实分析

12.4 柯西序列和完备度量空间 ​

定义 ​

  1. (12.4.1 子序列)设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中的一个点列,设n1,n2,n3,...是一个严格单调递增的整数序列,并且每一项都不小于m,即:

    m≤n1<n2<n3<...

    那么我们称序列(x(nj))j=1∞是原序列(x(n))n=m∞的子序列。

    (注:这个定义是定义6.6.1的推广;原书中这里写的是单调递增的整数序列,个人认为强调一下是个严格单调递增的序列会更好,符合它自己的描述)

  2. (12.4.4 极限点)设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中的一个点列,并设L∈X。我们称L是(x(n))n=m∞的一个极限点,当且仅当对于任意的N≥m和ε>0,存在一个n≥N使得d(x(n),L)≤ε。

    (注:这个定义是定义6.4.1的推广)

  3. (12.4.6 柯西序列)设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中的一个点列。我们称(x(n))n=m∞是一个柯西序列,当且仅当对于任意的ε>0,存在一个N≥m使得d(x(j),x(k))<ε对所有的j,k≥N均成立。

    (注:这个定义是定义6.1.3的推广;在命题6.4.18中我们说明了实数空间中收敛序列与柯西序列的等价性,但是这个结论并不能推广到任意的度量空间中,这和度量空间的完备性有关)

  4. (12.4.10 完备度量空间)度量空间(X,d)是完备的,当且仅当(X,d)中的每一个柯西序列在(X,d)中都是收敛的。

    (注:根据完备度量空间的定义,我们不难发现实数空间(R,d)是完备的,但是有理数空间(Q,d)不是完备的;完备的度量空间有一些很好的性质,例如命题12.4.12的内容)


命题 ​

  1. (12.4.3)设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中收敛于极限x0的一个点列,那么它的每一个子序列(x(nj))j=1∞也收敛于x0。

  2. (12.4.5 极限点与子序列?)设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中的一个点列,并设L∈X。那么下面的命题是等价的:

    • L是(x(n))n=m∞的一个极限点。
    • (x(n))n=m∞存在一个收敛于L的子序列(x(nj))j=1∞。
  3. (12.4.7 收敛序列是柯西序列)设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中收敛于极限x0的序列,那么(x(n))n=m∞是柯西序列。

  4. (12.4.9 柯西序列与子序列?)设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中的柯西序列。如果该序列在X中存在一个收敛于极限x0的子序列(x(nj))j=1∞,那么原序列(x(n))n=m∞也收敛于x0。

  5. (12.4.12 完备度量空间的性质?)下面的两个命题始终为真:

    1. 设(X,d)是一个度量空间,并设(Y,dY×Y)是(X,d)的一个子空间,如果(Y,dY×Y)是完备的,那么Y一定是X中的闭集。
    2. 反过来,如果(X,d)是一个完备度量空间,并且Y是X的一个闭子集,那么子空间(Y,dY×Y)也是完备的。

    (注:这个命题的通俗解释就是完备度量空间总是闭的,无论放在哪个空间中,它总是一个闭集;对任意一个不完备的度量空间(X,d),都可以通过完备化的操作将其变为一个更大的完备度量空间(X―,d―)包含(X,d),关于这部分的内容,可以参考习题12.4.8)


课后习题 ​

12.4.1 证明引理12.4.3(提示:回顾对命题6.6.5的证明) ​

根据题设(x(n))n=m∞收敛于极限x0,于是对任意的ε>0,存在N≥m使得对任意的n≥N都有d(x(n),x0)≤ε。

然后考虑(x(nj))j=1∞是(x(n))n=m∞的一个子序列,相应的,(nj)j=1∞是一个严格单调递增的整数序列,于是可以利用整数的性质归纳得到对任意的j≥1都有nj≥m+j−1,从而对任意的j≥N−m+1,我们有nj≥N,于是

d(x(nj),x0)≤ε

综上,于是根据定义12.1.14有(x(nj))j=1∞也收敛于x0,于是命题12.4.3得证。

12.4.2 证明命题12.4.5(提示:回顾对命题6.6.6的证明) ​

分别证明充分必要性:

