Cauchy列.
/Proof/ 同上节课证明.
注意:一般(X,d)中Cauchy列未必收敛!
/Example/
X=Q,d(x,y)=∣x−y∣,在R中的数列收敛于2,那么其在R中是Cauchy列,于是在Q中也是Cauchy列,但是它在Q中显然不收敛.
称一个度量空间是完备的,当且仅当其中的Cauchy列收敛.
接下来要讲压缩映像定理. 这个定理在本课程中将用到两次:
- 多元函数的反函数Theorem
- ODE(一元常微分方程)的初值问题有唯一短期解
目标:证明自映射T:X→X有不动点(不动点T(x)=x).
/Theorem/ (压缩映像)
设(X,d)是完备的度量空间,T:X→X是一个压缩映射(即∃常数0<c<1,使得对∀x,y∈X有d(T(x),T(y))≤c⋅d(x,y)),则T有唯一不动点.
怎么找这个不动点呢?我们不断地去对一个点x1做T映射,则每一次的结果xn都与上一次的结果越来越近,我们越来越有理由说我们找到不动点了. 我们猜测n→∞limxn是不动点.
/Proof/
任取x0∈X,
/Definition/
{xn}n=0∞为xn+1=T(xn),∀n≥0.
因为度量空间是完备的,所以只需证明是Cauchy列就能证明存在极限u.
我们的证明需要3步:
- 证明{xn}是Cauchy列
- 证明T(u)=u
- 证明不动点的唯一性
我们先来证第2步:
d(T(xn),T(u))≤c⋅d(xn,u) (∗)
引理:n→∞limxn=u ⟺ n→∞limd(xn,u)=0
/Proof/
RHS⟺∣d(xn,u)−0∣<ε⟺d(xn,u)<ε⟺n→∞limxn=u
即为LHS.
证毕.
由n→∞limxn=u,得到n→∞limd(xn,u)=0.
对(∗)式使用夹逼定理,得到n→∞limd(T(xn),T(u))=0.
所以n→∞limT(xn)=T(xn),即n→∞limT(u)=T(u)=n→∞limxn=u.
证毕.
第3步:
反证法,假设有u,v两个不动点,则
d(T(u),T(v))=d(u,v)≤c⋅d(u,v)
只能有u=v.
证毕.
最后来证第1步:
对∀m>n有:d(T(n)(xm−n),T(n)(x0))≤cn⋅d(xm−n,x0) (∗)
d(x0,xk)≤d(x0,x1)+d(x1,x2)+⋯+d(xk−1,xk)≤d(x0,x1)+c⋅d(x0,x1)+⋯+ck−1⋅d(x0,x1)=(1+c+⋯+ck−1)d(x0,x1)≤1−c1d(x0,x1)
进而由(∗)式得,
d(xm,xn)≤cn⋅d(x0,xm−n)≤1−ccnd(x0,x1),∀m>n
这个式子称为(∗∗)式.
上面这个式子表明{xn}是Cauchy列,因为
∀ε>0,由n→∞lim1−ccnd(x0,x1)=0<ε,知∃N∈Z+,∀n≥N有
1−ccnd(x0,x1)<ε
进而应用(∗∗)得∀m>n≥N有:
d(xm,xn)≤1−ccnd(x0,x1)<ε
完成验证.
证毕.
证毕.
上、下极限
回忆在Cauchy准则的证明中,使用如下方法:
对{xn},定义an=inf{xn,xn+1,⋯},且an单调递增、有上界,则存在n→∞liman=A,这称为{xn}的下极限.
/Definition/
对任何实数数列{xn},定义
an={inf{xn,⋯},if∃inf{xn,⋯}−∞,else
(严格定义下极限,虽然我个人认为这个太严格了没必要)
(不行,后面可能要用)
注记:若∃n∈Z+,an∈R,则{xn,⋯}有下界,对于∀m≥n,{xm,⋯}当然有下界;而对于∀m<n,只要是增加有限项,仍然存在下界.
可知,{an}只有两种可能,1.是每一项均为−∞,2.是每一项均∈R.
对于第2.种情况,也要分类讨论,若{an}无上界,则下极限为+∞,若有上界,下极限是n→∞liman.
统一形式化为:
下极限
n→∞liminfxn=n→∞lim(inf{xn,xn+1,⋯})=⎩⎪⎨⎪⎧−∞,∄inf{xn,xn+1,⋯}+∞,∃inf{xn,xn+1,⋯},∄sup{an}liman,∃inf{xn,xn+1,⋯},∃sup{an}
上极限(同理)
n→∞limsupxn=n→∞lim(sup{xn,xn+1,⋯})=⎩⎪⎨⎪⎧+∞,∄sup{xn,xn+1,⋯}−∞,∃sup{xn,xn+1,⋯},∄inf{bn}limbn,∃sup{xn,xn+1,⋯},∃inf{bn}
注记:与极限不同,任何数列{xn}皆可定义上/下极限,而极限未必存在.
之后讲幂级数收敛半径的Cauchy-Hadamard公式需要上极限:∑anxn的收敛半径为
n→∞limsup(n∣an∣)1
/Claim/
{xn}收敛 ⟺ n→∞limsupxn=n→∞liminfxn∈R
/Proof/
证明“⟸”
由上,下极限定义,再用夹逼定理,即证.
证毕.
证明“⟹”
设{xn}收敛,记n→∞limxn=L. 由定义,∀ε>0,∃N∈Z+,∀x≥N有L−ε<xn<L+ε.
表明∀x≥N有bn=sup{xn,xn+1,⋯}≤L+ε,下界同理,取极限:
n→∞limbn≤L+ε,这说明:
L−ε≤n→∞limann→∞liman≤n→∞limbn≤L+ε=n→∞limbn=L
证毕.
证毕.
计算极限的其他方法——Stolz定理
这个定理实际上是L’Ho^pital法则的离散版本.
先来说一说L’Ho^pital法则:
/Theorem/
有两种情形:
limf=0,limg=0,称为0/0型,此时有
limgf=limg′f′
limg=∞,称为?/∞型,此时有
limgf=limg′f′
类比上述定理,可以写出Stolz定理:
/Theorem/
0/0型:设{an}和{bn}收敛于0,则
n→∞limbnan=n→∞limbn+1−bnan+1−an
?/∞型:设{bn}单调递增且无上界,则
n→∞limbnan=n→∞limbn+1−bnan+1−an