Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Funkts_ryady

.pdf
Скачиваний:
20
Добавлен:
21.05.2015
Размер:
275 Кб
Скачать
☆

Учебно-методическое пособие

ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ И РЯДЫ.

Мешков В.З. Половинкин И.П. Половинкина М.В. Попков А.В. Ляхов Л. Н. Шишкина Э.Л.

Утверждено научно-методическим советом факультета ПММ

__.__.201__, протокол №__.

Рецензент: _________________.

Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре математического и прикладного анализа факультета ПММ Воронежского государственного университета.

Рекомендуется для студентов 1 курса дневного отделения факультета ПММ.

Для специальностей: 010200 –

Прикладная математика и информатика,

010500 –

Механика,

010503 – Математическое обеспечение и администрирование информационных систем

2

Поточечная и равномерная сходимость функциональных последовательностей и рядов. Критерий Коши о равномерной сходимости. Необходимое условие равномерной сходимости функционального ряда.

Объектами

наших

исследований

будут

функциональные

последовательности,

то

есть

последовательности

функций

{ fn (x)},

определенных на одном и том же

множестве D, и функциональные ряды,

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

то есть ряды вида

∑un (x) , члены которых – функции un (x), определенные

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

на одном и том же множестве D.

 

 

 

 

 

Определение. Пусть функции fn (x)

(члены функционального ряда –

функции un (x)),

n=1,2,…, определены на множестве D

и пусть x0 D .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

Если числовая

последовательность { fn (x0)}

(числовой ряд

∑un (x0 ) )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

сходится, то

говорят,

функциональная

последовательность { fn (x)}

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

(функциональный ряд

∑un

(x) ) сходится в точке x0 . Если функциональная

n=1

∞

последовательность { fn (x) } (функциональный ряд ∑ un (x)) сходится в

n=1

каждой точке x D к некоторому значению f(x), то говорят, что она (он) сходится к функции f(x) поточечно на множестве D. Функцию f(x) называют предельной функцией последовательности { fn (x)} (суммой

∞

функционального ряда ∑un (x) ).

n=1

При этом используются следующие записи:

lim fn (x) = f (x), x D;

f n (x) → f (x), x D; fn (x)→ f (x).

n→∞

D

3

∞

 

 

 

∑un (x) = f (x), x D .

n=1

 

Согласно определениям предела числовой последовательности и суммы числового ряда эти записи соответственно означают, что

x D ε > 0 N0 : n > N0

 

 

fn (x) − f (x)

 

<ε -

для

функциональной

 

 

последовательности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

( x D ε > 0 N0 : n > N0

 

Sn (x) − f (x)

 

< ε,

Sn (x)

= ∑uk (x)

- для

 

 

функционального ряда).

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Отметим, что номер N0 = N0 (x,ε) в этих определениях подбирается после произвольного задания точки x D и сколь угодно малого числа ε > 0 , а поэтому зависит от х и ε.

Пример 1. Найти предельную функцию f(x) функциональной

последовательности

fn (x) = xn на множестве [0,1].

 

 

Решение. Если x [0,1) ,

то

lim xn = 0 а

если

x =1, то

lim xn =1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

n→∞

Следовательно, предельная функция имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

0,если 0

≤ x <1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x =1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,если

 

 

 

 

 

 

Пример 2. Найти предельную функцию f(x) функциональной

последовательности

fn (x) = nsin

1

 

 

на множестве

(0,+∞) .

 

 

nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Используя первый замечательный предел, который имеет

вид lim sin y =1, получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y→0

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

= lim nx sin

1

= 1 lim

sin

 

 

=

1 .

 

 

lim nsin

nx

 

 

nx

nx

1

 

 

 

n→∞

 

n→∞

 

 

x

 

x n→∞

 

 

x

 

nx

4

Таким образом, предельная функция имеет вид f (x) = 1x .

Для нахождения области сходимости функционального ряда при фиксированном значении х можно использовать необходимый признак сходимости числового ряда, признаки сходимости знакоположительных числовых рядов (признаки Даламбера, Коши, интегральный и др.) и признак Лейбница для знакочередующихся рядов.

Пример 3. Определить область сходимости (абсолютной и условной)

функционального ряда ∑∞ (−1)n 1− x n .

n=1 2n −1 1+ x

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

Исследуем

 

ряд

на

абсолютную

сходимость.

Для

этого

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

+− xx

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

рассмотрим

ряд

∑n=1

1

 

11

 

 

,

 

 

общий

 

 

 

член

которого

имеет

вид

2n −1

 

un (x) =

 

 

1

 

 

1− x

 

n

≥ 0.

При фиксированном значении х

 

 

применим признак

 

 

 

 

 

 

 

2n −1

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Даламбера сходимости знакоположительного числового ряда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim un+1(x)

= lim

 

 

1

 

 

 

 

 

1− x

 

n+1 :

1

 

 

1− x

 

n =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

un (x)

 

 

 

n→∞ 2(n +1) −1

 

1+ x

 

 

 

 

2n −1

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= lim

2n −1

 

1− x

 

=

 

1− x

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

2n +1

 

1+ x

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− x

 

Таким

образом,

для сходимости этого ряда необходимо, чтобы

 

 

< 1.

