§19-5  迭代極限定理

要補上什麼條件,才能從迭代極限反推雙重極限?§17 那個「一個起算點對所有參數通用」的要求,換到列的編號上會長什麼樣?而它是必要條件、充分條件,還是兩者都是?

均勻收斂再度登場

上一篇的例 8 為什麼失敗?每一列都收斂到 1,可是收斂得越來越慢:第 m 列要走到第 m 個位置之後才穩定下來。列號越大,起算點就越後面,沒有一個編號能同時服務全部的列。

這個病徵在 §17-2 出現過一次:那裡是每個定義點各有自己的起算點,於是逐點收斂救不出連續性。這裡是每一列各有自己的起算點。兩處的處方也相同——要求一個只看 ε、不看列號的起算點。

本篇證明這個要求恰好補上了缺口:它既是雙重極限存在的必要條件(19.9),在兩族單一極限都存在的前提下也是充分條件(19.10)。

19.8  DEFINITION
For each m ∈ ℕ let Yₘ = (xₘₙ) be a sequence in ℝᵖ converging to yₘ. The collection {Yₘ : m ∈ ℕ} is uniformly convergent in case, for each ε > 0, there is a natural number N(ε) — depending on ε but not on m — such that n ≥ N(ε) implies ‖xₘₙ − yₘ‖ < ε for all m ∈ ℕ.
一個起算點對所有的列通用:走到第 N(ε) 行之後,每一列都已經貼近自己的極限,不許有哪一列還在慢慢磨。
正例:xₘₙ = 1/(m + n) 這一族均勻收斂到 yₘ = 0——因為 |xₘₙ| ≤ 1/n,這個界不含 m,取 N(ε) > 1/ε 即可。反例:§19-4 例 8 那張表不均勻收斂——每一列的極限是 1,可是第 m 列在第 m 個位置上的值是 0,誤差恰為 1。不論 N 取多大,第 N 列在第 N 行仍然差了 1。
y₁y₂y₃ N(ε) 此後每一列都在自己的帶內

這張圖在說 19.8 要求的是什麼:每一列有自己的極限與自己的 ε 帶,而均勻收斂要求存在一條共同的垂直線 N(ε),它右邊的部分每一列都已經進了帶。逐列收斂只保證每一列各自進得去;均勻收斂多要求的是「同時」。

19.9  LEMMA
If the double limit of the double sequence X = (xₘₙ) exists and if, for each m ∈ ℕ, the sequence Yₘ = (xₘₙ : n ∈ ℕ) is convergent, then this collection is uniformly convergent.
在各列都收斂的前提下,雙重極限存在就逼出均勻收斂——均勻性是必要條件,不是額外的恩惠。
正例:xₘₙ = 1/(m + n) 的雙重極限存在、各列也收斂,於是這族數列必定均勻收斂——與前面直接驗算的結果一致。反例:把「雙重極限存在」拿掉就不成立——例 8 的各列都收斂,卻不均勻收斂,而它正是雙重極限不存在的那張表。
PROOF

記雙重極限為 x。所求是一個只看 ε 的起算點。困難在於列有無限多個,不能逐列各給一個起算點再取最大——無限多個數未必有最大者。

證明計畫 · 由所求想起
把列分成兩批。編號大的那批(列號本身已經夠大)靠雙重極限一次全部搞定:這些列上的每一項與該列的極限都離 x 不遠,繞經 x 即可。編號小的那批只有有限多列,各自的收斂各給一個起算點,取最大的那個。兩批的起算點再取一次最大。

