上限和下限

更新时间:2023-06-29 16:43

依据致密性定理,有界数列必有收敛子列,收敛子列的极限中的最大者与最小者特别重要,这就是数列的上、下极限的概念

定义和例子

有界数列 ,令

则 递增, 递减,且 。记

分别称为数列 的下极限和上极限,记作

如果数列 无上界,则记 ;如果数列 无下界,则记 。这样对任何数列取上极限和下极限都是有意义的。

例1

上、下极限的性质

定理1

对任何有界数列 有

定理2

的充要条件是

定理3

设 为有界数列

(1) 为 上极限的充要条件是:任给 ,

(i)存在 ,使得当 时有 ;

(ii)存在子列 ,

(2) 为 下极限的充要条件是:任给 ,

(i)存在 ,使得当 时有 ;

(ii)存在子列 ,

定理4

设 为有界数列,

(1) 为 上极限的充要条件是:对任何 , 中大于 的项至多有限个;对任何 , 中大于 的项有无限多个。

(1) 为 下极限的充要条件是:对任何 , 中小于 的项至多有限个;对任何 , 中小于 的项有无限多个。

定理5(上、下极限的保不等式性)

设有界数列 满足:存在 ,当 时有 ,则

特别地,若 为常数,又存在 ,当 时有 ,则

定理6

设 为有界数列,

(1) 为 上极限的充要条件是

(2) 为 下极限的充要条件是

例2

设 为有界数列,证明

证 设由定理3,对任给的,存在,当时有

再利用上极限的保不等式性(定理5)得

故由的任意性得,即可证明结论成立。

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