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数列极限的定义有一般化推广吗?

2022-04-01知识

点进来之前我以为的推广: 推广到更一般的拓扑空间,至少也不能是 \mathbb{R}^n 这样又有度量又完备的空间

实际上问题里的推广: 把极限定义里的 \varepsilon 换成 f(\varepsilon)

好吧……

实际上我感觉这个并不能叫推广,因为你把极限的 \varepsilon-\delta 定义

\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0\,\forall|x-a|<\delta\,(|f(x)-A|<\varepsilon)

改写成

\forall\varepsilon>0\, \exists \delta>0\,\forall|x-a|<\delta\,(|f(x)-A|<2\varepsilon)

或者

\forall\varepsilon>0\,\exists\delta>0\,\forall|x-a|<\delta\,(|f(x)-A|\leqslant\varepsilon)

又或者

\forall n\in\mathbb{N}_+\,\exists\delta>0\,\forall|x-a|<\delta\,\left(|f(x)-A|<\frac 1n\right)

看起来是减弱(或者加强)了极限的条件

well, 都把 <\varepsilon 的条件放宽到 \leqslant2\varepsilon 了,或者说都把 \forall\varepsilon >0 限制到 \forall\varepsilon=\frac 1n>0 了,总归是把条件减弱了一点吧?

但是实际上上面四个条件都是 完全等价 的,换句话说是充分必要条件。

这确实是刚接触极限定义时很可能会产生的疑问,也不失为一道很好的思考题。这四个条件的等价性的 精髓 都来自于最开头的 \forall , 对于初学者想想这个问题能增进对抽象的 \varepsilon-\delta 定义的理解。

总之,问题里的命题至多能算个极限定义的等价形式或者结论,应该是算不上 推广 的。希望我表达清楚了。

那么推广自然是有的。首先我们要抛弃丑陋的 \varepsilon-\delta 语言,转而使用更优美(大雾)的邻域来定义(注意,在 \mathbb R 里这仍然与 \varepsilon-\delta 定义是 等价 的):

\forall U(A)\,\exists U^\circ (a)\left(f(U^\circ(a))\subset U(A)\right)

U 代表邻域而 U^\circ 代表去心邻域。啥意思呢?不严谨的说就是只要 f 能把 a 附近的所有点都映射到 A 的附近,那么就称 \lim_{x\to a}f(x)=A . 看到没?现在我们摆脱了 |x-a|<\delta 这样的 距离 概念,而距离是一个比较严格的东西,不是所有的空间都能有的(事实上我们把装备了距离的空间专门称为 度量空间 )。摆脱了距离的概念我们就可以把极限推广到更一般的拓扑空间, 只要拓扑空间中有邻域的概念就可以利用类似 \forall U(A)\,\exists U^\circ (a)\left(f(U^\circ(a))\subset U(A)\right) 的东西定义极限,具体比较复杂我懒得写了。

另外一个方向是仍旧留在度量空间里,只不过用更一般的度量 d(-,-) 代替 \mathbb R 中的欧式度量。例如在度量空间 (X,d) 里给定一个序列 \{x_n\}\subset X 和一个点 x ,若满足

\forall \varepsilon>0\,\exists N>0\,\forall n>0\,(d(x_n,x)<\varepsilon)

我们就称 x 是 \{x_n\} 的 极限点

一个例子是在所有连续函数空间 C([a,b]) 里给出 L^\infty 度量||f||:=\sup_{x\in [a,b]}|f(x)| ,我们就能在C([a,b]) 里确定一列函数 \{f_n\} 的极限。在这样的极限下可以发现任何连续函数 f 都可以被一列 多项式 一致逼近,也就是说总存在一列多项式 \{p_n\} 有 p_n\to f 。这个结论可以更简单的表述为: 多项式在 C([a,b]) 中 稠密。

又或者我们留在 \mathbb R 里,把极限概念本身作一下推广,也就是常见的 上极限 下极限 :

\varlimsup_{n\to\infty}a_n:=\lim_{n\to\infty}\sup_{k\geqslant n}\{a_k\}
\varliminf_{n\to\infty}a_n:=\lim_{n\to\infty}\inf_{k\geqslant n}\{a_k\}

这个就不展开讲了,数分或者高数书上都有。

如果有错请不吝赐教