若L是(x(n))n=m∞的一个极限点,则根据定义12.4.4,对于任意的N≥m和ε>0,存在一个n≥N使得d(x(n),L)≤ε。于是我们做归纳定义,先定义n0:=m。然后对任意的i>0,我们定义有:

ni:=min{j∈N:j>ni−1且d(x(j),L)≤1i}

根据极限点的定义,集合{j∈N:j>ni−1且d(x(j),L)≤1i}总是非空的,于是根据N的良序性对任意的i>0,ni的定义总是有效的,并且序列(ni)i=0∞是一个严格单调递增的序列(于是(x(ni))i=1∞是(x(n))n=m∞的一个子序列)。

然后我们来证明子序列(x(ni))i=1∞收敛于L。

对任意的实数ε>0,根据阿基米德性质(命题5.4.13)都存在自然数N使得ε>1N(显然N不会是0),然后对任意的i≥N根据上面的递归定义我们有:

d(x(ni),L)≤1i≤1N≤ε

于是根据定义12.1.14可以得到(x(ni))i=1∞收敛于L。


若(x(n))n=m∞存在一个收敛于L的子序列(x(nj))j=1∞。由于(nj)j=1∞是一个严格单调递增的整数序列,于是我们可以利用整数的性质归纳得到对任意的j≥1都有nj≥m+j−1;又因为(x(nj))j=1∞收敛于L,于是对任意ε>0,总是存在一个J≥1使得对任意的j≥J都有d(x(nj),L)≤ε。

于是考虑任意的ε>0与任意的N≥m。由于(x(nj))j=1∞收敛于L,于是存在J≥1使得对任意j≥J都有d(x(nj),L)≤ε;另一方面,根据我们上面的结论若j≥N+1−m,则nj≥nN+1−m≥N。于是考虑j=max(J,N+1−m),于是对n:=nj,它同时满足:

  • j≥N+1−m⟹n≥N。
  • j≥J⟹d(x(n),L)≤ε。

从而可以总结有:

对任意的ε>0与任意的N≥m,存在一个n≥N使得d(x(n),L)≤ε。

于是根据定义12.4.4,L是(x(n))n=m∞的一个极限点。

12.4.3 证明引理12.4.7(提示:回顾对命题6.1.12的证明) ​

对于任意的ε>0,令有ε′:=ε3。根据题设(x(n))n=m∞收敛于x0,于是存在N≥m使得对任意n≥N都有d(x(n),x0)≤ε′。

此时考虑任意的i,j≥N,根据度量的三角不等式我们有:

d(x(i),x(j))≤d(x(i),x0)+d(x(j),x0)≤23ε<ε

于是根据定义12.4.6,(x(n))n=m∞是一个柯西序列。

12.4.4 证明引理12.4.9 ​

根据题设,由于(x(n))n=m∞是柯西序列,于是对于任意的ε>0,存在一个N≥m使得d(x(j),x(k))<ε对所有的j,k≥N均成立;又有子序列(x(nj))j=1∞收敛于x0,于是对于任意的ε>0,存在一个J≥1使得d(x(nj),x0)≤ε对所有的j≥J均成立;最后由于(nj)j=1∞是一个严格单调递增的整数序列,于是我们可以利用整数的性质归纳得到对任意的j≥1都有nj≥m+j−1。

于是考虑任意的ε>0,取ε′:=ε2。根据上面的结论,首先存在一个J′≥1使得d(x(nj),x0)≤ε′对所有的j≥J′都成立;并且存在一个N′≥m使得d(x(i),x(k))<ε′对所有的j,k≥N′均成立。于是令有j0:=max(J′,N′+1−m),然后令N:=nj0,可以讨论得到有:

  • j0≥J′⟹d(x(N),x0)≤ε′。
  • j0≥N′+m−1⇒N=nj0(nj)j=1∞严格单调递增N≥nN′+1−m≥N′,于是对任意n≥N都有d(x(N),x(n))<ε′。
  • j0≥J′≥1⇒N=nj0(nj)j=1∞严格单调递增N≥n1≥m。

于是对任意的n≥N,根据度量的三角不等式我们有:

d(x(n),x0)≤d(x(N),x(n))+d(x(N),x0)≤2ε′=ε

综合上面的讨论内容,我们可以得到:

