序列及其极限

柯西序列

柯西序列是其各项最终彼此挨作一团的序列,与任何外部目标无关。判据纯粹是内部的:走得足够远后,任意两项彼此任意接近——不是接近某个指定的极限,而仅仅是彼此接近。它刻画了序列“收紧”的想法,而无需先知道它驶向何方。

确切地说:若对每个 epsilon > 0 都存在 N,使得对一切 m, n > N 有 |a_m - a_n| < epsilon,则称 (a_n) 是柯西序列。试与极限的 epsilon-N 定义对照,后者把 a_n 与固定的 L 相比;这里比较的是成对的项。这正是它的一大优点:你无需指出甚至无需知道极限,就能认定柯西性。

在实数中,柯西与收敛是等价的——序列收敛当且仅当它是柯西序列。这一等价性恰恰是 R 的完备性,也正是它使 R 成为完备空间。微妙之处在于这一等价在别处可能失效:在有理数中,sqrt(2) 的十进制截断序列是柯西序列,却没有有理极限。有理数不完备,而这个缺口正是实数所填补的。

sqrt(2) 的截断 1, 1.4, 1.41, 1.414, 1.4142, ... 构成一个柯西序列:索引 N 之后的项在 N 位小数上一致。在 R 中它收敛(到 sqrt(2));若只在有理数内部看,它是柯西序列却没有极限。

有柯西性却无极限,是有理数这类不完备空间的标志。

仅相邻项接近是不够的——|a_{n+1} - a_n| -> 0 并不蕴含柯西。调和级数的部分和是著名的反例:邻项间距缩小,序列却发散。