 

Решая

это неравенство,

получаем

 

 

x > 0 .

Следовательно, ряд

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сходится абсолютно при x > 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если

 

1− x

 

 

= 1,

то

x = 0

 

и un (0) =

(−1)n

 

. Получаем знакочередующийся

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1+ x

 

 

 

2n −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ряд ∑n=1

(−1)

 

. Исследуем его на сходимоть, применяя признак Лейбница:

2n −1

1.

 

1

 

 

 

>

 

 

 

 

 

1

 

 

 

=

 

1

 

 

 

для всех натуральных n, т.е. модули членов

 

2n −1

 

2(n +1) −1

2n +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

исследуемого ряда образуют убывающую последовательность;

 

 

 

 

2.

lim

1

 

 

 

 

 

= 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Все условия признака Лейбница выполнены, следовательно ряд

∞

(−1)n

 

∑n=1 2n −1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сходится (сходится неабсолютно).

5

 

 

 

 

∞

(−1)n 1

− x n

Поэтому исходный ряд

∑n=1

 

 

 

сходится абсолютно при x > 0 и

 

 

 

 

 

 

2n −1 1

+ x

условно при x = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример 4. Определить область сходимости (абсолютной и условной)

функционального ряда

∞

(−1)n

 

 

 

 

 

 

∑n=1 (x +n)p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Функции u

(x) =

 

(−1)n

 

определены при x ≠ −1, −2, −3,... Для

 

(x +n)p

 

 

n

 

 

 

 

 

исследования ряда на абсолютную сходимость используем интегральный признак. При фиксированном х имеем

1. Функция

f (y) =

 

 

1

 

 

 

 

неотрицательна. Неравенство

 

| x + y |p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

≥

 

 

1

 

 

 

 

,

y

< y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

| x + y |p

| x + y

 

|p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

справедливо только когда p>0, поэтому функция

f (y) =

1

убывает (по

| x + y |p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

переменной у) на промежутке [1, +∞) при p>0.

 

 

 

 

 

 

 

2. Интеграл

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

dy

 

 

 

 

(x + y)1−p

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x + y)p

 

 

1− p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сходится абсолютно, если p > 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, ряд

∞

 

 

(−1)n

 

сходится абсолютно при

p > 1 и x ≠ k ,

∑n=1 (x +n)p

 

k = −1,−2,...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исследуем ряд

∞

 

(−1)n

 

на условную сходимость, применяя признак

∑n=1 (x +n)p

Лейбница.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

 

 

 

 

<

 

 

 

при

p > 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x +n +1)p

(x +n)p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. lim

1

 

 

= 0 при p > 0

и x ≠ k , k = −1,−2,....

 

 

 

(x +n)

p

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

∞

(−1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следовательно, ряд

∑

 

 

 

 

сходится абсолютно

при

1 < p ,

x ≠ k ,

(x +n)

p

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k = −1,−2,... и условно при 0 < p ≤1, x ≠ k ,

k = −1,−2,−3... .

 

 

 

 

Определение.

Говорят,

 

 

 

что

функциональная последовательность

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{ fn (x)} (функциональный

ряд

∑un (x) )

равномерно

сходится

на

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

множестве D к функции f(x), если выполнено следующее условие:

 

 

ε > 0 N0 : n > N0 x D

 

 

 

fn (x) − f (x)

 

< ε

для

функциональной

 

 

 

 

последовательности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

( ε > 0 N0 : n > N0 x D

 

 

 

 

Sn (x) − f (x)

 

< ε,

Sn (x) = ∑uk (x)

-

для

 

 

 

 

 

функционального ряда).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если функциональная последовательность (функциональный ряд)

сходится равномерно на множестве D, то используют следующие записи:

fn (x)

→

 

 

 

 

 

 

fn (x)

→

 

 

 

 

→ f (x), x D;

→ f (x);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

D

 

 

 

 

 

∞

→

 

 

 

 

 

 

∞

 

→

 

 

 

 

(x), x D;

∑un (x)

 

 

 

∑un (x) → f

→ f

(x) .

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

D

 

 

 

В этом определении существенно, что номер N0 подбирается уже после задания числа ε > 0 и не зависит от точки x D .

∞

 

 

Пусть rn (x) = ∑uk (x) =

f (x) −Sn (x)

- остаток функционального

k =n+1

 

 

ряда порядка n. Тогда введенное в определении условие равномерной сходимости функционального ряда равносильно условию

7

r (x)

→0, x D. Это

 

 

соображение будет использовано нами в

n

→

 

 

 

 

 

 

дальнейшем.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

Пример 5. Доказать,

что функциональный ряд ∑ xn−1

равномерно

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

−

1

,

1

 

 

сходится на множестве

2

2

.

