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  • 数列的柯西收敛准则证明-----华东师大构造数列证明法

    以下证明,来自华东师范大学数学分析第三版,但是证明最后,闭区间套定理的应用,做了改动,书中使用了某个闭区间套的引理,我改成了直接证明,不用任何引理
    (数列的柯西收敛准则证明-华东师大构造数列闭区间套证明法)
    (华东师范大学数分教材用的是构造数列,构成闭区间套证明法。)
    (中科大数分教材是用收敛子列法(写在其他笔记里面))
    (这里是华东师范大学的数列构造法)
    (【数列的柯西收敛准则】)
    (数列an收敛的充要条件是,若∀ϵ>0,∃N,∀m,n>N,数列an收敛的充要条件是,若∀ϵ>0,∃N,∀m,n>N,)
    (有|an−am|<ϵ有|an−am|<ϵ)
    (【说明】其含义是,数列an随着n趋于无穷,各项彼此越靠越近,越往后越近,任给一个任意小的整数,【说明】其含义是,数列an随着n趋于)(无穷,各项彼此越靠越近,越往后越近,任给一个任意小的整数,)
    (都能从某项之后,任意两项之间的距离,或者说差的绝对值,都小于这个给定的任意小的数。都能从某项之后,任意两项之间的距离,或者说)(差的绝对值,都小于这个给定的任意小的数。)
    (也就是,从某项之后,即使距离最大的两项,其距离差,都小于给定的任意小的数)
    (【证明】)
    (根据题设,forallepsilon>0,exists N,当m,n>N时,有|a_{m}-a_{n}|<epsilonleqslantepsilon)
    (取epsilon=frac{1}{2},则exists N_{1},当n>N_{1}时,有|a_{n}-a_{N_{1}}|leqslantfrac{1}{2})
    (则,在区间[a_{N_{1}}-frac{1}{2},a_{N_{1}}+frac{1}{2}]内,有无穷多项{a_{n}})
    (记[a_{N_{1}}-frac{1}{2},a_{N_{1}}+frac{1}{2}]=[alpha{1},eta_{1}])
    (取epsilon=frac{1}{2^2},则exists N_{2}',当n>N_{2}'时,有|a_{n}-a_{N_{2}'}|leqslantfrac{1}{2^2})
    (设N_{2}=MAX{N_{2}',(N_{1}+1)})
    (则在区间[a_{N_{2}}-frac{1}{2^2},a_{N_{2}}+frac{1}{2^2}]内,有无穷多项{a_{n}}quadquad(2))
    (记[{alpha_{2},eta_{2}}]=[a_{N_{2}}-frac{1}{2^2},a_{N_{2}}+frac{1}{2^2}]cap[a_{N_{1}}-frac{1}{2^2},a_{N_{1}}+frac{1}{2^2}])
    (因为N_{2}>N_{1},所以a_{N_{2}}in[a_{N_{1}}-frac{1}{2},a_{N_{1}}+frac{1}{2}])
    (故,[{alpha_{2},eta_{2}}] eqemptyset)
    (因为[alpha1,eta1]ackslash[alpha2,eta2]中的元素在[a_{N_{2}}-frac{1}{2^2},a_{N_{2}}+frac{1}{2^2}]之外,所以)
    (所以只有有限项,)
    (又因为[a_{N_{2}}-frac{1}{2^2},a_{N_{2}}+frac{1}{2^2}]ackslash[alpha2,eta2]中的元素在[a_{N_{1}}-frac{1}{2},a_{N_{1}}+frac{1}{2}]之外,所以只有有限项)
    (故[alpha2,eta2]内有无限项{a_(n)})
    (且有quad [alpha1,eta1]supset[alpha2,eta2])
    (因为[alpha2,eta2]subset[a_{N_{2}}-frac{1}{2^2},a_{N_{2}}+frac{1}{2^2}])
    (由(2)式可知eta2-alpha2leqslantfrac{1}{2})
    (继续令epsilon=frac{1}{2^3},cdotcdot,frac{1}{2^n},cdotcdot)
    (得到一系列闭区间{[alpha_{n},eta_{n}})
    (满足:[alpha_{n},eta_{n}]subset[alpha{n+1},eta_{n+1}])
    (alpha_{n}-eta_{n}leqslantfrac{1}{2^(n-1)})
    (0leqslantalpha_{n}-eta_{n}leqslantfrac{1}{2^(n-1)})
    (由迫敛定理,可得lim_{n oinfty}(eta_{n}-alpha_{n})=0)
    (lim_{n oinfty})
    (即,[alpha_{n},eta_{n}]是闭区间套)
    (则,存在唯一一个数xiin[alpha_{n},eta_{n}](n=1,2,3..))
    (下面证明xi是{a_{n}}极限)
    (因为[alpha_{n},eta{n}]里{a_{n}}的无穷多项,均有|a_{n}-xi|leqslantfrac{1}{2^(n-1)})
    (故,若使|a_{n}-xi|<epsilon)
    (只需frac{1}{2^(n-1)}<epsilon)
    (即quad n>frac{lnfrac{2}{epsilon}}{ln2}即可)
    证毕

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