§15-2  不收斂的刻畫

「X 不收斂到 x」這句話,把定義的量詞逐個翻面之後長什麼樣?有沒有一個一交出來就結案的判準?而非負數列的極限,能不能保證嚴格為正?

「不收斂到 x」長什麼樣

法庭上要判一個人有罪,得舉證;要判無罪,卻不能只說「找不到證據」——得說清楚無罪的樣子是什麼。數學裡的處境類似:證明 X 收斂到 x,流程 §14-2 的 14.4 已經給了;證明 X 不收斂到 x,卻常常有人卡住——因為那是一句全稱敘述的否定,量詞要整排翻面。

翻面的規則是機械的。「對每個 neighborhood V,存在 K,使對每個 n ≥ K 都有 xₙ ∈ V」的否定,是「存在某個 V,對每個 K,存在 n ≥ K 使 xₙ ∉ V」。每個量詞換一次身分、最裡層的結論取反,其餘一字不動。翻完之後那句話還可以再包裝一次,變成更好用的形式。

15.4  THEOREM
For a sequence X = (xₙ) in ℝᵖ and a point x, the following are equivalent.
(a) X does not converge to x.
(b) Some neighborhood V of x has this property: to every natural number n there corresponds a natural number m = m(n) ≥ n with x_m ∉ V.
(c) Some neighborhood V of x and some subsequence X′ of X are such that no term of X′ lies in V.
下列三句話等價:(a) X 不收斂到 x;(b) 存在 x 的某個 neighborhood V,使得不論 n 取多大,總還找得到某個 m ≥ n 使 x_m 落在 V 外;(c) 存在 x 的某個 neighborhood V 與某個子數列 X′,使 X′ 的每一項都在 V 外。
正例:X = ((−1)ⁿ) 與 x = −1 合乎 (c)——取 V = (−2, 0) 與偶數項子數列 (1, 1, 1, ⋯),整條在 V 外。反例:不能只找一項在外面就結案——(1/n) 與 x = 0 之間,x₁ = 1 確實落在 V = (−1/2, 1/2) 外,可是 (b) 要的是「不論 n 多大都還有」,而這裡 n ≥ 3 之後一項都沒有了。
(a) 不收斂到 x (b) 永遠還有例外項 (c) 整條子數列在外 量詞翻面 逐次挑編號 15.2 反用

這張圖在說 15.4 的證明怎麼走:不逐對證明六個蘊含,而是繞一圈 (a) ⟹ (b) ⟹ (c) ⟹ (a)。三段各有各的工具——量詞翻面、逐次挑編號、把 15.2 反過來用;繞完一圈,三句話就兩兩等價。

PROOF

三句話兩兩等價,只需繞一圈:(a) ⟹ (b) ⟹ (c) ⟹ (a)。

證明計畫 · 由所求想起
⇢ (a) ⟹ (b):把 14.3 的敘述逐個量詞翻面,翻出來的就是 (b)。
⇢ (b) ⟹ (c):(b) 保證例外項要多後面有多後面,於是可以一個接一個挑出來,編號自動嚴格遞增。
⇢ (c) ⟹ (a):若真的收斂,15.2 說子數列也得收斂,那條整體在 V 外的子數列就進不了 V——矛盾。
Proof.  (a) ⟹ (b). By Definition 14.3, convergence to x asserts: for every neighborhood V of x there is K such that xₙ ∈ V for all n ≥ K. Its denial reads: there is a neighborhood V such that for every natural number n the choice K = n fails, that is, some m ≥ n has x_m ∉ V. This is precisely statement (b).
第一段是純粹的邏輯操作。收斂的敘述有三層量詞:對每個 V、存在 K、對每個 n ≥ K。否定時三層依序翻成存在 V、對每個 K、存在 n ≥ K,最裡層的 xₙ ∈ V 變成 xₙ ∉ V。翻出來的意思要讀懂:不是「有一項在外面」,而是「例外項要多後面有多後面」——不論你把起算點訂在哪裡,它後面都還有例外。(b) 只是把翻面結果裡的 K 改名成 n、把那個例外項的編號記成 m(n),強調它是隨 n 變動的。
(b) ⟹ (c). Take the neighborhood V furnished by (b) and build indices recursively: put r₁ = m(1), and once rₙ has been chosen put r_{n+1} = m(rₙ + 1). By the property in (b) each rₙ satisfies x_{rₙ} ∉ V, and r_{n+1} ≥ rₙ + 1 > rₙ, so the indices increase strictly. The resulting X′ = (x_{rₙ}) is a subsequence none of whose terms lies in V.
第二段把 (b) 的「永遠還有」兌現成一條實際的子數列。所求:一串嚴格遞增的編號,每個編號對應的項都在 V 外;(b) 恰好是一台可以無限次索取例外項的機器,而且可以指定「要在第幾項之後」。做法是遞迴:先要一個編號 r₁ = m(1);有了 rₙ 之後,向機器要一個「在 rₙ + 1 之後」的例外項,得到 r_{n+1} = m(rₙ + 1) ≥ rₙ + 1。嚴格遞增是這樣自動保證的——每次都指定要更後面的,就不會回頭。具體:若例外項出現在編號 2, 5, 9, 40, ⋯,這個程序依序挑出的正是它們之中遞增的一串。
(c) ⟹ (a). Suppose, to the contrary, that X converged to x. Lemma 15.2 would make the subsequence X′ converge to x as well, so for the neighborhood V all terms of X′ from some index onwards would lie in V. That contradicts the assumption that no term of X′ lies in V. Hence X does not converge to x.
第三段是 §15-1 的 15.2(收斂的數列,每個子數列也收斂到同一點)反過來用。反證:假設 X 真的收斂到 x,那麼 (c) 裡那條子數列也得收斂到 x,於是它從某項起全部落進 V。可是 (c) 說它一項都不在 V 裡。矛盾。注意這裡連 V 有多小都不必計較——只要 V 是 neighborhood,收斂就得把尾巴送進去。
三句話等價。往後要否決一個候選極限,交出 (c) 那組「一個 neighborhood + 一條整體在外的子數列」就夠了。∎

