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Cavill's Blog
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如何理解实变函数的上下极限?

1,315 字

想象你每天记录一只小恐龙跳上了多高的台阶:
2, 5, 1, 4, 3, 4, 3, 4, 3,…2,\ 5,\ 1,\ 4,\ 3,\ 4,\ 3,\ 4,\ 3,\ldots

Google 小恐龙跑步 GIF

开头它曾跳上第 5 级台阶,但后来再也没跳到过。过了很久,它总是在第 3 级和第 4 级之间交替:

因此直观上来说,上下极限刻画的是反复到达的「最高」或「最低」的附近。

现在,我们用严谨的数学语言来刻画数列的上下极限:

设 {an}\{a_n\} 是一个实数数列。从第 nn 项起,考虑它后面的所有项:

an,an+1,an+2,…a_n,a_{n+1},a_{n+2},\ldots

记这部分数列的上确界与下确界分别为

sn=sup⁡k≥nak,tn=inf⁡k≥nak.s_n=\sup_{k\geq n}a_k, \qquad t_n=\inf_{k\geq n}a_k.
什么是上、下确界

设 AA 是一个实数集合。 如果 MM 满足

x≤M,∀x∈A,x\le M,\qquad \forall x\in A,

那么 MM 称为 AA 的一个上界。所有上界中最小的一个,称为 AA 的上确界,记作

sup⁡A.\sup A.

类似地,若 m≤xm\le x 对一切 x∈Ax\in A 成立,则 mm 是 AA 的下界;所有下界中最大的一个,称为 AA 的下确界,记作

inf⁡A.\inf A.
例

设

A=(0,1)A=(0,1)

没有最大值和最小值,但

sup⁡A=1,inf⁡A=0.\sup A=1,\qquad \inf A=0.

上确界和下确界不一定属于集合本身。

随着 nn 增大,考察的范围越来越小。因此,sns_n 单调不增,tnt_n 单调不减。

Tip

从第 n+1n+1 项开始的尾部,只是从第 nn 项开始的尾部中去掉了 ana_n:

{an+1,an+2,…}⊆{an,an+1,an+2,…}.\{a_{n+1},a_{n+2},\ldots\} \subseteq \{a_n,a_{n+1},a_{n+2},\ldots\}.

少掉一个数后,不会出现更高的数,所以上确界只能不变或降低:

sn+1≤sn.s_{n+1}\le s_n.

同样,不会出现更低的数,所以下确界只能不变或升高:

tn+1≥tn.t_{n+1}\ge t_n.
Example

对尾部 {5,1,4,3,4,3,…}\{5,1,4,3,4,3,\ldots\},上确界为 55,下确界为 11。

  • 去掉 55 后,上确界降为 44。
  • 去掉 11 后,下确界升为 33。

我们定义

lim sup⁡n→∞an=lim⁡n→∞sn=inf⁡n≥1sup⁡k≥nak,\limsup_{n\to\infty}a_n = \lim_{n\to\infty}s_n = \inf_{n\geq 1}\sup_{k\geq n}a_k, lim inf⁡n→∞an=lim⁡n→∞tn=sup⁡n≥1inf⁡k≥nak.\liminf_{n\to\infty}a_n = \lim_{n\to\infty}t_n = \sup_{n\geq 1}\inf_{k\geq n}a_k.
如何理解 inf⁡n≥1sup⁡k≥nak\inf_{n\geq 1}\sup_{k\geq n}a_k

正如我们的示例数列,依次考察其每一段尾部:

从哪里开始尾部尾部的上确界 sns_n
n=1n=12,5,1,4,3,…2,5,1,4,3,\ldots55
n=2n=25,1,4,3,…5,1,4,3,\ldots55
n=3n=31,4,3,4,…1,4,3,4,\ldots44
n=4n=44,3,4,3,…4,3,4,3,\ldots44
n=5n=53,4,3,4,…3,4,3,4,\ldots44
所以所有尾部上确界构成数列
sn=5, 5, 4, 4, 4,…s_n=5,\ 5,\ 4,\ 4,\ 4,\ldots

它们的下确界是 44。
同理,可以理解 sup⁡n≥1inf⁡k≥nak\sup_{n\geq 1}\inf_{k\geq n}a_k

从数列推广到集列

现在,把每一项数字换成一个集合,得到集列

A1,A2,A3,…A_1,A_2,A_3,\ldots

对于数列,我们考察尾部的上确界和下确界,对于集列,相应地考察尾部的并集和交集:

⋃k=n∞Ak,⋂k=n∞Ak.\bigcup_{k=n}^{\infty}A_k, \qquad \bigcap_{k=n}^{\infty}A_k.

尾部并集中的元素,只要在第 nn 项以后的某个集合中出现过即可。尾部交集中的元素,则必须属于第 nn 项以后的每个集合。由此定义集列的上极限与下极限:

lim sup⁡n→∞An=⋂n=1∞⋃k=n∞Ak,\limsup_{n\to\infty}A_n = \bigcap_{n=1}^{\infty}\bigcup_{k=n}^{\infty}A_k, lim inf⁡n→∞An=⋃n=1∞⋂k=n∞Ak.\liminf_{n\to\infty}A_n = \bigcup_{n=1}^{\infty}\bigcap_{k=n}^{\infty}A_k.
Example

设

A1={a,b},A2=A3=⋯={a,c}.A_1=\{a,b\},\qquad A_2=A_3=\cdots=\{a,c\}.

也就是说,bb 只在开始时出现一次;a,ca,c 则从第二项起始终出现。

对每一段尾部,先取并集:

⋃k=1∞Ak={a,b,c},⋃k=2∞Ak={a,c},⋃k=3∞Ak={a,c}.\begin{aligned} \bigcup_{k=1}^{\infty}A_k&=\{a,b,c\},\\ \bigcup_{k=2}^{\infty}A_k&=\{a,c\},\\ \bigcup_{k=3}^{\infty}A_k&=\{a,c\}. \end{aligned}

再取这些尾部并集的交集,便会排除只在开头出现过的 bb:

lim sup⁡n→∞An=⋂n=1∞⋃k=n∞Ak={a,c}.\limsup_{n\to\infty}A_n = \bigcap_{n=1}^{\infty}\bigcup_{k=n}^{\infty}A_k = \{a,c\}.

对每一段尾部,再取交集:

⋂k=1∞Ak={a},⋂k=2∞Ak={a,c},⋂k=3∞Ak={a,c}.\begin{aligned} \bigcap_{k=1}^{\infty}A_k&=\{a\},\\ \bigcap_{k=2}^{\infty}A_k&=\{a,c\},\\ \bigcap_{k=3}^{\infty}A_k&=\{a,c\}. \end{aligned}

最后取这些尾部交集的并集,便会加入从第二项起始终出现的 cc:

lim inf⁡n→∞An=⋃n=1∞⋂k=n∞Ak={a,c}.\liminf_{n\to\infty}A_n = \bigcup_{n=1}^{\infty}\bigcap_{k=n}^{\infty}A_k = \{a,c\}.

这两个式子也可以从元素的角度来理解:

因此,属于下极限的元素一定也属于上极限:

lim inf⁡n→∞An⊆lim sup⁡n→∞An.\liminf_{n\to\infty}A_n \subseteq \limsup_{n\to\infty}A_n.

当两者相等时,我们说集列 {An}\{A_n\} 收敛,并把这个共同的集合记为 lim⁡n→∞An\displaystyle\lim\limits_{n\to\infty}A_n。


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