基本列

滿足柯西條件的數列

基本列(fundamental sequence)亦稱柯西列,是極限存在的數列,也就是滿足柯西條件的數列,即這樣的xn:對任意正整數ε,存在正整數N,使當n,m>N時,有|xn-xm|<ε,反映在數軸上,表示當項的編號無限增加時,基本列中任意兩項之間的距離將會任意地小,不難想像這種點列中的點最終將聚集在某個點的周圍,即收斂於這個點,反之,如果一個點列收斂,編號無限增大的項之間的距離也將任意地小,這就是說:實數列收斂,當且僅當它是基本列,這個結論稱為柯西準則。若一個基本列的所有各項都是有理數,則它為基本有理數列,但基本有理數列不一定收斂於有理數。例如,設en=1+∑k=1(1/(k!)),則enn=1是基本有理數列,但它的極限e是無理數康托爾(G.F.P.Cantor)注意到基本有理數列與基本實數列之間的這個差別,利用基本有理數列定義實數。康托爾的實數定義,是多種互相等價的實數定義中的一種,主要反映了實數的完備性。基本列的概念可以推廣到R及一般的抽象空間,並用以使這些空間完備化。

基本概念


設{a}是一實數列,對任意給定的ε>0,若存在N∈N*,使得當m,n∈N*且m,n>N時,有
則稱數列{a}是一個 基本列或 Cauchy(柯西,1789~1857) 列。
粗略地說,基本列的特徵是:只要數列中兩個項充分地靠後,而不論它們的相對位置如何,它們之差的絕對值便可以小到事先任意給定的程度。
在定義中,顯然只需考慮m>n的情形。我們可以令m=n+p,這樣一來,基本列的定義可以等價地敘述為:對任意給定的ε>0,若存在N∈N*,使得當n>N時,
對一切p∈N*成立,則數列{a}叫作 基本列。
基本列
基本列

性質定理


下面中心的議題是要證明:一個數列是收斂數列的充分必要條件是,它是基本列。為此,我們需做一些預備工作。
引理1 從任一數列中必可取出一個單調子列。
證明 先引人一個定義:如果數列中的一項大於這個項之後的所有各項,則稱這一項是一個“龍頭”。分兩種情況來討論.
情況(a)如果在數列中存在著無窮多個“龍頭”,那麼把這些可作“龍頭”的項依次取下來,顯然將得到一個嚴格遞減的數列.
情況(b) 設在此數列中只有有限多個項可作“龍頭”.這時取出最後一個“龍頭”的下一項,記作 .由於 不是“龍頭”,在它的後邊必有一項 (i₂>i₁)滿足 ≤ ;因 也不是“龍頭”,在它的後邊也必可找到一項 (i₃>i₂),使得 ≥ .如此進行下去,就得到子列{ },它顯然是一個遞增的子列。
定理1(列緊性定理) 從任何有界的數列中必可選出一一個收斂的子列。
此定理也稱作Bolzano(波爾查諾,1781~1848)- Weierstrass(魏爾斯特拉斯,1815~1897)定理。
證明 設{a}是一個有界的數列。根據引理1,從中可以取出一個單調子列{ },這個子列當然也是有界的。易知{ }是一個收斂數列。
現在來證明本節的主要定理。
定理2 一個數列收斂的充分必要條件是,它是基本列。