MA.7.2 函数项级数

一、函数项级数

逐点收敛

{un(x)}(xE) 为函数列, 称

n=1un(x)=u1(x)+u2(x)++un(x)+

函数项级数. 若 n=1un(x0) 收敛, 则称 x0收敛点, 否则称之为发散点, 收敛点的全体 I 称为收敛域.

xI:xS(x)=n=1un(x)

此时称 n=1un(x)I逐点收敛 (点态收敛) 于和函数 S(x).

若称 Sn(x)=k=1nuk(x)n=1un(x) 部分和函数, 则

S(x)=n=1un(x)limnSn(x)=S(x)(xI)
Example

例1 讨论 n=0xn 的收敛性.

Analysis

x 看成给定的 => 几何级数

Solution

n=1=1+x+x2++xn=11x(|x|<1)

问题

和函数 S(x) 能否保持 un(x) 的 “连续性、可导性、可积性”等分析性质?

不一定

Example

例21+n=1(xnxn1) 的和函数并考察其连续性.

 部分和: Sn(x)=1+k=1n(xkxk1)=1+(xn1)=xn

限制区间在 [0,1]

n{0,0<x<11x=1= def S(x)C[0,1]x=1 不连续 

un(x)=xnxn+1C[0,1]

Example

例3{r1,r2,r3,}[0,1] 上的有理数全体, 令

un(x)={1,x=rn,0, 其他 ,(x[0,1])

n=1un(x) 的和函数并考察其在 [0,1] 上可积性.

Solution

x[0.1]x=0un(x)={0,xQc1,xQR[0.1]

x=rk 代入 un(x) 时, 有且只有一项 =1 Eg. x=r10u10(r10)=0

Ur(x)R[0,1]

Example

例4Sn(x)=2n2xen2x2,(nN,x[0,1])
考察其极限函数的积分及其积分的极限.

Solution

Sn(x)=2n2xen2x2n0x[0,1]01S(x)dx=0012n2xen3x2=en2x2|01=1en2n1

结论 limn012n2xen2x2dx01(limn2n2xen2xdx)

Example

例5Sn(x)=sinnxn
考察其极限函数的导数及其导数的极限.

Solution

Sn(x)=sinnxxn0= def S(x)D(R)Sn(x)=ncosnxnx=kπ+π2x=kπ+π2n

n 变化

没有 x 使 nx=π2

n 时,无极限

结论

fn(x)If(x) i.e. xI, ε>0, N(ε, x)缺乏一致性Nn>N:|fn(x)f(x)|<ε

n 时刻,同学们和座位的距离小于 ε

某个时刻之后都:在教室里

点态收敛:能找到一个时刻大家都到教室里

能否有统一的时刻?只要最后一个人来了

但随着人数增加(n)不一定有统一的时间

点态收敛 一致收敛

二、一致收敛性

一致收敛

定义 2

{fn(x)} 为函数列, 若存在 f(x) 使

ε>0,N=N(ε)N,n>N,xI:|fn(x)f(x)|<ε

则称 {fn(x)}I一致收敛f(x), 记为

fn(x)If(x)

函数级数一致收敛性由 {Sn(x)} 一致收敛性定义

fn(x)If(x), 则 fn(x)If(x), 反之不然.

定理 (确界极限)

Theorem

fn(x)If(x)limnsupxI|fxI(x)f(x)|=0

Proof

已知: ε>0,NN,n>N,xI

有: |fn(x)f(x)|<ε

supxI|fn(x)f(x)|anε0anεlimnan=0

i.e. limnsupxI|fn(x)f(x)|ε

已知: ε>0,NN,n>N

supxI|fn(x)f(x)|<ε

εI

|fn(x)f(x)|supxI|fn(x)f(x)|<ε
Example

例6 讨论函数列 fn(x)=1x+n[0,1] 上的一致收敛性.

Solution

fn(x)=1x+n[0,1]0,|fn(x)0|=1x+n 故 supx[0,1]1x+n=1nn0fn(x)[0,1]0
Example

例7 考察 1+n=1(xnxn1)[0,1] 上的一致收敛性.