Proof.  Let ε > 0 and take N = N(ε) with ‖xₘₙ − x‖ < ε for all m, n ≥ N. As in the proof of 19.6, letting n → ∞ and applying 15.8 gives ‖yₘ − x‖ ≤ ε for every m ≥ N. Hence for m, n ≥ N,
‖xₘₙ − yₘ‖ ≤ ‖xₘₙ − x‖ + ‖x − yₘ‖ < 2ε.
這一步的所求:一口氣處理掉列號 ≥ N 的所有列。做法是繞經雙重極限 x:這些列上的項離 x 不遠(雙重極限直接給的),而它們的極限 yₘ 也離 x 不遠(19.6 證明裡那一步過極限的結論),兩段相加即得。關鍵在於這個估計裡的起算點 N 完全不看 m——它是從雙重極限來的,而雙重極限的條件對兩個下標一視同仁。
There remain the finitely many indices m = 1, 2, …, N − 1. For each such m the sequence Yₘ converges to yₘ, so there is Kₘ ∈ ℕ with ‖xₘₙ − yₘ‖ < 2ε for all n ≥ Kₘ. Put K = sup {K₁, …, K_{N−1}}, taking K = 1 when N = 1.
這一步的所求:把漏網的前幾列補上。它們的收斂是假設直接給的,各自交出一個起算點;而因為只有有限多個,取最大者是合法的動作——這正是計畫裡把列分成兩批的理由。若不先用雙重極限處理掉後面無限多列,這裡就會面對無限多個起算點,取不出最大者,證明立刻卡住。
Let M = sup {N, K}. If n ≥ M, then ‖xₘₙ − yₘ‖ < 2ε holds for every m ∈ ℕ — for m ≥ N by the first estimate, for m < N by the second. Since ε > 0 was arbitrary, the collection is uniformly convergent.
兩批合流:M 之後兩個估計都生效,而它們的結論是同一句話。2ε 不礙事,從頭改用 ε/2 走一次就得到嚴格的 ε 版本。這個「後段統一處理、前段有限多個各別處理」的分工,與 19.3 的證明是同一套結構——那裡是把和拆成兩段,這裡是把列分成兩批。
均勻收斂不是為了證明方便而外加的條件,它是雙重極限存在時必然出現的現象。∎

19.9 說均勻性是必要的,最後一條定理說它也是充分的。這一次的假設是兩族單一極限都存在、其中一族均勻——結論是三個極限一次全部到位。

19.10  ITERATED LIMIT THEOREM
Suppose that the single limits yₘ = limₙ (xₘₙ) and zₙ = limₘ (xₘₙ) exist for all m, n ∈ ℕ, and that the convergence of one of these collections is uniform. The two iterated limits then exist, the double limit exists as well, and the three coincide.
每一列與每一行都收斂,而且其中一族的收斂是均勻的——這就足以保證雙重極限存在,並與兩個迭代極限相等。
正例:xₘₙ = 1/(m + n) 的每一列與每一行都收斂到 0,且列的收斂均勻(界 1/n 不含 m),於是三個極限都是 0。反例:例 8 的兩族單一極限都存在,可是兩族都不均勻(列與行由對稱性同時失守),所以定理不適用——而它的雙重極限確實不存在。
PROOF

設均勻的那一族是 {Yₘ}(若均勻的是行那一族,把兩個下標的角色互換即可,理由與 19.7 相同)。要交出三樣東西:列迭代極限、雙重極限、行迭代極限。

證明計畫 · 由所求想起
先造出列迭代極限——手上沒有候選值,所以改證 (yₘ) 是 Cauchy 數列,再由 16.10 取得極限 y。證 Cauchy 要走三段插入:yₖ 與 yₗ 之間插入同一行上的兩個元素,頭尾兩段靠均勻性、中間一段靠那一行收斂。
有了 y,雙重極限只需兩段插入。行迭代極限則直接套 19.7。

