第八讲 一致收敛函数列的性质1
§13..2一致收敛性质.
注 由于连续性是函数的一种局部性质，因此连续函数列 {fn(x)}）在区间 I 上内闭一致收敛于 f(x)，就足以保证 f(x) 在 I 上连续。
推论 若连续函数列{fn(x)}）在区间 I 上内闭一致收敛于 f(x)，
则 f(x)在 I 上连续。
2019年5月12日星期日
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3.可积性
定理13.10 若 fn( x)
(x)
lim
n
a
n
.
即 fn ( x)
f (x)
则 lim lim x x0 n
fn ( x)
lim lim
n x x0
fn ( x)
证 (1)
证明lim n
an存在。
因为 fn( x)
f ( x) 0,N 0,
p N ,x D,都有| fn (x) fn p (x) | .
nx fn(x) 1 n2 x2
f ( x) 0, x [0,1]
但f ( x) 0在[0，1]连续、可积，且 1 f ( x)dx 0, 0
而
1
0 fn( x)dx
1 nx 0 1 n2 x2 dx
1 ln(1 n2 ) 0
1
f ( x)dx.
f ( x) lim n
fn( x0 )
f ( x0 ),
即f(x)在x0也连续。即有：
2.连续性
定理13.9 若 fn( x)
f (x) x I,
且n, f n ( x)在I连续，则f ( x)也在I上连续.
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6
定理13.9的逆否命题：
若fn(x)的极限函数f(x)在I上不连续，则
高等数学：一致收敛
2n
2
xe
n2 x 2
2(n 1) xe
2
( n 1) 2 x 2
证: 只需证明 x0 [a, b] , lim S ( x) S ( x0 ) .
由于
S ( x) S ( x0 )
x x0
[Sn ( x) rn ( x)] [Sn ( x0 ) rn ( x0 )] Sn ( x) Sn ( x0 ) rn ( x) rn ( x0 )
n 1
un ( x) 一致收敛于和函数S(x)
部分和序列 S n ( x) 一致收敛于S(x)
余项 rn ( x) 一致收敛于 0
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几何解释 : (如图)
0, N Z , 当n > N 时, S ( x) S n ( x) 表示 曲线 y S n ( x) 总位于曲线 y S ( x) 与 y S ( x)
之间.
y S ( x)
y S ( x)
y S ( x)
y S n ( x)
I
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x
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例1. 研究级数 1 1 1 ( x 1)( x 2) ( x 2)( x 3) ( x n)( x n 1)
在区间 [0, +∞) 上的收敛性. 1 1 1 解: (k 1,2,) ( x k )( x k 1) x k x k 1 1 1 1 1 S n ( x) ( )( ) x 1 x 2 x2 x3 1 1 ( ) x n x n 1 1 1 x 1 x n 1
一致收敛函数列与函数项级数的性质
1 n 1
12n
2
(2n 2n2x)dx
而
1
lim
0 n
1
1 0dx
n
fn (x)dx
1 2
0
不相等
(2) 定理的条件是充分的, 但不必要
例3 fn (x) nxenx n 1, 2,... 在区间[0,1]上讨论.
f
(x)
lim
n
fn (x)
lim nxenx
n
0
x [0,1]
但在[0,1]上, fn(x) nxenx n 1, 2,...不一致收敛. 事实上,
{ fn(x)}的每一项在[a,b]上有连续的导数, 且{ fn(x)}在[a,b]上一致收敛,
则
d dx
f
(x)
d (lim dx n
fn (x))
lim n
d dx
fn (x)
3. 可微性
定理13.10 设{ fn (x)}为定义在[a,b]上的函数列, x0 [a,b]为{ fn(x)}的收敛点,
f (x)
f (x0 )
lim lim
xx0 n
fn (x)
f (x0 )
又 lim n
fn (x0 )
f (x0 )
lim
x x0
fn (x)
fn (x0 )
lim lim
n xx0
fn (x)
f (x0 )
所以
lim lim
xx0 n
fn
(x)
lim
n
lim
x x0
fn (x)
★ 在一致收敛条件下, 关于x与n极限可以交换极限顺序
fn (x) nxenx 在[0,1]的最大值为:
13.2一致收敛函数列与函数项级数级数的性质
因为函数列 { fn } 在 [a , b]上一致收敛于 f ，所以
对任给的ε> 0 , 存在 N > 0 , 当 n > N 时，对一切
x ∈ [a , b]，
都有
| fn ( x ) － f ( x ) | < ε
b
于是当 n > N 时有
| f n ( x ) dx f ( x ) dx |
由柯西准则知数列 { an } 收敛．
设
lim a n A ,
n
x x0
下面证明： lim f ( x ) A . 因为{ fn } 一致收敛于 f ，数列 { an } 收敛于 A ， 因此对任给的ε > 0 , 存在 N > 0 , 当 n > N 时， 对任何 x ∈(a , x0 )∪(x0 , b) 有 | fn(x) – f (x) | <ε/3 和 | an – A | <ε/3 同时成立．特别取 n = N +1，有 | fN+1(x) – f (x) | <ε/3 和 | aN+1 – A | <ε/3
n
( iii ) lim f n ( a ) 不存在，
n
则{ f n ( x )} 在 ( a , b )内不一致收敛
定理 13.9（连续性） 设函数列 { fn } 在区间 I 上一致收敛于 f ，且 fn ( n = 1, 2, . . . ) 在 I 上连续， 则 f在 I 上也连续．
证 要证：对任何 x0 ∈I , lim f ( x ) f ( x 0 ) .
