陶哲轩实分析 6.1 节习题试解

陶哲轩实分析 6.1 节习题试解

6.1.1 设 (an)∞n=0 是一个实数列,对每个自然数 n 都满足 an+1>an ,证明只要 n 和 m 是自然数,满足 m>n ,我们就有 am>an

数学归纳法:
当 m=n+1 时 am=an+1>an
假设对于 m 成立: am>an
那么对于 m+1 有: am+1>am>an
所以对于任意的 m>n 都有 am>an

6.1.2 设 (an)∞n=m 是一个实数列,并且 L 是一个实数,证明: (an)∞n=m 收敛到 L 当且仅当对于任何给定的 ε>0 都能找到 N≥m ,使得对于一切的 n≥N , |an−L|≤ε

因为 (an)∞n=m 收敛到 L 。
所以对任意的 ε>0 , (an)∞n=m 都终极 ε - 接近 L 。
所以对任何给定的 ε>0 都能找到 N≥m ,使得对于一切的 n≥N , |an−L|≤ε

因为对于任何给定的 ε>0 都能找到 N≥m ,使得对于一切的 n≥N , |an−L|≤ε 。
所以对任意的 ε>0 , (an)∞n=m 都终极 ε - 接近 L 。
所以 (an)∞n=m 收敛到 L 。

6.1.3 设 (an)∞n=m 是一个实数列, c 是一个实数,并且设 m′>m 是整数,证明: (an)∞n=m 收敛到 c 当且仅当 (an)∞n=m′ 收敛到 c 。

先证明 (an)∞n=m 收敛到 c 可以推出 (an)∞n=m′ 收敛到 c 。
因为 (an)∞n=m 收敛到 c 。
所以对于任何给定的 ε>0 都能找到 N≥m ,使得对于一切的 n≥N , |an−c|≤ε 。
取 N′=max(N,m′) ,那么当 n≥N′ 时有 |an−c|≤ε 。
所以 (an)∞n=m′ 收敛到 c 。

再证明 (an)∞n=m′ 收敛到 c 可以推出 (an)∞n=m 收敛到 c 。
因为 (an)∞n=m′ 收敛到 c 。
所以对于任何给定的 ε>0 都能找到 N≥m′ ,使得对于一切的 n≥N , |an−c|≤ε 。
因为 N≥m′,m′>m ,所以有 N≥m 。
所以对于任何给定的 ε>0 都能找到 N≥m ,使得对于一切的 n≥N , |an−c|≤ε 。
所以 (an)∞n=m′ 收敛到 c 。

6.1.4 设 (an)∞n=m 是一个实数列, c 是一个实数,并且设 k≥0 时不小于 0 的整数。证明: (an)∞n=m 收敛到 c 当且仅当 (an+k)∞n=m 收敛到 c 。

序列 (an+k)∞n=m 可以写为 (an)∞n=m′ 其中 m′=m+k≥m
利用上题结论有 (an)∞n=m 收敛到 c 当且仅当 (an)∞n=m′ 收敛到 c 。
所以 (an)∞n=m 收敛到 c 当且仅当 (an+k)∞n=m 收敛到 c 。

6.1.5 设 (an)∞n=m 是一个收敛的实数列,证明 (an)∞n=m 是 Cauchy 列。

(an)∞n=m 是一个收敛的实数列,设其收敛到实数 L 。
也就是说对任意的 ε>0 都能找到 N≥m ,使得对于一切的 n≥N , |an−L|≤ε/2 。
所以对任意的 i,j≥N 有 |ai−aj|=|(ai−L)+(L−aj)|≤|ai−L|+|aj−L|≤ε
所以 (an)∞n=m 是 Cauchy 列。

6.1.6 设 (an)∞n=m′ 是比例数的 Cauchy 序列,并记 L=LIMn→∞(an) ,那么 (an)∞n=m 收敛到 L 。

反证法:
假设 (an)∞n=m 不收敛到 L 。
那么就存在一个 ε>0 ,对任意的 N≥m 我们都至少能找到一个 n≥N 满足 |an−L|>ε
也就是说 an>L+ε 或 an<L−ε
这里我们不妨设 an>L+ε
由于 (an)∞n=m′ 是比例数的 Cauchy 序列。所以存在一个 N′ 当 i,j≥N′ 时, |ai−aj|<ε/2
所以

ai=an+ai−an>an−|ai−an|≥L−ε2

所以 LIMn→∞(an)≥L−ε/2 与 L=LIMn→∞(an) 矛盾。
所以 (an)∞n=m 收敛到 L 。

6.1.7 证明定义 6.1.16 与定义 5.1.12 是相容的。

按照定义 5.1.12 一个数列有界需要存在一个有理数 M ,满足 对于一切的 n>m 有 |an|≤M 。
有理数 M 也是实数,所以这个数列也满足 6.1.16 对于有界数列的定义。
按照定义 6.1.16 一个数列有界需要存在一个实数 M ,满足 对于一切的 n>m 有 |an|≤M 。
我们又知道,对于任意的实数 M ,都存在一个有理数 M′ 满足 M′>M ,所以对于一切的 n>m 有 |an|≤M′ 。所以这个数列也满足 5.1.12 对于有界数列的定义。