对任意的ε>0,都存在N≥m使得对任意的n≥N都有d(x(n),x0)≤ε。

于是根据定义12.1.14,(x(n))n=m∞收敛于x0。

12.4.5 设(x(n))n=m∞是度量空间(X,d)中的一个点列,并设L∈X,证明:如果L是序列(x(n))n=m∞的一个极限点,那么L就是集合{x(n):n≥m}的附着点。并思考:逆命题成立吗 ​

若L是序列(x(n))n=m∞的一个极限点,则根据定义12.4.4,对于任意的N≥m和r>0存在一个n≥N使得d(x(n),L)≤r。特别地,我们只考虑N=m,于是对任意的r>0,都存在n≥m有:

d(x(n),L)≤0.5r⟹x(n)∈B(L,r)

换言之,球B(L,r)∩{x(n):n≥m}总是非空的,于是根据定义12.2.9有L是{x(n):n≥m}的附着点。


逆命题显然是不成立的。事实上,由于对任意n≥m都有x(n)是{x(n):n≥m}的一个附着点,如果逆命题成立的话根据命题12.4.5都存在一个(x(n))n=m∞的子序列收敛于x(n)。但是随便寻找一个收敛的点列(x(n))n=m∞,根据命题12.4.3应该有(x(n))n=m∞的所有子序列收敛于相同的值,而你显然不能说度量空间中任意一个收敛的点列其中的点都是同一个点。

12.4.6 证明:柯西序列最多有一个极限点 ​

若柯西序列(x(n))n=m∞存在极限点x0,则根据命题12.4.5则存在柯西序列(x(n))n=m∞的子序列(x(nj))j=1∞收敛于这个极限点x0;再根据命题12.4.9,于是这个柯西序列(x(n))n=m∞本身是收敛于这个极限点的;接着使用命题12.4.3,这个柯西序列(x(n))n=m∞的任意子序列都应当收敛于这个极限点。于是对任意该柯西序列的极限点x,根据命题12.4.5最终只能推导出x=x0,也就是说一个柯西序列(x(n))n=m∞最多只能有一个极限点。

12.4.7 证明引理12.4.12 ​

需要注意到,对于任意一个完备的度量空间(X,d)来说,(x(n))n=0∞是(X,d)中收敛于某个点x0的序列当且仅当它是一个柯西序列,这是因为:

根据命题12.4.7,若(x(n))n=0∞(X,d)中收敛于x0的序列则(x(n))n=0∞是一个柯西序列;若(x(n))n=0∞是一个柯西序列则根据完备度量空间的定义我们有(x(n))n=0∞收敛于某个点x0,于是充分必要性得证,两者是等价的。

于是分别证明:

  • 证明:设(X,d)是一个度量空间,并设(Y,dY×Y)是(X,d)的一个子空间,如果(Y,dY×Y)是完备的,那么Y一定是X中的闭集。

如果(Y,dY×Y)是完备的,那么对任意的(y(n))n=0∞是Y中收敛于某个x0∈X的序列,根据上面的推论我们知道(y(n))n=0∞也是Y中的柯西序列,于是根据完备度量空间的定义我们有limn→∞y(n)∈Y,从而根据命题12.2.15(b),我们有Y是X中的闭集。


  • 证明:反过来,如果(X,d)是一个完备度量空间,并且Y是X的一个闭子集,那么子空间(Y,dY×Y)也是完备的。

由于(X,d)是一个完备度量空间,因此根据推论任意X中的柯西序列都是X中的收敛序列,特别地这个结论也对X的子集Y中的收敛序列成立。于是对任意(y(n))n=0∞是Y中的柯西序列,(y(n))n=0∞也是Y中的收敛序列,然后根据命题12.2.15(b)可以由Y是闭集推出极限值limn→∞y(n)属于Y。从而根据完备度量空间的定义(Y,dY×Y)也是完备的。

综上,题目结论证明完毕。

12.4.8 下列结构推广了第5章中利用有理数构造实数的思想,这样我们就能把每一个度量空间都看成一个完备度量空间的子空间,下面设(X,d)是一个度量空间 ​
(a) 给定X中的任意一个柯西序列(xn)n=1∞,引入形式极限LIMn→∞xn。如果形式极限LIMn→∞xn和LIMn→∞yn满足limn→∞d(xn,yn)=0,那么我们称这两个形式极限是相等的。证明:这种相等关系遵循自反性,对称性和传递性公理 ​
  • 自反性:

