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柯西准则及其应用
摘 要:柯西准则是实数完备性六大定理之一,它是极限论的基础.它的应用贯穿于数学分析课程学习始终.一般地,数学分析课程教材在讨论柯西准则时都只就一种情形来讨论,本文将补给并详细证明其它五种情形函数极限的柯西准则,同时探讨总结柯西准则在极限、级数、积分等方面的灵活应用.
关键词:柯西准则;应用;极限存在;优越性朗读显示对应的拉丁字符的拼音?字典
一种情形来讨论,即
设函数在内有定义,存在的充要条件是:任给,存在正数(),使得对任何,,都有.
事实上,当,,,,五种情形函数极限存在的柯西准则可以类比,它们的应用也非常广泛.本文将详细叙述并证明其它五种情形函数极限的柯西准则,同时探讨总结柯西准则在极限、级数、积分等方面的灵活应用,充分展示其在解决上述几个方面问题的优越性和博大精深之处.
1 柯西准则的其它五种形式
定理1.1 设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有.
证 必要性 设,则对任给的,存在正数(),使得对有.于是对有
充分性 设数列且,按假设,对任给的,存在正数(),使得对任何,,有
由于对上述的存在使得当时有
从而有
.
于是,按数列极限的柯西收敛准则,数列的极限存在,记为,即.
设另一数列且,则如上所证,存在,记为.现证
,为此,考虑数列
易见且,故仍如上面所证,也收敛.于是,作为的两个子列,与必有相同的极限,所以由归结原则推得.
证毕
定理1.2 设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有.
以下利用定理1.2和致密性定理证明数列极限的柯西准则的充分性.
证 充分性 设数列满足柯西条件,先证明是有界的.为此,取,则存
正整数,当及时有
由此得
.
令
则对一切正整数均有.
于是,由致密性定理可知,有界数列必有收敛子列,设.对任给的,存在,当时,同时有
(由柯西条件),
(由).
因而当取时,得到
.
这就证明了.
有归结原则:对任何有
充分性即证.
必要性 设.有数列极限定义,对任给的,存在
当时有
因而
.
由归结原理知,即可证得.
证毕
注 归结原则的意义在于实现函数极限和数列极限的相互转化,从而可以应用归结原则和数列极限的有关性质解决函数极限问题.
定理1.3 充分大的,设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有.
证 先证必要性.设,按照定义,,,
,
于是
.
再证充分性.设,,
.
任意选取数列,.则对上述,.有
.
这说明函数值数列是基本数列,因而必定收敛.根据相应的归结原则,可知存在而且有极限.
证毕
注 上述证明过程中用到了基本数列,下面介绍基本数列的定义
如果数列具有以下特征:,
则称数列是一个基本数列.
定理1.4 充分大的,设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,,均有.
证 必要性 设,则对任给的,存在正数,使得对任何有.
于是对任何有
充分性 设数列且.按假设,对任给的,存在正数
,使得对任何,有
.
由于对上述的,存在使得当时有,从而有
于是,按数列的柯西收敛准则,数列的极限存在,记为,即
.
设另一数列且,则如上所证,存在,记为.现证,为此,考虑数列
易见且,故仍如上面所证,也收敛.于是,作为的两个子列,与必有相同的极限,所以由归结原则推得.
证毕
定理1.5 充分大的,设函数在内有定义.存在的充要条件是:任给,存在正数,使得对任何,均有.
定理1.5的证明可以类似前面4个定理的证明.
2 归纳柯西准则在数学分析中的应用.
2.1柯西准则在实数完备性理论中的应用
实数完备性是数学分析的基础,其六大定理即确界原理、单调有界定理、区间套定理、有限覆盖定理、聚点定理、柯西准则,建立了实数完备性理论的骨架.作为六大定理之一的柯西准则,起着至关重要的作用,由该准则入手,可依次推出其它五个定理.
2.1.1 用数列的柯西收敛准则证明确界原理.
证 设为非空有上界数集.由实数的阿基米德性,对任何正数,存在整数,使得为的上界,而不是的上界,即存在,使得.
分别取则对每一个正整数,存在相应的,使得为的上界,而不是的上界,故存在,使得
. (1)
又对正整数,是的上界,故有.结合(1)式得;同理有.从而得
.
于是,对任给的,存在,使得当时有
.
由柯西收敛准则,数列收敛.记
. (2)
现在证明就是的上确界.首先,对任何和正整数有,由(2)式得,即是的一个上界.其次,对任何,由及(2)式,对充分大的同时有
.
又因不是的上界,故存在,使得.结合上式得
.
这说明为的上确界.
同理可证:若为非空有下界数集,则必存在下确界.
2.1.2 用平面点列收敛的柯西准则证明闭区间套定理
证 在闭域
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