Proof.  Let ε > 0. By uniformity there is N(ε) ∈ ℕ such that
(∗)  ‖xₘₙ − yₘ‖ < ε  for all n ≥ N(ε) and all m ∈ ℕ.
Fix the single column index q = N(ε). Since z_q = limₘ (x_{mq}) exists, the sequence (x_{mq} : m ∈ ℕ) is convergent and hence Cauchy by 16.7: there is R ∈ ℕ with ‖x_{kq} − x_{lq}‖ < ε for all k, l ≥ R.
這一步的所求:一個可以當跳板的位置。挑定一個行號 q 並固定住,那一整行就是一條普通的數列;它依假設收斂,所以由 16.7(收斂必為 Cauchy)它的項最終彼此靠近。q 之所以取成 N(ε),是為了讓 (∗) 在這一行上生效。這裡就看得出均勻性的用途了:(∗) 的起算點對所有 m 通用,所以同一個 q 能同時服務等一下要用到的 k 與 l。
For k, l ≥ R we then have
‖yₖ − yₗ‖ ≤ ‖yₖ − x_{kq}‖ + ‖x_{kq} − x_{lq}‖ + ‖x_{lq} − yₗ‖ < 3ε.
Hence (yₘ) is a Cauchy sequence in ℝᵖ, and by 16.10 it converges to some y ∈ ℝᵖ. This is the row iterated limit y = limₘ limₙ (xₘₙ).
這一步是全篇的核心,值得慢讀。三段插入的頭尾兩段用 (∗)——注意它們用的是同一個 q,卻服務兩個不同的列 k 與 l,這件事只有在收斂均勻時才做得到;中間那段用第 q 行的 Cauchy 性。若各列的收斂不均勻,頭尾兩段就得各自挑自己的行號,插入的位置對不上,整條估計串不起來——例 8 失敗的地方正是這裡。得到 Cauchy 之後,完備性由 16.10 向 ℝᵖ 借,極限 y 就這樣造出來。
Since y = limₘ (yₘ), there is M ∈ ℕ with ‖yₘ − y‖ < ε for m ≥ M. Put K = sup {N(ε), M}. For m, n ≥ K, using (∗) again,
‖xₘₙ − y‖ ≤ ‖xₘₙ − yₘ‖ + ‖yₘ − y‖ < 2ε.
Therefore the double limit exists and equals y.
這一步的所求:從剛造出的 y 反推雙重極限。兩段插入:第一段是「這一項離自己那列的極限多遠」(由均勻性,起算點不看 m),第二段是「那列的極限離 y 多遠」(由 yₘ → y,起算點不看 n)。兩個起算點各管一個下標,取較大者之後兩者同時生效——這正是雙重極限的定義要的形狀。
Finally, both collections of single limits exist by hypothesis and the double limit has just been shown to exist, so 19.7 applies: the column iterated limit exists and also equals y.
最後一句話不必再算——19.7 的前提剛好在這一刻全部備齊(雙重極限存在、兩族單一極限存在),它的結論就是兩個迭代極限都等於雙重極限。三個數至此全部相等。
在兩族單一極限都存在的前提下,均勻收斂既是雙重極限存在的必要條件(19.9)也是充分條件(19.10)。∎
yₖx_{kq}x_{lq}yₗ < ε< ε< ε 三段插入,總共不超過 3ε

這張圖在說 19.10 的關鍵估計怎麼串起來:要比較兩個列極限 yₖ 與 yₗ,中間插入同一行 q 上的兩個元素。藍色的兩段由均勻收斂供給——它們共用同一個行號,這是均勻性唯一被用到、也是不可取代的地方;紅色那段由第 q 行本身的收斂供給。

—— 第五階段到此結束 ——

本篇把 §17 的均勻收斂搬到列的編號上(19.8),並證明它恰好補上了缺口:雙重極限存在會逼出均勻收斂(19.9),而均勻收斂加上兩族單一極限存在就足以造出雙重極限(19.10)。19.10 的證明只有一個施力點——三段插入時頭尾兩段共用同一個行號,這件事只有均勻收斂做得到。收斂這一章到此收工。起來走動一下,這一章很長。

下一幕預告

收斂章結束,下一章換一個主角:連續函數。到目前為止函數只是被動的對象——§17 讓函數排成數列,問的仍然是數列的問題。接下來要問的是函數自己的性質:輸入變動一點點,輸出會不會也只變動一點點?

這個問題的工具已經全部備齊。開集與閉集(§9)、compact(§11)、連通(§12)描述定義域的形狀;數列的收斂(§14–§16)提供逼近的手段;均勻的概念(§17、§19)分辨「各自夠好」與「一起夠好」。下一章要做的,是把這些零件組裝起來——而組裝的成果會相當可觀:連續函數把 compact 送到 compact、把連通送到連通,於是閉區間上的連續函數一定取得到最大值,也一定不會跳過任何中間值。