    证明:对X中的任意一个柯西序列(xn)n=1∞,我们都有LIMn→∞xn=LIMn→∞xn。

    注意到由于度量满足的公理(a)我们总是有d(xn,xn)=0对任意的n≥1成立,很显然常数序列(0)n=1∞的极限值limn→∞0为0。于是这种相等关系是满足自反性的。

  • 对称性:

    证明:对X中的任意柯西序列(xn)n=1∞与(yn)n=1∞,若LIMn→∞xn=LIMn→∞yn,则LIMn→∞yn=LIMn→∞xn。

    根据定义LIMn→∞xn=LIMn→∞yn当且仅当limn→∞d(xn,yn)=0,注意到由于度量满足的公理(c)我们总是有d(xn,yn)=d(yn,xn)对任意的n≥1成立,于是limn→∞d(yn,xn)=limn→∞d(xn,yn)=0,根据上面的定义也即有LIMn→∞yn=LIMn→∞xn。

  • 传递性:

    证明:对X中任意柯西序列(xn)n=1∞,(yn)n=1∞与(zn)n=1∞,若LIMn→∞xn=LIMn→∞yn且LIMn→∞yn=LIMn→∞zn,则有LIMn→∞xn=LIMn→∞zn。

    根据定义由题设我们有limn→∞d(xn,yn)=0与limn→∞d(xn,zn)=0,于是根据度量的三角不等式,非负性与比较原理我们有:

    limn→∞0≤limn→∞d(xn,zn)≤limn→∞[d(xn,yn)+d(yn,zn)]=0=limn→∞d(xn,yn)+limn→∞d(yn,zn)=0

    从而根据定义,我们有LIMn→∞xn=LIMn→∞zn。

(b) 设X―是由X中所有柯西序列的形式极限构成的空间,而且X―具有上述相等关系。定义度量dX―:X―×X―→R+为 ​
dX―(LIMn→∞xn,LIMn→∞yn):=limn→∞d(xn,yn)
证明:这个函数是定义明确的(这不仅意味着极限limn→∞d(xn,yn)存在,还意味着该函数需要满足替换公理,参见引理5.3.7),并给出X―的度量空间结构(这里应该是要证明(X―,dX―)是一个度量空间吧(大概),没看到原书中有提到“the structure of a metric space”的具体定义) ​

证明:这个函数是定义明确的。

首先需要证明对X中的任意柯西序列(xn)n=1∞与(yn)n=1∞,极限limn→∞d(xn,yn)存在并且属于R+。

首先(d(xn,yn))n=0∞是一个正实数的序列(于是它是带有标准度量的完备度量空间R中的序列)。于是注意到对任意的ε>0,令有ε′=ε2。由于(xn)n=1∞与(yn)n=1∞都是柯西序列,于是分别存在Nx≥1与Ny≥1使得对任意i,j≥Nx有d(xi,xj)<ε′,对任意i,j≥Ny有d(yi,yj)<ε′。令有N:=max(Nx,Ny),于是根据度量的三角不等式,对任意的i,j≥N都有:

d(xi,yi)≤d(xi,xj)+d(xj,yj)+d(yj,yi)≤d(xj,yj)+2ε′d(xj,yj)≤d(xj,xi)+d(xi,yi)+d(yi,yj)≤d(xi,yi)+2ε′

于是即有d(xj,yj)−2ε′≤d(xi,yi)≤d(xj,yj)+2ε′⟹|d(xi,yi)−d(xj,yj)|≤ε。

此时根据定义6.1.3我们可以得到(d(xn,yn))n=0∞是一个柯西序列,然后由于R的完备性我们可以得到limn→∞d(xn,yn)∈R。然后依据比较原理与度量的非负性,显然有limn→∞d(xn,yn)≥0,于是limn→∞d(xn,yn)∈R+。

