§15-4  應用與不等式過極限

有了四則運算,有理式、多項式與有理函數的極限要怎麼一步讀出?而已知每一項都滿足某個不等式時,極限還滿不滿足——嚴格的與非嚴格的,結果一樣嗎?

拿去用(15.7)

定理的價值要用它省下多少力氣來衡量。§14-4 那五個算例,每一個都得先改寫、再取名、再挑對引理;有了 §15-3 的 15.6,同一類問題變成填空。

例 4xₙ = (2n + 1)/(n + 5) 的極限
分子分母都衝向無窮,直接看看不出答案。標準對策是把它整理成兩條各自收斂的數列的商。
改寫成商的形式,檢查 15.6(c) 的三個條件,再讀出極限。
  1. 分子分母同除以 n:xₙ = (2 + 1/n)/(1 + 5/n)。於是 X 是 Y = (2 + 1/n) 除以 Z = (1 + 5/n)。
  2. Y 收斂:常數數列 (2) 收斂到 2、(1/n) 收斂到 0(§14-4 例 5),由 15.6(a) 得 lim Y = 2 + 0 = 2。同法 lim Z = 1 + 5 · 0 = 1((5/n) 由 15.6(b) 取常數數列 (5) 乘 (1/n) 得到)。
  3. 檢查分母的兩個條件:每項 1 + 5/n 都嚴格正,所以非零;而 lim Z = 1 ≠ 0。兩個條件都過。
  4. 由 15.6(c):lim X = (lim Y)/(lim Z) = 2/1 = 2。
lim ((2n + 1)/(n + 5)) = 2。整個過程沒有出現一次 ε——全部外包給 15.6,而 ε 的工作在證那條定理時已經做完了。數值核對:n = 100 時 xₙ = 201/105 ≈ 1.914,n = 10000 時 ≈ 1.9991。
(2n + 1)/(n + 5) 上下都衝向無窮,讀不出極限 同除以 n (2 + 1/n)/(1 + 5/n) 分子 → 2 分母 → 1,且不為零 15.6(c) 讀出 lim = 2

這張圖在說例 4 的整理為什麼有效:原式的分子分母各自發散,15.6 用不上;同除以 n 之後兩邊都變成「常數加一個趨零項」,各自收斂,而且分母的極限不是零——三個條件到齊,商的極限直接讀出來。

例 5多項式吃收斂數列,吐收斂數列
15.6 一次只處理一個運算;多項式是有限多個運算疊起來,用歸納法接上去即可。
設 xₙ → x(在 ℝ 中),p(t) = c₀ + c₁t + ⋯ + c_k t^k 為多項式。證明 p(xₙ) → p(x)。
  1. 先證每個冪次:(xₙ¹) → x¹ 是假設本身。設 (xₙ^j) → x^j,則由 15.6(a)(在 ℝ 中內積就是一般乘法)得 (xₙ^{j+1}) = (xₙ^j · xₙ) → x^j · x = x^{j+1}。歸納法走完 j = 1, ⋯, k。
  2. 再乘上係數:常數數列 (cⱼ) 收斂到 cⱼ,由 15.6(b) 得 (cⱼ xₙ^j) → cⱼ x^j。
  3. 最後相加:k + 1 個收斂數列逐次套用 15.6(a),得 p(xₙ) → p(x)。
多項式與極限可以交換次序:lim p(xₙ) = p(lim xₙ)。「有限多次」是關鍵——歸納法只走得完有限步;若把多項式換成無窮級數,這個論證整段失效,那要等到後面談級數時另建工具。
例 6有理函數也一樣,只要分母不歸零
把例 5 與 15.6(c) 接起來,順便看清楚「分母不為零」在這裡要求兩次。
設 xₙ → x,r(t) = p(t)/q(t) 為有理函數,且 q(xₙ) ≠ 0(每個 n)與 q(x) ≠ 0。證明 r(xₙ) → r(x)。
  1. 由例 5,p(xₙ) → p(x) 且 q(xₙ) → q(x)。
  2. 把 B = (q(xₙ)) 當分母數列:假設保證它每項非零,而它的極限 q(x) 也非零。
  3. 15.6(c) 的條件到齊,得 r(xₙ) = p(xₙ)/q(xₙ) → p(x)/q(x) = r(x)。
兩個條件缺一不可,而且要求的是不同的事:「每項非零」讓 r(xₙ) 這個式子有意義,「極限非零」才讓 15.6(c) 用得下去。取 r(t) = 1/t(即 p(t) = 1、q(t) = t)與 xₙ = 1/n 是現成的教訓——每個 q(xₙ) = 1/n 都非零,式子寫得出來,可是 x = 0 使 q(x) = 0,而 r(xₙ) = n 什麼都不收斂。

不等式怎麼過極限(15.8)

最後一塊拼圖處理另一種問題:已知數列的每一項都滿足某個不等式,極限還滿不滿足?答案是「非嚴格的不等式過得去,嚴格的會鬆掉」——而理由用 §9-2 的 closed set(9.4)一句話就講完了。

