Bolzano-Weierstrass の定理
任意の
有界な数列には収束する部分列が存在する。
これを
Bolzano–Weierstrassの定理(ボルツァーノ・ワイエルシュトラスの定理)という。
証明を以下に記す。
証明:
任意の
有界な数列を $\{ a_{n} \}$ と表し、
$a_{n}$ の全体から成る集合を $A_{1}$ と表す。
すなわち、
$A_{1}$ は有界であるので、
上限と下限が存在する (
補足参考)。
それらをそれぞれ $I_{1}$、$S_{1}$ と表す。
$I_{1}$ は $A_{1}$ の下限であるから、
$\alpha$ を任意の正の数とすると、
$A_{1}$ の要素で
$I_{1} + \alpha$ よりも小さい要素が必ずある。
その中の一つを $a_{n^{(1)}}$ とすると、
これは
$$
\tag{1}
$$
を満たす。
(もしこのような $a_{n^{(1)}}$ 存在しないとすると、
$I_{1} + \alpha$ が $A_{1}$ の下限になってしまい、
$I_{1}$ が $A_{1}$ の下限であることに矛盾する)。
続いて、$A_{1}$ の中の要素で $n^{(1)}$ よりも大きな添え字を持つものだけを取り出し、
その集合を $A_{2}$ とする。
すなわち、
とする。
また、$A_{2}$ の下限と上限をそれぞれ $I_{2}$、$S_{2}$ と表す。
$A_{2}$ は $A_{1}$ の部分集合であるから、
$A_{2}$ の下限は $A_{1}$ の下限以上の値になる。
すなわち、
$$
\tag{2}
$$
が成り立つ。
また、
$I_{2}$ は $A_{2}$ の下限であるから、
$A_{2}$ の要素で
$I_{2} + \frac{\alpha}{2}$ よりも小さい要素が必ずある。
その中の一つを $a_{n^{(2)}}$ とすると、
これは
$$
\tag{3}
$$
を満たす。
続いて、$A_{2}$ の中の要素で $n^{(2)}$ よりも大きな添え字を持つものだけを取り出し、
その集合を $A_{3}$ とする。
すなわち、
とする。
また、$A_{3}$ の下限と上限をそれぞれ $I_{3}$、$S_{3}$ と表す。
$A_{3}$ は $A_{2}$ の部分集合であるから、
$A_{3}$ の下限は $A_{2}$ の下限以上の値になる。
よって、
$$
\tag{4}
$$
が成り立つ。
また、
$I_{3}$ は $A_{3}$ の下限であるから、
$A_{3}$ の要素で
$I_{3} + \frac{\alpha}{3}$ よりも小さい要素が必ずある。
その中の一つを $a_{n^{(3)}}$ とすると、
これは
$$
\tag{5}
$$
を満たす。
以上のような考察を繰り返して、数列 $\{ I_{k} \}$ を定義すると、
$(2)$ と $(4)$ から分かるように $I_{k}$ は
を満たすので、
単調増加数列である。
また、数列 $\{ I_{k} \}$ は集合 $A_{k}$ の下限であり、
集合 $A_{k}$ は $A_{1}$ の部分集合であるので、
$I_{k}$ は $A_{1}$ の上限 $S_{1}$ 以下の値である。すなわち、
が成り立つ ($\{ I_{k} \}$ は有界な数列)。
以上から、
数列
$\{ I_{k} \}$ は有界な単調増加数列である。
有界な単調増加数列は収束するので (実数の連続性の公理
補足参考)、
${I_{k}}$ は収束する。
そこで、$I_{k}$ の極限値を $c$ とすると、
$$
\tag{6}
$$
である。
一方、
$(1)$ $(3)$ $(5)$ の議論を繰り返して行くと、
$k=1,2,\cdots$ に対して
$$
\tag{7}
$$
が成り立つ。
ここで、数列 $\{ J_{k} \}$ と $\{ b_{k} \}$ を
と定義すると、
$(7)$ は
$$
\tag{8}
$$
と表され、
$(6)$ により、
$$
\tag{9}
$$
が成り立つ。
すると、
$(6)(8)(9)$
から
はさみうちの定理により、
が成り立つ。したがって数列 $\{ b_{k} \}$ は収束する。
数列 $\{ b_{k} \}$ は 数列 $\{ a_{n} \}$ の部分列であるから、
次のことが示された。すなわち、
任意の有界な数列 $\{ a_{n} \}$ には、収束する部分列が存在する。
補足:
「有界な集合には上限が存在する。」
これを上限定理という。
上限定理は実数の連続性を表す公理であるので、
他の何かから証明されるものではない。
実数の連続性は上限定理の他にも
幾つかの表し方がある。
例えば
「有界な単調増加数列は収束する。」
というのもその一つである。
これらは互いに同値であるので、
どれを採用してもよい。