Proof

由前已求 Sn(x)=xn{0,0x<11,x=1=detS(x)

|Sn(x)S(x)|={xn,0x<10,x=1

可画图
../res/Pasted image 20231228092728.png|200

supx[0,1]|Sn(x)S(x)|=10

原函数在 [0.1] 上非一致收敛

定理(Cauchy 一致收敛准则)

Cauchy一致收敛准则

{fn(x)}I 上一致收敛

ε>0,NN,n>N,pN,xI:|fn+p(x)fn(x)|<ε

Proof

fn(x)If(x), 则 ε>0,NN,n>N,xI

|fn(x)f(x)|<ε2

pN,n+p>N|fn+p(x)f(x)|<ε2

|fn+p(x)fn(x)||fn+p(x)f(x)|+|f(x)fn(x)|<ε2+ε2=ε

已知: ε>0,NN,n>N,pN,xI

|fn+p(x)fn(x)|<ε

固定的 xI ,由数列 Cauchy: fn(x) 收敛
可设 limnfn(x)=deff(x)

此时令 p:|f(x)fn(x)|<ε
即: f(x)If(x)

思考

n=1un(x)I 上一致收敛的Cauchy准则?

|Sn+p(x)Sn(x)|=|k=n+1n+puk(x)|<ε
推论(必要条件)

n=1un(x)I 上一致收敛, 则有

un(x)I0
命题

un(x)C[a,+),n=1un(x)(a,+) 内一致收敛
n=1un(a), 收敛, 且 n=1un(x)[a,+) 上一致收敛

Solution

由 Cauchy: ε>0,NN,n>N,pN,x(a,+) :

|k=n+1n+puk(x)|<ε2<ε|k=n+1n+puk(a)|=limxa+|k=n+1n+puk(x)|ε2<ε

由数项级数 un(a) 收敛的Cauchy
知: n=1un(a) 收敛且 a[a,+) i.e. a[a,+)

|n=1un(x)|<ε

即: n=1un(x)[a,+) U.C.

推论

un(x)C[a,+), 又 n=1un(a) 发散, 则 n=1un(x)(a,+) 上不一致收敛.

Example

例8 证明函数项级数 n=2lnnnx(1,+) 上收敛, 但不一致收敛.

p(1,x) 使 l=0

limnn2lnnnx=limnlnnnxpxp 为正数 =0(l=0)

由p-判: n=1lnnnx 收敛

由于 lnnnxC[1,+) 且当 x=1
n=1lnnn, 发散 (lnnn>1n(n3))

由Co. n=2lnnnx(1,+) 非U.C

Example

例9 讨论 n=1nenx(0,+) 上的一致收敛性.

Analysis

x=0 发散

Weierstrass 判别法

定理(Weierstrass)

xI|un(x)|an (n), 且 n=1an 收敛,

n=1un(x)I 上一致收敛.

优(控制)级数: n=1an anun
寻找优级数: 常放大

Analysis

Cauchy 一致收敛 + 放缩寻找优级数

Proof

由于 n=1an 收敛, ε>0NN,n>NpN, 有

|k=n+1n+puk(x)|k=n+1n+p|uk(x)|k=n+1n+pak<ε
Example

例10α>1, 证明 n=1cosnxnα(,+) 上一致收敛.

Proof

cosnxnα1nα 且 n=11nα 收敛 (xR) 由W-判: n=1cosnxnα 在 R 上U.C. 