然后需要证明dX―是满足替换公理的,即对任意(xn)n=1∞,(xn′)n=1∞与(yn)n=1∞是柯西序列,若有LIMn→∞xn=LIMn→∞xn′,则有dX―(LIMn→∞xn,LIMn→∞yn)=dX―(LIMn→∞xn′,LIMn→∞yn)。

根据题设即证明:若有limn→∞d(xn,xn′)=0,则有limn→∞d(xn,yn)=limn→∞d(xn′,yn)。

不妨记有x0:=limn→∞d(xn,yn)与x0′:=limn→∞d(xn′,yn),于是根据收敛的定义我们有对任意的ε>0,都有:

  • 存在N0≥1使得对任意的n≥N0都有d(xn,xn′)≤ε。
  • 存在N≥1使得对任意的n≥N都有|d(xn,yn)−x0|≤ε。
  • 存在N′≥1使得对任意的n≥N′都有|d(xn′,yn)−x0′|≤ε。

于是我们令有M:=max{N0,N,N′},然后对任意的n≥M,根据绝对值的三角不等式我们有:

|x0−x0′|≤|x0−d(xn,yn)|+|d(xn,yn)−d(xn′,yn)|+|d(xn′,yn)−x0′|

然后根据度量的三角不等式,我们有:

d(xn,yn)≤d(xn,xn′)+d(xn′,yn)⟹d(xn,yn)−d(xn′,yn)≤d(xn,xn′)d(xn′,yn)≤d(xn′,xn)+d(xn,yn)⟹d(xn′,yn)−d(xn,yn)≤d(xn,xn′)

于是|d(xn,yn)−d(xn′,yn)|≤d(xn,xn′),从而有:

|x0−x0′|≤|x0−d(xn,yn)|+d(xn,xn′)+|d(xn′,yn)−x0′|≤3ε

考虑到|x0−x0′|是与ε无关的常数值,并且ε是任意的,于是只能有|x0−x0′|=0⟺x0=x0′。

于是dX―(LIMn→∞xn,LIMn→∞yn)=dX―(LIMn→∞xn′,LIMn→∞yn)得证。综上于是函数dX―是定义明确的。


证明:(X―,dX―)是一个度量空间。

于是要求证明:

  • 对任意x∈X―,我们都有dX―(x,x)=0。

    根据相等的定义,于是若有x=LIMn→∞xn,则显然有limn→∞d(xn,xn)=0,于是dX―(x,x)=0。

  • 对任意x,y∈X―满足x≠y,我们都有dX―(x,y)≠0。

    根据相等的定义,于是若有x=LIMn→∞xn与y=LIMn→∞yn,由x≠y我们有limn→∞d(xn,yn)≠0。于是根据dX―的定义我们有:

    dX―(x,y)=limn→∞d(xn,yn)≠0

    于是总是满足此条件。

  • 对任意x,y∈X―,我们都有dX―(x,y)=dX―(y,x)。

    若有x=LIMn→∞xn与y=LIMn→∞yn。由于d是度量满足公理(c),于是对任意的n都有d(xn,yn)=d(yn,xn),从而有:

    limn→∞d(xn,yn)=limn→∞d(yn,xn)

    于是根据dX―的定义即有dX―(x,y)=dX―(y,x)。

  • 对任意x,y与z∈X―,我们都有dX―(x,z)=dX―(x,y)+dX―(y,z)。

    若有x=LIMn→∞xn,y=LIMn→∞yn与z=LIMn→∞zn。由于由于d是度量满足度量的三角不等式,于是对任意的n都有d(xn,zn)≤d(xn,yn)+d(yn,zn),从而根据比较原理有:

    limn→∞d(xn,yn)≤limn→∞[d(xn,yn)+d(yn,zn)]=limn→∞d(xn,yn)+limn→∞d(yn,zn)

    根据dX―的定义即有dX―(x,z)=dX―(x,y)+dX―(y,z)。

综上,于是(X―,dX―)是一个度量空间。

(c) 证明度量空间(X―,dX―)是完备的 ​

对任意X―中的柯西序列(x(n))n=0∞,对任意的n≥0,我们设有x(n)=LIMm→∞xm(n),于是对任意的n≥0都有(xm(n))m=0∞是X中一个柯西序列且其形式极限为x(n)。