x x0
由定理 13.8， lim lim lim f ( x ) x x lim f n ( x ) lim x x f n ( x ) n n
数学分析课件一致收敛函数列与函数项级数的性质
对于一致收敛的函数列或函数项级数 ，在每个点的某个邻域内，函数列或 级数的每一项都是有界的。这意味着 在每个点的附近，函数列或级数的变 化范围是有限的。
性质三：局部连续性
总结词
局部连续性是指一致收敛的函数列或函 数项级数在每个点的邻域内都是连续的 。
VS
详细描述
对于一致收敛的函数列或函数项级数，在 每个点的某个邻域内，函数列或级数的每 一项都是连续的。这意味着在每个点的附 近，函数列或级数的值是平滑变化的，没 有突然的跳跃或断点。
03
一致收敛函数列与函数项 级数的应用
应用一：微积分学中的一致收敛概念
要点一
总结词
要点二
详细描述
理解一致收敛在微积分学中的重要性
一致收敛是数学分析中的一个重要概念，它描述了函数列 或函数项级数在某个区间上的收敛性质。在微积分学中， 一致收敛的概念对于研究函数的极限行为、连续性、可微 性和积分等性质至关重要。通过理解一致收敛，可以更好 地理解函数列和级数的收敛性质，从而更好地应用微积分 学中的相关定理和性质。
应用二：实数完备性的证明
总结词
利用一致收敛证明实数完备性
详细描述
实数完备性是实数理论中的重要性质，它表 明实数具有某些理想的完备性。利用一致收 敛的性质，可以证明实数完备性的一些重要 定理，如确界定理、区间套定理和闭区间套 定理等。这些定理在实数理论中起着至关重 要的作用，为实数性质的研究提供了重要的 理论支持。
05
一致收敛函数列与函数项 级数的扩展知识
扩展知识一：一致收敛的判定定理
01
柯西准则
对于任意给定的正数$varepsilon$，存在正整数$N$，使得当
$n,m>N$时，对所有的$x$，有$|f_n(x)-f_m(x)|<varepsilon$。
【一致收敛与收敛】
在数学中，一致收敛性（或称均匀收敛）是函数序列的一种收敛定义，它较逐点收敛更强，并能保持一些重要的分析性质（如连续性）。
定义：设为一集合，为一度量空间。
若对一函数序列，存在满足，对所有，存在，使得
，则称一致收敛到。
注意到，一致收敛和逐点收敛定义的区别在于，在一致收敛中仅与相关，而在逐点收敛中还与相关。
所以一致收敛必定逐点收敛，而反之则不然。
例子:
考虑区间上的函数序列，它逐点收敛到函数，
然而这并非一致收敛。
直观地想像：当愈靠近，使接近所需的便愈大。
可以依此想法循定义直接证明，也可以利用下节关于连续的性质证明，因为在此例中皆连续，而不连续。
性质：假设一致收敛到，此时有下述性质：
（1）连续性：若是集合的闭包中的一个元素，且每个都在上连续，则也在a上连续。
若对集合I的每个紧子集，每个都在上连续，则在上连续。
（2）与积分的交换：令为中的开集，或。
若每个都是黎曼
可积，则也是黎曼可积，而且。
注：在勒贝格积分的框架下能得到更广的结果。
（3）与微分的交换：令为中的开集，或。
若每个皆可微，且一致收敛到函数，则亦可微，且。
一致收敛函数列与函数项级数级数的性质.ppt
又
lim
x x0
fN1( x) aN1
,
所以存在δ > 0 , 当0 < | x – x0 | <δ时，
| fN+1(x) – aN+1 | <ε/3
这样当0 < | x – x0 | <δ时，
| f (x) A|
| f ( x) f N 1( x) | | f N 1( x) aN 1 | | aN 1 A |
? lim
x x0
n1
un ( x)
n1
lim
x x0
un
(
x)
注：对函数序列{Sn ( x)}而言，应为
? lim
x x0
lim
n
Sn
(
x
)
lim
n
lim
x x0
Sn
(
x)
2.求导运算与无限求和运算交换次序问题
? d
dx n1 un ( x)
d n1 dx un ( x)
lim lim
x x0 n
fn
(
x)
lim
n
lim
x x0
fn(x) .
