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数学分析
第二篇 极限论
波尔查诺-维尔斯特拉斯 Bolzano-Weierstrass 凝聚定理
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2025-03-14 12:52
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波尔查诺-维尔斯特拉斯 Bolzano-Weierstrass 凝聚定理
## 2.5.2 Bolzano-Weierstrass 凝聚定理 前面已经讲了有关子列敛散性的基本定理,并由此学到了判定一个数列发散的一种方法.这一小节要回答的问题是:一个数列是否一定会有收玫子列? 当然从子列基本定理知道,收玫数列的每个子列收玫,因此问题就变成:一个发散数列是否有收玫子列?例如,上一小节中的两个数列,即 $\left\{(-1)^{n-1}\right\}$ 和 $\{\sin n\}$ ,已经知道它们都是发散数列,那么它是否会有一个收玫子列呢?对于前一个数列这是容易回答的问题,但对于后一个数列来说答案就不容易得到了. 对于有界数列,这个问题为 Bolzano-Weierstrass 定理完全解决.它也是实数系的一个基本定理,有人说它的作用在于能够"在混乱中找出秩序",读者可以在今后自行体会.它也有致密性定理,紧性定理等其他名称. ## 凝聚定理 **定理 2.28** (凝聚定理,Bolzano-Weierstrass 定理)有界数列一定有收敛子列。 证 从定理 2.25 知道,在有界数列中一定有单调有界子列,用单调有界数列收敛定理知道这个子列收敛。 注 凝聚定理的另一个常用证明方法是用闭区间套定理,留作练习题. 凝聚定理解决了有界数列中收玫子列的存在性问题.对于无界数列,在定理 2.25 的注中已经作出了结论,即无界数列一定存在发散于 $\pm \infty$ 的子列.当然也可以直接证明,留作练习题. 作为凝聚定理的应用,下面给出关于 Cauchy 收玫准则的充分性的第二个证明. ## Cauchy 收敛准则充分性的证 2 充分性( $\Longleftarrow$ ).设 $\left\{x_n\right\}$ 是基本数列,且已有界.(这里的证明与前面相同,不再重复.) 应用凝聚定理,基本数列 $\left\{x_n\right\}$ 既然有界,就必有收玫子列,记为 $\left\{x_{n_k}\right\}$ ,并将它的极限记为 $a$ .(显然数列 $\left\{x_n\right\}$ 若收玫则只可能收玫于这个 $a$ .)
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