为证明度量空间(X―,dX―)是完备的,根据完备定义即证明存在a∈X―使得(x(n))n=0∞依度量dX―收敛于a。不妨设a:=LIMm→∞am,于是(am)m=0∞也是X中的柯西序列且形式极限为a。根据收敛的定义,即要求证明:对任意ε>0都存在N≥0使得对任意的n≥N都满足dX―(a,x(n))≤ε,即:

limm→∞d(am,xm(n))≤ε

由于在(b)中我们已经阐述了dX―是定义明确的,于是这个极限值肯定存在,只需要证明其值小于等于ε即可。于是即只要能证明对任意的n≥N都能指定一个整数Mn≥0满足对任意的m≥Mn都有d(am,xm(n))≤ε,则根据比较原理可得有limm→∞d(am,xm(n))≤ε。

于是开始我们的证明。对任意的m∈N,由于(xk(m))k=0∞是一个柯西序列,于是存在Km≥0使得对任意的i,j≥Km都有d(xi(k),xj(k))≤1k+1(在这一步中需要用到选择公理),特别地,我们需要用到i=Km的情形。定义xk有:

am:=xKm(m)

然后我们证明(am)m=0∞就是我们要找的X中柯西序列。

首先证明(am)m=0∞是X中柯西序列:

于是即要证明,对任意ε>0都存在M≥0使得对任意的i,j≥M使得:

d(ai,aj)≤ε⟹d(xKi(i),xKj(j))≤ε

由于(x(n))n=0∞是X―中的柯西序列,于是存在N0≥0使得对任意的k,l≥N0都有:

dX―(x(k),x(l))≤ε4⟹limm→∞d(xm(k),xm(l))≤ε4

特别地,根据度量的非负性与实数序列收敛的定义,对ε4存在一个整数N1≥0对任意的m≥N1都满足:

|d(xm(k),xm(l))−dX―(x(k),x(l))|≤ε4⟹d(xm(k),xm(l))≤2ε4

然后根据阿基米德性质,存在整数N2≥0满足1N2≤ε4,从而根据(am)m=0∞的定义对任意k≥N2有:

∀l≥Kk,d(xKk(k),xl(k))≤1k+1<ε4

于是此时我们定义M:=max(N0,N2),并令有k:=max(N1,Ki,Kj)。对任意的i,j≥M我们可以根据度量的三角不等式讨论得到有:

d(xKi(i),xKj(j))≤d(xKi(i),xk(i))+d(xk(i),xk(j))+d(xk(j),xKj(j))

由于k≥N1与i,j≥N0,于是根据上面的讨论可以得到d(xk(i),xk(j))≤2ε4;又因为i,j≥N2,k≥Ki与k≥Kj,于是根据上面的讨论可以得到d(xKi(i),xk(i))≤ε4与d(xKj(j),xk(j))≤ε4。从而可以推知:

d(xKi(i),xKj(j))<ε4+2ε4+ε4=ε

考虑到(am)m=0∞的定义,总结下上面的结论可以得到:

对任意的ε>0,存在M≥0使得对任意的i,j≥M都满足d(ai,aj)<ε。

于是根据定义12.4.6,(am)m=0∞是X中柯西序列。

然后证明(am)m=0∞是我们想要的序列,也就是证明对任意ε>0都存在N≥0使得对任意的n≥N都满足limm→∞d(am,xm(n))≤ε:

由于(x(n))n=0∞是X―中的柯西序列,于是存在N0≥0使得对任意的n≥N0都有:

dX―(x(n),x(N0))≤ε4⟹limm→∞d(xm(n),xm(N0))≤ε4

我们令有N:=N0。考虑任意的n≥N,度量的非负性与实数序列收敛的定义,对ε4存在一个整数N1≥0对任意的m≥N1都满足:

|d(xm(N),xm(n))−dX―(x(N),x(n))|≤ε4⟹d(xm(N),xm(n))≤2ε4

此外,由于(xm(n))m=0∞是X中一个柯西序列,于是根据柯西序列的定义,对ε4存在一个整数N2≥0满足对任意的k,l≥N2都有:

d(xk(n),xl(n))≤ε4

最后,根据阿基米德性质可以得到存在整数N3≥0满足1N3≤ε4,从而根据(am)m=0∞的定义对任意m≥N3有:

