#创作挑战赛#

老黄一直认为,区间套中有一只“幽灵”,那么高等数学中是怎么定义这只幽灵的呢?它就是聚点的定义:

区间套的定义技巧 它是区间套中的幽灵(1)

设S为数轴上的点集,ξ为定点. 若ξ的任何邻域内都含有S中无穷多个点,则称ξ为点集S的一个聚点.

虽然聚点被定义在点集上,但它其实也是一个区间套系列中,每个区间套所确定的数,也就是老黄之前的作品中一直强调的那只“幽灵”。下面是一些点集的聚点实例:

比如,点集S={(-1)n 1/n}有两个聚点ξ1=-1, ξ2=1;

点集S={1/n}只有一个聚点ξ=0;

又S=(a,b),则(a,b)内每一点以及端点a,b都是S的聚点;开区间上每一个点,包括两个端点,都是聚点,这是实数的稠密性决定的。

正整数集N 没有聚点,任何有限数集也没有聚点。

区间套的定义技巧 它是区间套中的幽灵(2)

另外,极限都是聚点,你知道这是为什么吗?对于数列来说,假设数列an收敛于ξ,那么由极限的邻域充要条件可知,对∀ε>0, 在U(ξ,ε)上都有{an}的无穷多个点(几乎所有点), 由聚点的定义就可以知道ξ点列an的聚点。

对于函数极限来说,若lim( x→x0 )f(x)=A,由归结原则可知,必然存在lim(n→∞)f(xn)=A, {xn}⊂U⁰ (x0)或{xn}⊂U⁰-(x0), 由数列的极限是聚点就可以知道,A是{f(xn)}的聚点, 即A是f(x)的聚点.

区间套的定义技巧 它是区间套中的幽灵(3)

但反过来说就不一定成立了。你不能说聚点就是极限。不过聚点又的确可以作为某些点列的极限,只不过你要指明这个点列才行。因此,一个聚点,就肯定存在两个符合区间套定义的“端点数列”,使得这两个数列的极限都是这个聚点。所以每个聚点都是一系列区间套中每一个区间套所确定的点。反过来,你又能说明区间套确定的点,即老黄一直强调的那只幽灵,也是一个聚点吗?

我们可以记区间套确定的点为ξ, 由区间套定理的推论可知对任给的ε>0,存在N>0,使得当n>N时有[an,bn]⊂U(ξ; ε). 即ξ的任何邻域内都含有{[an,bn]}中无穷多个区间(点),∴ξ是{[an,bn]}的聚点.

区间套的定义技巧 它是区间套中的幽灵(4)

你也可以把区间理解成一个点。把区间理解成一个点,这可能会有点令人费解,但这其实正是聚点的特殊之处。而如果你把聚点理解成一个普通的点,那肯定也是不准确的。老黄认为,它是有两种状态的,一种状态是动态的点的状态,类似于光的光子状态。另外一种状态就是区间的状态,它是一个极小的区间,小到近似于一个点,类似于光的波弦的状态。你对老黄的看法是否赞同呢?

区间套的定义技巧 它是区间套中的幽灵(5)

为了强化对聚点的理解,我们再探究两个问题:

1、说明正整数集没有聚点。

证:对任意正整数n,取ε0=1, 则在邻域U(n, ε0)中,最多只有n-1, n, n 1三个点,

∴n不是正整数集N 的聚点. 由n的任意性可知,正整数集N 没有聚点.

区间套的定义技巧 它是区间套中的幽灵(6)

2、说明任何有限集都没有聚点.

证:设S为有限集, ξ是它的聚点,由聚点的定义, ξ的任何邻域内都含有S中无穷多个点,

即S是一个无限集,矛盾!∴任何有限集都没有聚点.

区间套的定义技巧 它是区间套中的幽灵(7)

我们可以这么理解,只要聚点这个幽灵存在,它就肯定会有无数的分身,厉害吧!

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