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収束の定義の言い換え(定理1.12)

定理1.12

 数列{𝛼𝑛}が実数𝛼に収束するための必要十分条件は, 𝜌<𝛼<𝜎なる実数𝜌,𝜎が任意に与えられたとき,不等式:

𝜌<𝛼𝑛<𝜎

が有限個の自然数𝑛を除いて成立することである.

 収束するということは,𝛼と任意の差𝜀の範囲(めちゃくちゃ近いところ)に𝛼𝑛が必ずいるということだった. でもそれって,均等な差𝜀ではなくもっと柔軟に考えて,𝛼を含む任意の範囲で考えても同じだよねということ. 𝛼さえ含めば,どんな範囲にも𝛼𝑛が無数にいるなら, 数列{𝛼𝑛}𝛼に収束していることの定義と変わらない.

 数列{𝛼𝑛}𝛼に収束すると仮定.また,𝜌<𝛼<𝜎なる実数𝜌,𝜎が与えられたとする. このとき,𝜀=𝑚𝑖𝑛(𝛼𝜌,𝜎𝛼)とすると,𝜀は正の実数である.

 この𝜀に対して,ある自然数𝑛0が対応していて,𝑛>𝑛0の自然数𝑛において |𝛼𝑛𝛼|<𝜀が成り立つ(仮定から). つまり,𝜀+𝛼<𝛼𝑛<𝜀+𝛼

 𝜀=𝑚𝑖𝑛(𝛼𝜌,𝜎𝛼)と合わせると, 𝜌𝜀+𝛼<𝛼𝑛<𝜀+𝛼𝜎. つまり,𝑛>𝑛0の自然数𝑛に対して𝜌<𝛼𝑛<𝜎が成り立つ. すなわち,有限個の自然数𝑛を除いて𝜌<𝛼<𝜎が成り立つ.

 𝜌<𝛼<𝜎なる実数𝜌,𝜎が与えられたとし,このとき不等式:

𝜌<𝛼𝑛<𝜎

が有限個の自然数𝑛を除いて成り立つと仮定する. 𝜀=𝑚𝑖𝑛(𝛼𝜌,𝜎𝛼)とすると,𝜀+𝛼<𝛼𝑛<𝜀+𝛼 は有限個の自然数𝑛を除いて成り立つ.

 この有限個の自然数𝑛の中で一番大きいものを𝑛0とすると,𝑛>𝑛0ならば𝜀+𝛼<𝛼𝑛<𝜀+𝛼が 成り立つということである.

 以上を整理すると,実数𝜌,𝜎により任意に正の実数𝜀がとれ, この𝜀に対応する自然数𝑛0もとれて,𝑛>𝑛0ならば𝜀+𝛼<𝛼𝑛<𝜀+𝛼 が成立する.すなわち,数列{𝛼𝑛}𝛼に収束することがわかった.