2007年4月20日金曜日

集合列の上極限と下極限


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yosuke さんのコメント...

集合列{X[n]}が単調減少であるときX[n]↓と表し、
単調増加であるときはx[n]↑と表すとする。

limsup[n→∞]A[n]=lim[n→∞]∪[i=n→∞]A[i]を示す。
X[n]↓と仮定すると、
limsup[n→∞]X[n]
=∩[n=1→∞]∪[i=n→∞]X[i]
=(X[1]∪X[2]∪X[3]∪・・・)∩(X[2]∪X[3]∪・・・)∩(X[3]∪・・・)∩・・・
=X[1]∩X[2]∩X[3]∩・・・ ∵X[n]↓よりX[i]=X[i]∪X[i+1]∪X[i+2]∪・・・
=∩[n=1→∞]X[n]
=∩[i=n→∞]X[i] for ∀n ∵X[n]↓
=∪[n=1→∞]∩[i=n→∞]X[i]
=liminf[n→∞]X[n]
であるので、lim[n→∞]X[n]=∩[n=1→∞]X[n]を得る。・・・(*)
ここで、集合列{∪[i=n→∞]A[i]}は単調減少なので、
(*)においてX[n]=∪[i=n→∞]A[i]とすれば、
lim[n→∞]∪[i=n→∞]A[i]
=∩[n=1→∞]∪[i=n→∞]A[i]
=limsup[n→∞]A[n]
を得る。

同様の議論でliminf[n→∞]A[n]=lim[n→∞]∩[i=n→∞]A[i]が示せる。
実際、X[n]↑と仮定すると、
liminf[n→∞]X[n]
=∪[n=1→∞]∩[i=n→∞]X[i]
=(X[1]∩X[2]∩X[3]∩・・・)∪(X[2]∩X[3]∩・・・)∪(X[3]∩・・・)∪・・・
=X[1]∪X[2]∪X[3]∪・・・ ∵X[n]↑よりX[i]=X[i]∩X[i+1]∩X[i+2]∩・・・
=∪[n=1→∞]X[n]
=∪[i=n→∞]X[i] for ∀n ∵X[n]↑
=∩[n=1→∞]∪[i=n→∞]X[i]
=limsup[n→∞]X[n]
であるので、lim[n→∞]X[n]=∪[n=1→∞]X[n]を得る。・・・(**)
ここで、集合列{∩[i=n→∞]A[i]}は単調増加なので、
(**)においてX[n]=∩[i=n→∞]A[i]とすれば、
lim[n→∞]∩[i=n→∞]A[i]
=∪[n=1→∞]∩[i=n→∞]A[i]
=liminf[n→∞]A[n]
を得る。