6.1.8 证明定理 6.1.9

(a) 序列 (an+bn)∞n=m 收敛到 x+y ,即

limn→∞(an+bn)=limn→∞an+limn→∞bn

对于任意的 ε>0 ,因为 (an)∞n=m 是收敛的,所以存在一个 Na ,当 n>Na 时 |an−x|<ε/2 。因为 (bn)∞n=m 是收敛的,所以存在一个 Nb ,当 n>Nb 时 |bn−y|<ε/2 。
所以当 n>max(Na,Nb) 时,
|(an+bn)−(x+y)|<|an−x|+|bn−y|<ε

所以 序列 (an+bn)∞n=m 收敛到 x+y 。

(b)序列 (an×bn)∞n=m 收敛到 xy ,即

limn→∞(an×bn)=limn→∞an×limn→∞bn

设 Y=1+|y| ,对于任意的 ε>0 ,因为 (an)∞n=m 是收敛的,所以存在一个 Na>0 ,当 n>Na 时

|an−x|<ε2Y

另外因为 (an)∞n=m 是有界的,所以存在一个 M>0 ,满足:
|an|<M

设 X=max(1+|x|,M) ,因为 (bn)∞n=m 是收敛的,所以存在一个 Nb ,当 n>Nb 时
|bn−y|<ε2X

所以
|anbn−xy|==≤≤≤≤|anbn−any+any−xbn+xbn−xy||an(bn−y)+(an−x)y||an|⋅|bn−y|+|an−x|⋅|y||an|ε2X+|y|ε2YMε2X+(|y|+1)ε2Yε

所以 :
limn→∞(an×bn)=limn→∞an×limn→∞bn

(c)对于任意实数 c ,序列 (c×an)∞n=m 收敛到 cx ,即

limn→∞(c×bn)=c×limn→∞bn

实数 c 与Cauchy 序列 (cn)∞n=m,cn=c 等价。
所以

limn→∞(c×an)=limn→∞(cn×an)=limn→∞cn×limn→∞an=cx

(d)序列 (an−bn)∞n=m 收敛到 x−y ,即

limn→∞(an−bn)=limn→∞an−limn→∞bn

因为
limn→∞(−bn)=limn→∞(−1×bn)=−1×y=−y

所以:
limn→∞(an−bn)=limn→∞(an+(−bn))=x−y

(e)设 y≠0 并且对一切的 n>m 有 bn≠0 ,那么序列 (b−1n)∞n=m 收敛到 y−1 ,即

limn→∞(b−1n)=(limn→∞bn)−1

因为 y≠0 所以存在一个 N>0 当 n>N 时,有 |bn|>|y/2| 。
因为 (bn)∞n=m 收敛到 y ,并且 y≠0 ,所以对任意的 ε>0 ,存在一个 N′ ,当 n>N′ 时

|bn−y|<|y|22ε

因此,当 n>max(N,N′) 时,有:

|1bn−1y|=|bn−y||bny|<2|bn−y||y2|<ε

所以:

limn→∞(b−1n)=(limn→∞bn)−1

(f)设 y≠0 并且对一切的 n>m 有 bn≠0 ,那么序列 (an/bn)∞n=m 收敛到 x/y ,即

limn→∞anbn=limn→∞anlimn→∞bn

因为:
limn→∞anbn=limn→∞(an×b−1n)=limn→∞anlimn→∞bn

(g)序列 max(an,bn) 收敛到 max(x,y) ,即

limn→∞max(an,bn)=max(limn→∞an,limn→∞bn)

分两种情况讨论:
1. 当 x=y 时,这时对任意的 ε>0 都存在 N1 ,当 n>N1 时,有 |an−x|<ε ,同时存在 N2 ,当 n>N2 时,有 |bn−x|<ε ,所以当 n>max(N1,N2) 时, 有 |max(an,bn)−x|<ε ,所以 max(an,bn) 收敛到 max(x,y) 。
2. 当 x≠y 时,不妨设 x>y ,那么存在一个 N>0 ,当 n>N 时,有 an>bn ,对任意的 ε>0 ,存在 N1>0 当 n>N1 时,有 |an−x|<ε 。所以当 n>max(N,N1) 时,有 |max(an,bn)−x|=|an−x|<ε ,所以 max(an,bn) 收敛到 max(x,y) 。
综上所述,有

limn→∞max(an,bn)=max(limn→∞an,limn→∞bn)

(h)序列 min(an,bn) 收敛到 min(x,y) ,即

limn→∞min(an,bn)=min(limn→∞an,limn→∞bn)

分两种情况讨论:
1. 当 x=y 时,这时对任意的 ε>0 都存在 N1 ,当 n>N1 时,有 |an−x|<ε ,同时存在 N2 ,当 n>N2 时,有 |bn−x|<ε ,所以当 n>max(N1,N2) 时, 有 |min(an,bn)−x|<ε ,所以 min(an,bn) 收敛到 min(x,y) 。
2. 当 x≠y 时,不妨设 x>y ,那么存在一个 N>0 ,当 n>N 时,有 an>bn ,对任意的 ε>0 ,存在 N1>0 当 n>N1 时,有 |bn−y|<ε 。所以当 n>max(N,N1) 时,有 |min(an,bn)−y|=|bn−y|<ε ,所以 min(an,bn) 收敛到 min(x,y) 。
综上所述,有

limn→∞min(an,bn)=min(limn→∞an,limn→∞bn)

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