∀k≥Km,d(xKm(m),xk(m))≤1k+1<ε4

于是我们令有M:=max{N0,N2,N3},并令有k:=max{Km,N1,N2},根据度量的三角不等式,对任意的m≥M,可以变换d(am,xm(n))有:

d(xKm(m),xm(n))≤d(xKm(m),xk(m))+d(xk(m),xk(n))+d(xk(n),xm(n))

然后注意到对右边的三项,对第一项,由于k≥Km且m≥N3,于是根据上面的讨论我们有d(xKm(m),xk(m))≤ε4;对第二项,由于m,n≥N0且k≥N1,于是根据上面的讨论我们有d(xk(m),xk(n))≤2ε4;对第三项,由于m,k≥N2,于是根据上面的讨论我们有d(xk(n),xm(n))≤ε4。于是上面的不等式可以化为:

d(xKm(m),xm(n))≤ε4+2ε4+ε4=ε

从而可以总结上面得到的结论有:

对任意ε>0都存在N≥0,使得对任意的n≥N都可以指定一个整数M≥0满足对任意的m≥M都有d(xKm(m),xm(n))≤ε成立。

于是根据比较原理,我们可以将这个结论化为:对任意ε>0都存在N≥0使得对任意的n≥N都满足limm→∞d(am,xm(n))≤ε,证明完毕。

综上,于是如同在证明开始前所述的内容,我们对任意X―中的柯西序列(x(n))n=0∞都能找到a∈X―使得(x(n))n=0∞依度量dX―收敛于a。这表明了度量空间(X―,dX―)是完备的。

(d) 我们将元素x∈X与X―中的x对应的形式极限LIMn→∞x等同起来。通过证明:x=y等价于LIMn→∞x=LIMn→∞y来证明这样的做法是合理的,利用这种等价关系证明d(x,y)=dX―(x,y),从而(X,d)可以视为(X―,dX―)的子空间 ​

注意到对任意x,y∈X有x=y当且仅当d(x,y)=0,又因为常数序列的极限limn→∞d(x,y)=d(x,y)。从而根据(a)中相等的定义,x=y当且仅当LIMn→∞x=LIMn→∞y。

(e) 证明:X在X―中的闭包就是X―(这解释了为什么用记号X―) ​

X在X―中的闭包必然是包含于X―的,于是我们只需要证明X―包含于X的闭包就可以推出X―就是X的闭包。

考虑任意的x∈X―,根据定义存在X中的柯西序列(xn)n=0∞使得x=LIMn→∞xn,于是根据(f)的结论我们可以得到(xn)n=0∞是依度量dX―收敛于x。于是根据命题12.2.10有x是X在X―中的附着点,即有x属于X的闭包。

于是综合即可得到X―包含于X的闭包,然后如同我们在最开始所说的,这表明了X―就是X的闭包。

(f) 证明:形式极限和真正的极限是一致的。换言之,如果(xn)n=1∞是X中任意一个柯西序列,那么在X―中就有limn→∞xn=LIMn→∞xn ​

对任意(xn)n=1∞是X中任意一个柯西序列,我们令有x:=LIMn→∞xn,然后考虑任意的ε>0。根据定义12.4.6,存在N≥1使得对任意i,j≥N都有d(xi,xj)≤ε成立。然后考虑任意的n≥N,根据dX―定义我们有:

dX―(xn,x)=limm→∞d(xn,xm)

(注意下标)

由于对任意的m≥N,我们由柯西序列定义得到的结论告诉我们应该有d(xn,xm)≤ε,然后考虑到实数序列的极限值同起点无关(习题6.1.3)与比较原理,我们有:

∀m≥N,d(xn,xm)≤ε⟹limm→∞d(xn,xm)≤ε

于是即有dX―(xn,x)≤ε,综上我们可以总结有:

对任意的ε>0,存在一个N≥1使得对任意的n≥N都有dX―(xn,x)≤ε。

于是根据定义12.1.14,(xn)n=1∞依度量dX―收敛于x,题目结论证明完毕。


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实分析 5.3 实数的构造

实分析 6.1 收敛与极限定律

实分析 6.4 上极限、下极限和极限点

实分析 6.6 子序列