定理(A-D判别法)

Theorem

{un(x)},{vn(x)} 满足下列两组条件之一

(Abel)

  • xE,{vn(x)} 单调, 且在 E 上一致有界, (关于 n )
  • n=1un(x)E 上一致收敛;

(Dirichlet)

  • xE,{vn(x)} 单调, 且在 E 上一致趋于 0 ,
  • n=1un(x){Sn(x)}E 上一致有界.

n=1un(x)vn(x)E 上一致收敛.

vn(x) 一致有界

|vn(x)|<M(nN, xE)

Analysis

|k=n+1n+pUk(x)Vk(x)|?(|Vn+1(x)|+2|Un+p(x)|)

其中 |Ak(x)|=|i=1kUn+i(x)|? 一致收敛, 可出 ε=ε3M

Proof (Abel)

n=1un(x) 在 E上u.c. ε>0,NN,
n>N,kN,xE, 有

|Ak(x)|=|i=n+1n+kui(x)|ε3M

从而 pN, 由 Abel Lemma:

|k=n+1n+puk(x)Vk(x)|=ε3M(|Vn+1(x)|+2|Un+p(x)|)ε3M3M=ε
Example

例11δ>0, 证明 n=1sinnxn[δ,π] 上一致收敛.

Proof

Vn(x)=1n ,则 Vn(x)(δ,π)0 ,且 {Vn(x)} 关于n单调

Sn(x)=k=1nsinkx=12sinx2k=1n2sinkxsinx2=12sinx2k=1n(cos(k12)xcos(k+12)x)=cosx2cos(n+12)x2sinx2

x[δ,π]|sin(x)|12sinx212sinδ2 一致有界  D. 判  U.C.

Example

例12n=1an 收敛, 证明 n=1annx[0,+) 上一致收敛.

Solution

 令 Vn(x)=1nxUn(x)=an 则 x[0,+){un(x)} 关于n单减 且 01nx1 即 {un(x)} 一致有界  又 n=1an 收敛,通项不含 x 一致收敛 

由 Abel Lemma: 原级数U.C.

三、一致收敛级数的性质

定理 (连续性)

连续性

un(x)C(I), 且 n=1un(x) 一致收敛S(x), 则 S(x)C(I).

Tips

=> 三分ε

Analysis

固定 x0I ,令 Sn(x)=k=1nUk(x)

 即 Sn(x)IS(x)

连续的定义

|S(x)S(x0)|<ε 差分 (三分) |S(x)S(x0)||SN(x)S(x)|+|SN(x)S(x0)||SN(x)S(x)|+SN(x)SN(x0)un(x)CSNCxx0ε3+|SN(x0)S(x0)|

Proof

由条件 Sn(x)IS(x)ε>0,NN,xI

|SN(x)S(x)|<ε3|SN(x)S(x0)|<ε3

SN(x)x0 连续,对上述 ε>0δ(ε)>0|xx0|<δ, 有

|SN(x)SN(x0)|<ε3

从而 |S(x)S(x0)|<<ε3+ε3+ε3=ε

特别地,若 I 为开区间,则可以找到一个闭子区间 [α, β] 使得在该区间上一致收敛,即:一致收敛可减弱为内闭一致收敛

弱形式: 内闭一致收敛

弱形式: 内闭一致收敛

n=1un(x)I 的任意闭子区间一致收敛,则称 n=1un(x)I 内闭一致收敛

反例:

Example

例7 考察 1+n=1(xnxn1)[0,1] 上的一致收敛性.

Example

例7.5 若改为 [0,1) ,则非一致收敛,但为内闭一致收敛

Proof

已知 Sn(x)=xn00x<1
[a,b]<[0,1)b<1, 从而

supx[a,b]|Sn(x)0|=supx[a,b]xn=bnn0

Sn(x)[a,b]0,(b 固定) 内闭U.C.
Sn(x)[0,1) 上确界为 1 非U.C.

Example

例13S(x)=n=1nenx, 证明 S(x)C(0,+)

Proof

(2) [a,b]c(0,+)a>0 , 当 x[a,b] 时.

0<un(x)=nenx=nenxnena

n=1nena 收敛(根值: limnnnea=1ea<1 )
w 判 nenx[a,b] 上 U.C. =>即 (0,+) 内闭U.C.
 连续性 S(x)C(0,+)

Example

例14 证明 ζ(x)=n=11nx(1,+) 内连续.