这表明在一致收敛的条件下，极限可以交换顺序．
证 先证数列 { an } 收敛．因为{ fn } 一致收敛，
故对任给的ε > 0 , 存在 N > 0 , 当 n > N 时，对任何 正整数 p ，对一切 x ∈(a , x0 )∪(x0 , b) 有
| fn(x) – f n+p(x) | <ε
从而
lim
x x0
|
一致收敛性
n xD n xD
数学分析选讲
多媒体教学课件
三、函数项级数的一致收敛性判别法 定理5(维尔斯特拉斯判别法)设函数项级数un(x)定义 在数集D上, Mn为收敛的正项级数,若对一切xD,有
n 1
由f(x)的连续性,
1 1 k lim f n( x) lim f( x ) f( x t) dt. 0 n n n k 0 n n 1
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n 1
| fn ( x)
1
0
1 1 k f ( x t )dt || f ( x ) f ( x t )dt | 0 n k 0 n
n n充分大时, x 2 n 2 单调递减收敛于0.故原级数为莱布
尼兹级数.且
n 1 1 | rn ( x ) || 2 , 2 x ( n 1) n 1
故原级数一致收敛.
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例4 证明函数列
x f n ( x ) n ln(1 )( n 1, 2,) n
k 1 n k n
k | f ( x ) f ( x t ) | dt | n
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由于
k k 1 t [ , ] n n
所以
k k 1 | x ( x t ) || t | , n n n
故取n 充分大,使1/ n <,则
k | f ( x ) f ( x t ) | . n
n 1
在[a, b]上一致收敛.
数学分析选讲
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数学分析第十三章函数列与函数项级数
一致收敛函数列的性质1
第八讲
数学分析第十三章函数列与函数项级数
一致收敛函数列的性质
定理13.8（极限交换定理）
{}n f 设函数列在上一致收敛于,00(,)(,)a x x b ⋃()f x 且
对每个n , 0
lim ()n n x x f x a →=，→∞
lim n n a 则和→0
lim ()x x f x 均存在且
相等：00
lim lim ()lim lim ().
n n x x n n x x f x f x →→∞
→∞→=即
{}n a 证先证是收敛数列. 故存在正整数N , 当n >N 及对任意正整数p , 对一切00(,)(,)，x a x x b ∈⋃有|()()|.(1)
n n p f x f x ε+-<0ε>，{}n f 由于一致收敛,
对任意0
lim ()lim ,
n x x n f x a →→∞=
数学分析第十三章函数列与函数项级数
定理指出: 在一致收敛的条件下, {()}n f x 中关于独立变量x 与n 的极限可以交换次序, 即
,()(,)n f x a b 类似地若在lim ()
n x a
f x +→上一致收敛, 且存在, ++→∞→∞
→→=lim lim ()lim lim ();n n n n x a
x a
f x f x ()(,)lim (),
n n x b
f x a b f x -→若在上一致收敛,且存在--
→∞
→∞→→=lim lim ()lim lim ().n n n n x b
x b
f x f x 则有则有00
lim lim ()lim lim ().
(2)
n n x x n n x x f x f x →→∞
→∞→=
数学分析第十三章函数列与函数项级数
定理13.9（连续性）
若函数列{}n f 在区间I 上一致收敛,且每一项都连续,则其极限函数f 在I 上也连续.
证0.x I 设为上任一点于是由定理13.8 知0
lim ()x x f x →也存在, 且
0lim ()lim lim ()n x x x x n f x f x →→→∞
=0().
f x x 因此在上连续0
0lim ()(),n n x x
f x f x →=由于0
lim lim ()
n n x x f x →∞→=0lim ()
n n f x →∞
=0(),
f x =
数学分析第十三章
函数列与函数项级数
{}n
x (1,1]-例如函数列的各项在上都是连续的,其极限函数
0,11,()1,1
x f x x -<<⎧=⎨
=⎩1x =在时不连续，
{}n
x (1,1]-所以在上不一致收敛.注定理13.9可以逆过来用:但列在区间I 上其极限函数不连续, 若各项为连续函数的函数I 上一定不一致收敛.
则此函数列在区间推论
{}n f I f 若连续函数列在区间上内闭一致收敛于，f I 则在上连续.。