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03 실수열의 극한

3.7 상극한과 하극한

수열

이 ≔  으로 주어졌다고 하자.

의 항은  과 이 교대로 반복되어 나타나므로 수렴 하지 않는다. 그러나 부분수열

  

은  에 수렴하고



은 에 수렴한다. 또한

의 부분수열은

보다 더 큰 값에 수렴할 수 없으며  보다 더 작은 값에 수렴할 수 없다. 즉 은

의 집적점 중에서 가장 큰 값이며  은

의 집적점 중에서 가장 작은 값이다. 이렇게 수열의 집적점 중에서 가장 큰 값을 상극한이라고 부르며, 가장 작은 값을 하극한이라고 부른다.

정의 3.7.1 수열의 상극한과 하극한

실수열

의 집적점들의 모임을

라고 하자.

(ⅰ)

이 위로 유계이고

가 공집합이 아닐 때 sup

상극한(limit superior)이라고 부른다.

(ⅱ)

이 아래로 유계이고

가 공집합이 아닐 때 inf

하극한(limit inferior)이라고 부른다.

실수  가 수열

의 상극한인 것을

lim

 → ∞

  또는 limsup   

 → ∞

로 나타낸다. 또한 실수 가 수열

의 하극한인 것을

lim

 → ∞

  또는 liminf  

 → ∞

로 나타낸다.

참고

3.7.2 

이 유계가 아니거나

가 공집합인 경우의 상극한과 하극한은 다음과 같이 정의한다.

(ⅰ)

이 위로 유계가 아니면

의 상극한을  ∞로 정의한다.

(ⅱ)

이 아래로 유계가 아니면

의 하극한을  ∞로 정의한다.

(ⅲ)

이 위로 유계이고

가 공집합이면

의 상극한을  ∞로 정의한다.

(ⅳ)

이 아래로 유계이고

가 공집합이면

의 하극한을  ∞로 정의한다. □

보기

3.7.3 다음은 상극한과 하극한의 예이다.

(ⅰ)

 

의 상극한은 이고 하극한은  이다.

(ⅱ)

   

의 상극한은  ∞이고 하극한은 이다.

(ⅲ)

의 상극한과 하극한은 모두  ∞이다.

(ⅳ)

 

의 상극한과 하극한은 모두  ∞이다.

(ⅴ)     일 때

의 상극한과 하극한은 모두 이다.

(ⅵ)

 

의 상극한은  ∞이고 하극한은  ∞이다. □

참고

3.7.4 수렴하는 수열은 상극한과 하극한이 동일하다. 왜냐하면 수렴하는 수열은 유계이고, 집적점을 하

나만 갖기 때문이다. □

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3.7 상극한과 하극한

수열의 극한을  

명제로 정의한 것처럼 상극한도  

명제로 정의할 수 있다.

정리 3.7.5  

을 이용한 상극한의 정의

수열

이 유계이고  가 실수라고 하자. 이때 가

의 상극한일 필요충분조건은 두 조건 (ⅰ) ∀   ∃

∈ℕ ∀ 

 

→    

(ⅱ) ∀   ∀

∈ℕ ∃ 

 

∧    

을 모두 만족시키는 것이다.

증명*

위 정리에서 (ⅰ)은

의 부분수열이  보다 큰 값에 수렴할 수 없다는 뜻이며 (ⅱ)는  이상의 값에 수렴하는 부분수열이 존재한다는 뜻이다. 이 사실을 염두에 두고 증명을 하자.

[⇒]  가

의 상극한이라고 하자. 만약 (ⅰ)을 부정하면 적당한 양수 이 존재하여 아무리 큰 자연 수

이 주어지더라도  

이면서  ≥   인 이 존재한다. 즉 ≥   인 의 개수가 무한 이므로

의 부분수열 중에서    이상의 값에 수렴하는 것이 존재하게 된다. 이것은 가 상극한 이라는 데에 모순이다.

만약 (ⅱ)를 부정하면 양수 과 자연수

이 존재하여  

일 때마다 ≤   이 성립한다. 유한 개의 을 제외하고 모두 ≤   을 만족시키므로

의 부분수열 중 수렴하는 것은    이하 의 값에 수렴하게 된다. 이것은 가 상극한이라는 데에 모순이다.

[⇐]  와

이 (ⅰ), (ⅱ)를 모두 만족시킨다고 하자. 그리고

의 상극한을 ′이라고 하자. 그러 면 ′에 수렴하는 부분수열

가 존재한다(문제 27 참조).

만약   ′이라면  ≔ ′   는 양수이므로 (ⅰ)에 의하여 자연수

이 존재하여  

일 때마 다      ′  이 성립한다. 즉 유한 개의 항을 제외하면  ′  이므로

는 ′   이하 의 값에 수렴한다. 이것은 모순이므로 ′ ≤ 이다.

다음으로 (ⅰ), (ⅱ)에 의하여     

   인 이 존재한다. 또한 임의의 자연수 에 대하 여 (ⅰ), (ⅱ)에 의하여   이 존재하여    이면서

  

 

     

을 만족시킨다. 이때 조임 정리에 의하여

는  에 수렴한다. 그런데 ′는

의 상극한이므로

 ≤ ′이다. 따라서   ′이므로  는

의 상극한이다.

하극한도 상극한과 마찬가지로  

명제로 정의할 수 있다.

따름정리

3.7.6

수열

이 유계이고 가 실수라고 하자. 이때 가

의 하극한일 필요충분조건은 (ⅰ) ∀   ∃

∈ℕ ∀ 

 

→    

(ⅱ) ∀   ∀

∈ℕ ∃ 

 

∧    

을 모두 만족시키는 것이다.

증명

정리 3.7.5의 증명에서 부등호의 방향과 의 부호만 바꾸면 된다. ■

따름정리

3.7.7 유계인 수열 

에 수렴할 필요충분조건은

의 상극한과 하극한이 모두

인 것이다.

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