取1时发散
(1) un(x)=1nxC(1,)
(2) [a,b][1,+)a>1x[a,b] 0<un(x)=1nx1na, 且 n=11na 收敛
W n=11nx[a,b] 上U.C. , 即在 (1,+) 内闭U.C.
 连续 S(x)C(1,+)

定理 (逐项可积性)

逐项可积性

un(x)C[a,b], 且 n=1un(x)[a,b] 上一致收敛 S(x), 则

abS(x)dx=ab(n=1un(x))dx=n=1abun(x)dx

Analysis

 令 Sn(x)=k=1n(x) 则 Sn(x)=k=1nuk(x). 则 Sn(x)[a,b]S(x)

即证 limx0abSn(x)dx=ahS(x)dx

Proof
由条件 ε>0,NN,n>N,x[a,b], 有

|Sn(x)S(x)|<εba

abSn(x)dxabS(x)dxSn(x)c=|ab(Sn(x)S(x))dx|=ab|Sn(x)S(x)|dx<εba(ba)=ε

由于 ahSn(x)dx=abk=1nuk(x)dx= 积分线性性 k=1nabuk(x)dx
limnabsn(x)dx=k=1abun(x)dx

据连续性定理: SC[a,b], 从而 SR[a,b]

条件 “ unC[a,b] ” 可减弱为 “ unR[a,b]
(证明较难)

Example

例15f(x)=n=1cosnxn2, 求 0πf(x)dx

Analysis

W-判:发散

Solution

15:
(1) cosnxn2C[0,π]
(2) x[0,π]|cosnx|n21n2n=11n2 收敛
wn=1cosnxn2[0,π] U.C.

0πf(x)dx=0πn=1cosnxn2dx=n=10πcosnxn2dx=n=11n20πcosnxdx=n=11n2(sinnxn)|0π=n=10=0

定理 (逐项可微性)

逐项可微性

n=1un(x) 满足

  1. n=1un(x)=S(x);
  2. un(x)C[a,b];
  3. n=1un(x) (导数级数)在 [a,b] 上一致收敛.

SC[a,b], 且

S(x)=(n=1un(x))=n=1un(x)

Analysis

Sn(x)=(k=1nuk(x))=k=1nuk(x)

条件(3)变为:

{Sn(x)} 在 [a,b]U.C.

归一法: 证明和函数唯一
Sn(x)[a,b]f(x) (必有和函数) (=n=1un(x))
下证: f(x)=S(x) 即可

Proof

固定 x[a,b],un(t)c[a,x] (2)
n=1un(t)[a,x] U.c.... (s)
由可积性,两边积分

axf(t)dt=n=1axun(t)=n=1[un(x)un(a)]=S(x)S(a)(1)

由于f连续: 两边求导:

f(x)=S(x)
Example

例16 证明 ζ(x)=n=11nx(1,+) 内有连续的导数.

Solution
(1) x(1,+)n=11nx 收敛 (=ζ(x))
(2) (1nx)=lnnnxc(1,+)
(3)
弱形式:x[a,b]

|lnnnx|=lnnnx<lnnna

(p-判) 取 p(1,a), 则

limnnplnnna=limnlnnnap=0

由p-判: n=1lnnna 收敛
由W-判: n=1lnnnx[a,b]U.C.

即在 (1,+) 内闭 U.C.
从而 S(x)C(1,+)

S(x)=n=1lnnnx(x(1,+))

命题 (无穷远处连续性)

无穷远处连续性

Sn(x)[a,+)S(x), 又

limx+Sn(x)=SnlimnSn=S, 则有 limx+S(x)=S, 即

limx+limnSn(x)=limnlimx+Sn(x)
推论

n=1un(x)[a,+) 上一致收敛于 S(x), 又

limx+un(x)=un, 且 n=1un=S, 则有 limx+S(x)=S, 即

limx+n=1un(x)=n=1[limx+un(x)]=n=1un
Example

例17f(x)=n=1xncosnπx(1+2x)n, 求 limx+f(x)