Bolzano-Weierstrass 定理

这个定理是从吴崇试老师的数学物理方法课里看到的,表述如下:

有界的无穷(复数)序列至少有一个聚点。

序列的聚点定义为

给定序列 ${z_n}$,若存在复数 $z$,对于任意给定的 $varepsilon > 0$ 恒有无穷多个 $z_n$ 满足 $| z- z_n| < varepsilon$,则称 $z$ 为 ${z_n}$ 的一个聚点。

${z_n}$ 有聚点等价于 ${z_n}$ 有收敛子列。我们试图构造出 ${z_n}$ 的一个收敛子列。

先证明有界实数列满足 B-W 定理,即

有界实数列必有收敛子列。

证明:设序列 ${a_n}$ 都落在 $[a,b]$ 中,将 $[a,b]$ 等分成 $[a, (a+b)/2]$ 和 $[(a+b)/2, b]$,其中必有一个区间含有无穷多项 $a_n$,记此区间为 $I_1$,在 $I_1$ 中选择一项 $a_{i_1}$;再将 $I_1$ 等分成两份,取其中含有无穷多项 $a_n$ 者记做 $I_2$,在 $I_2$ 中选取一项 $a_{i_2}$ 使得 $i_2 > i_1$,如此进行下去。令 $I_n = [ l_n, r_n]$ ,则 ${l_n}$ 递增有界,${r_n}$ 递减有界,即二者都收敛;令 $l = lim_{n oinfty} l_n$,$r = lim_{n oinfty} r_n$;又 $lim_{n oinfty} r_n - l_n = lim_{n oinfty} (b-a)/2^n = 0 $,因而 $x = y$。又 $a_{i_n} in [l_n, r_n]$ ,由夹逼原理有 $lim_{n oinfty} a_{i_n} = x$,于是 ${a_{i_n}}$ 收敛。证毕。

再证明欧氏空间 $mathbb{R}^p$ 中的序列满足 B-W 定理,即

$mathbb{R}^p$ 中的有界序列必有收敛子列。

证明:对 $p$ 用归纳法。我们已经证明了 $p=1$ 时 B-W 定理成立。设 $p= k$ 时定理成立,给定 $mathbb{R}^{k+1}$ 中的有界序列 ${mathbf{a}_n}$,令 $mathbf{a}_n=(mathbf{x}_n, y_n)$,可以证明 ${mathbf{x}_n}$ 在 $mathbb{R}^k$ 中有界,${y_n}$ 在 $mathbb{R}$ 中有界。
取 ${mathbf{x}_n}$ 的一个收敛子列 ${mathbf{x}_{n_i}}$,记其极限为 $mathbf{x}$,再取 ${y_{n_i}}$ 的一个收敛子列 ${y_{n_{i_j}}}$,记其极限为 $y$,我们有 ${ mathbf{x}_{n_{i_j}} }$ 收敛于 $mathbf{x}$,于是 ${mathbf{a}_{n_{i_j}}}$ 收敛于 $(mathbf{x},y)$ 。证毕。

$mathbb{R}^2$ 与 $mathbb{C}$ 同构,所以原命题成立。

原文地址:https://www.cnblogs.com/Patt/p/9245444.html