序列及其极限

有界序列

有界序列是其各项绝不越出一个固定围栏的序列。无论你读到序列多深处,每一项都待在某个下限与某个上限之间。它不必安顿下来——只是不许逃向正无穷或负无穷。

正式地说,若存在实数 M > 0 使得对一切 n 有 |a_n| <= M,则称 (a_n) 有界。等价地,所有项都落在区间 [-M, M] 内。这可拆为有上界(存在上界:对一切 n,a_n <= U)与有下界(存在下界:对一切 n,a_n >= L);序列有界当且仅当它既有上界又有下界。

有界性是关于序列的两个最深刻结果的守门人。每个收敛序列都自动有界,这使有界性成为收敛的一项快捷必要检查。而由波尔查诺-魏尔斯特拉斯定理,每个有界实序列——哪怕剧烈振荡——都至少有一个收敛子序列。但要当心:仅凭有界并不给出收敛,正如 (-1)^n 所示。

a_n = sin(n) 有界,因为对每个 n 有 |sin(n)| <= 1,故 M = 1 即可;然而它从不收敛。有界序列 a_n = (-1)^n + 1/n 待在 [-1, 1.5] 内,但同样不收敛。

有界对收敛是必要的,但远非充分。

界 M 必须同时对一切 n 成立。像 a_n = n 这样的序列是无界的,尽管每一项都是有限数;没有单独一个 M 能把它们全部封顶。