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Общий член ряда имеет вид un (x) = xn−1 . Ипользуя формулу суммы первых n членов геометрической прогрессии, найдем n-ю частичную сумму ряда Sn (x) и сумму ряда f(x):

Sn

f (

n

 

 

 

 

 

 

 

 

1

− x

n

 

(x) = ∑xk −1 =1+ x + x2 +...+ xn−1 =

 

,

 

1− x

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x) = lim S

n

(x) = lim

1− xn

=

 

 

1

.

 

 

 

 

 

1− x

1

− x

 

 

 

 

 

n→∞

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

Здесь мы учли, что lim x

n

 

=

0

так как

 

x

 

 

1

,

1

 

. Подставив полученные

 

 

 

−

2

2

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

результаты в определение равномерно сходящегося ряда, получим

 

 

 

 

 

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− xn

 

1

 

|

x |n

 

1

< ε ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε > 0 N0

: n > N0

x −

 

 

,

 

 

 

Sn (x) − f (x)

=

 

 

 

 

 

 

−

 

=

 

 

 

≤

 

 

2

2

 

 

1− x

1− x

|1

− x |

2

n−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

поскольку

| x |≤ 1 ,

|1− x |≥

1 .

Следовательно,

ряд

∞

 

сходится

к своей

∑ xn−1

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сумме

1

равномерно на отрезке

 

1

,

1

:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

→

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑xn →

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

1

,

1

 

 

1− x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

Пример 6. Доказать, что функциональный ряд

∑n=1

 

 

(1+(n −1)x)(1+nx)

равномерно сходится на множестве (δ, +∞),

 

 

δ > 0..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Заметив, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

un (x) = 1+(n1−1)x −1+1nx ,

найдем Sn (x) и f(x):

Sn (x) = ∑

1

− 1

=1− 1 +

 

1

 

−...+

1

−

1

=1− 1 ,

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

1+(k −1)x

 

1+kx

 

1+ x

 

1+ x

 

 

 

1+(n −1)x

 

1+nx

 

1+nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = lim 1

−

 

 

 

 

 

=1.

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

+nx

 

 

 

 

 

 

Теорема

(критерий

Коши

 

 

 

 

 

равномерной

сходимости

функциональной последовательности и функционального ряда). Для того, чтобы функциональная последовательность

∞

{ fn (x)}(функциональный ряд ∑un (x) ) равномерно сходилась (сходился) на

n=1

множестве D, необходимо и достаточно, чтобы выполнялось следующее условие Коши:

- для функциональной последовательности

ε > 0 N0 : n > N0 p Ν x D fn+p (x) − fn (x) < ε ;

- для функционального ряда

n+p

ε > 0 N0 n > N0 p Ν x D ∑uk (x) < ε.

k=n+1

Доказательство. Докажем сначала теорему для функциональной последовательности.

Необходимость. Пусть fn (x) →→

f (x), x D . Тогда по определению

равномерной сходимости ε > 0 N0 : n > N0

x D

 

fn (x) − f (x)

 

<

ε .

 

 

 

 

 

 

 

 

2

9

Поскольку при

 

n > N0,

p Ν также справедливо и

неравенство

n + p > N0 , то будет выполняться и неравенство

 

fn+p (x) − f (x)

 

 

< ε .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

Отсюда при n > N0, p Ν получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fn+p (x) − fn (x)

 

=

 

fn+p (x) − f (x) + f (x) − fn (x)

 

≤

 

 

 

 

 

 

 

 

 

≤

 

fn+p (x) − f (x)

 

+

 

fn (x) − f (x)

 

< ε

+ ε =ε,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

2

 

 

 

 

 

то есть выполняется условие Коши.

 

 

 

 

 

 

 

Достаточность. Пусть выполнено условие Коши. Тогда для каждой

точки

x0 D

 

числовая

 

 

 

последовательность

{ fn (x0)}

является

фундаментальной, а значит, согласно критерию Коши сходимости числовой последовательности, сходится. Поэтому функциональная последовательность { fn (x)} по крайней мере поточечно сходится к некоторой функции f(x) на множестве D. Докажем, что на самом деле эта сходимость является равномерной на множестве D. Запишем условие Коши в виде

ε > 0 N0 : n ≥ N0

p Ν x D

 

fn+p (x) − fn (x)

 

<

ε .

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Перейдем в этом неравенстве при каждом фиксированном номере n ≥ N0 и каждой фиксированной точке x D к пределу при p → ∞. Учитывая, что

lim fn+p (x) = f (x), по теореме

о переходе к пределу

в неравенствах

p→∞

 

 

 

 

 

 

 

получим:

 

 

 

 

 

 

 

ε > 0 N0 : n ≥ N0

x D

 

fn (x) − f (x)

 

≤

ε

< ε .

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

Это и означает равномерную сходимость последовательности { fn (x)} к функции f(x) на множестве D.

10

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]