15.8  LEMMA
Let X = (xₙ) be a convergent sequence in ℝᵖ with limit x. If there are c ∈ ℝᵖ and r > 0 with ‖xₙ − c‖ ≤ r for all sufficiently large n, then ‖x − c‖ ≤ r.
設 X = (xₙ) 收斂到 x。若有 c ∈ ℝᵖ 與 r > 0 使得夠後面的每一項都滿足 ‖xₙ − c‖ ≤ r,則極限也滿足 ‖x − c‖ ≤ r。
正例:xₙ = 1 − 1/n 每項都滿足 |xₙ − 0| ≤ 1,極限 x = 1 也滿足 |1 − 0| ≤ 1。反例:嚴格的不等式過不去——同一個數列每項都滿足 |xₙ − 0| < 1(嚴格),極限卻恰好取到 |x − 0| = 1。過極限之後,< 只保得住 ≤。
PROOF

反證。假設結論不成立,即 ‖x − c‖ > r。

證明計畫 · 由所求想起
⇢ 把「不滿足結論的位置」整片圈起來:V = {y : ‖y − c‖ > r}。
⇢ 這片區域是 open set,所以只要 x 落在裡面,它就是 x 的 neighborhood。
⇢ 收斂於是逼得夠後面的項全部進來——與假設「夠後面的項都滿足 ‖xₙ − c‖ ≤ r」正面衝突。
Proof.  The set V = {y ∈ ℝᵖ : ‖y − c‖ > r} is the complement of the closed ball of centre c and radius r, which is a closed set; hence V is open. Suppose x ∈ V. Then V is a neighborhood of x, so by Definition 14.3 all terms xₙ from some index onwards lie in V, that is, satisfy ‖xₙ − c‖ > r. This contradicts the hypothesis, which places all sufficiently large n under ‖xₙ − c‖ ≤ r. Therefore x ∉ V, which is to say ‖x − c‖ ≤ r.
整份證明只有一個動作,關鍵在把結論的否定畫成一個集合。所求:排除 ‖x − c‖ > r 這種情況;把所有這樣的點收成一片 V,問題就變成「x 能不能落在 V 裡」。V 正是閉球 {y : ‖y − c‖ ≤ r} 的補集,而 §9-2 例 6 驗過閉球是 closed set,所以由 9.4(closed set 就是 open set 的補集)得知 V 是 open。V 一旦是 open 又含著 x,它就是 x 的 neighborhood,於是收斂的定義把夠後面的項全部趕進 V——但那些項按假設應該待在閉球裡。兩邊互斥,x 進不了 V。
為什麼嚴格版會鬆掉,從這個證法也看得出來:能收得住極限的是 closed 的集合;閉球 closed,所以 ≤ 過得去,而開球不 closed,< 就守不住。xₙ = 1 − 1/n 每項都在開區間 (−1, 1) 裡,極限 1 卻站到了邊界上——邊界正是開球沒收進來的那一層。
非嚴格的不等式可以直接過極限。∎
c 極限落在邊界上 closed ball:收得住 極限跑出去了 open ball:守不住 收得住極限的是 closed 的那一款

這張圖在說 15.8 的界線畫在哪裡:左邊的閉球把邊界一起收了,所以點列即使一路貼向邊界,極限仍在球內;右邊的開球少了那一層,同一串點的極限就落在球外。≤ 與 < 的差別,在拓撲上就是 closed 與 open 的差別。

這條引理假設了極限存在:它說的是「若 X 收斂,則極限也守這條不等式」,不是「每項守不等式所以 X 收斂」。((−1)ⁿ) 每項都滿足 |xₙ − 0| ≤ 1,卻根本不收斂——有界從來就不蘊含收斂(§14-3 的 14.6 只有單向)。要從「有界」真的推出「收斂」,需要額外的條件,那是下一節的主題。
—— 第四階段到此結束,整個 §15 收工 ——

回望一整節:子數列立好(15.1)並繼承收斂(15.2、15.3);「不收斂」有了三個等價說法(15.4)與三個判例(15.5),標準流程是交出一個 neighborhood 與一條完全在外的子數列;極限的四則到手(15.6),證明共用「加減同一項」與「替浮動係數找上界」兩個動作;最後把它拿去算有理式、多項式與有理函數(15.7),並確定非嚴格的不等式過得了極限(15.8)。整節收工,起來走一圈。臨走前一則:子數列對原數列說——「你去哪我就去哪,這不是黏人,這是 15.2。」

下一幕預告

本節與上一節的每一個收斂證明,都有一個共同的前提:得先知道極限是誰。可是實際遇到的數列,往往看不出極限長什麼樣——遞迴定義的數列尤其如此,你只知道下一項怎麼從上一項算出來,卻沒有通項公式可以觀察。§16 要交出兩個判準,它們的共同特色是:不必先猜出極限,就能斷定極限存在。第一個靠順序——單調而有界的實數列必定收斂;第二個靠數列自己的項互相靠攏,連極限的候選人都不必提。第二個判準的成立,會再一次把 §6-2 的完備性公理推到台前。