三個判例(15.5)

例 1X = (1, 2, 3, ⋯) 不收斂到任何實數
第一次使用 15.4(c) 的標準流程:對每個候選人各交出一組 V 與子數列。
任取 x ∈ ℝ,證明 X 不收斂到它。
  1. 取 V = (x − 1, x + 1),這是 x 的一個 neighborhood。
  2. 由 §6-3 的 Archimedean 性質(6.6)(任給實數必有自然數超過它),取自然數 k₀ > x + 1。
  3. 當 n ≥ k₀ 時 xₙ = n ≥ k₀ > x + 1,所以 xₙ ∉ V。於是子數列 X′ = (k₀, k₀ + 1, k₀ + 2, ⋯) 整條在 V 外,15.4(c) 成立。
X 不收斂到 x;因為 x 是任取的,X 是 divergent。另一條更短的路是 §14-3 的 14.6(收斂必有界)——X 顯然無界,所以不可能收斂。兩條路都通,本例走的是新工具。
x V = (x − 1, x + 1) k₀ k₀ 之後整段在 V 外 Archimedean 保證這樣的 k₀ 一定找得到

這張圖在證例 1 的交件合格:V 是以 x 為中心、寬度 2 的區間,而自然數一路往右走,越過 x + 1 之後就再也回不來。k₀ 之所以存在,靠的是 Archimedean 性質——不是「看圖顯然」。

例 2Y = ((−1)ⁿ) 不收斂到 −1
§14-2 例 4 用兩項對撞證過整條發散;這次改用 15.4 的機械流程,過程短得多。
交出一個 −1 的 neighborhood 與一條完全在它外面的子數列。
  1. 取 V = (−2, 0),它是 −1 的 neighborhood。
  2. 取編號 rₙ = 2n,得子數列 Y′ = (y₂, y₄, y₆, ⋯) = (1, 1, 1, ⋯)。
  3. 每一項都是 1,而 1 ∉ (−2, 0)——整條在 V 外,15.4(c) 成立。
Y 不收斂到 −1。同法取 V = (0, 2) 與奇數項子數列 (−1, −1, ⋯),可證它也不收斂到 +1;而 ±1 以外的候選人,用 V 取得夠小(不含 1 也不含 −1)即可一次刷掉,因為那時整條 Y 都在 V 外。
1 −1 V = (−2, 0) y₂y₄y₆ 偶數項子數列(紅)一項都沒進 V 依 15.4(c),−1 出局

這張圖在證例 2 的交件:V = (−2, 0) 是 −1 的 neighborhood(藍色帶),而偶數項那條子數列(紅點)整條停在 1 的高度,一項都沒進去。交出這一組就足以否決 −1——不必再檢查任何其他的項。

例 3非負數列的極限不可能是負數
前兩例否決的是特定的候選人;這一例一次否決一整片候選人,而且結論本身往後很常用。
設 Z = (zₙ) 是 ℝ 中的數列且每項 zₙ ≥ 0。證明任何 z < 0 都不是 Z 的極限。
  1. 取 V = {t ∈ ℝ : t < 0}。它是 open set(§9-1 的 9.1:每個成員 t 配半徑 |t| 的區間即整段留在 V 內),而且含著 z,所以是 z 的 neighborhood。
  2. 因為每項 zₙ ≥ 0,沒有任何一項落在 V 裡——連整條 Z 自己(它是自己的子數列,取 rₙ = n)都在 V 外。
  3. 15.4(c) 的條件因此成立:Z 不收斂到 z。
非負數列若有極限,那個極限必定 ≥ 0。不能加強成嚴格正:zₙ = 1/n 每項都嚴格正,極限卻恰好是 0(§14-4 例 5)——> 過極限之後只保得住 ≥。這個「嚴格不等式過極限會鬆掉」的現象,§15-4 的 15.8 會正面處理。
0 V = {t < 0} z zₙ ≥ 0:全在右側 V 收不到任何一項——z 不可能是極限

這張圖在證例 3 為什麼一步到位:整個負半線是任何 z < 0 的 neighborhood,而數列的每一項都在原點右側,所以它一項都收不到。不必挑子數列——整條數列本身就是那條「完全在外」的子數列。

—— 第二階段到此結束 ——

「不收斂」有了三個等價的說法(15.4):量詞翻面得到 (b),逐次挑編號把它兌現成 (c) 那條完全在外的子數列,而 (c) 回頭否決 (a) 靠的是 15.2 反用。三個判例示範了標準流程——交出一個 neighborhood 與一條子數列就結案。例 3 順帶留下一條往後常用的事實:非負數列的極限必定非負,但不保證嚴格正。下一篇 §15-3 換個方向,處理本節真正的主力工具:兩條收斂數列的和、差、內積與商,極限能不能直接算出來。喝口水再繼續。