第十章 函数项级数

本章包含函数项级数相关的重要定理。

§1 函数序列的一致收敛性

定义 函数序列的逐点收敛

设函数序列 在区间 上有定义。如果对每个固定的 ,数列 收敛,则称 逐点收敛(或点态收敛)。其极限函数记为

例子:定义 函数序列的逐点收敛 — 例子

定义 函数序列的一致收敛

设函数序列 在区间 逐点收敛f(x)$$f(x)。如果对于任意给定的 ,存在正整数 ,使得当 时,对一切 ,都成立

则称 一致收敛

例子:定义 函数序列的一致收敛 — 例子

定义 函数项级数

是定义在区间 上的函数序列,则称

函数项级数。称 为其部分和函数

例子:定义 函数项级数 — 例子

定义 函数项级数的一致收敛

如果函数项级数 的部分和函数序列 在区间 一致收敛,则称该函数项级数在 一致收敛

例子:定义 函数项级数的一致收敛 — 例子

定义 幂级数

形如

的函数项级数称为幂级数 称为幂级数的系数

例子:定义 幂级数 — 例子

定义 幂级数的收敛半径

设幂级数 处既有收敛点又有发散点,则必存在正数 ,使得级数在 绝对收敛,在 发散 称为幂级数的收敛半径 称为收敛区间

例子:定义 幂级数的收敛半径 — 例子

定义 Taylor级数

设函数 处有任意阶导数,则称幂级数

处的 Taylor级数。当 时,称为 Maclaurin级数

例子:定义 Taylor级数 — 例子

定理 一致收敛的ε-N定义

定理陈述:设函数序列 在集合 点态收敛,则 一致收敛 的充分必要条件是:对任意 ,存在 ,使得对一切 ,有

证明

核心想法:这就是一致收敛的定义,只需要验证定义等价性。

第1步:回顾定义。 上一致收敛于 是指:对任意 ,存在 (只依赖 ,不依赖 ),使得对一切 和一切

第2步:这恰好就是定理所陈述的条件。所以定理只是将一致收敛的定义重新表述为充分必要条件的形式。

第3步:对比点态收敛点态收敛允许 依赖 (即 ),而一致收敛要求 只依赖 (即 ),对一切 同时成立。

证毕

例子:定理 一致收敛的ε-N定义 — 例子

定理 一致收敛的序列刻画

定理陈述:设函数序列 在集合 点态收敛,则 一致收敛 的充分必要条件是:对任意数列 ,成立

证明

核心想法一致收敛意味着 。如果存在某个 使 不趋于零,则上确界不趋于零,不一致收敛。

第1步(必要性):设 一致收敛。则对任意 ,存在 ,当 时,对一切

特别地,对任意数列 ,当 。所以

第2步(充分性):设对任意

用反证法。假设不一致收敛,则存在 ,对任意 ,存在 使得

第3步:取 ,得 ;取 ,得 ;……构造数列 使得

第4步:补充定义其余位置()的 中任意元素。则数列 ,但 不趋于零,与假设矛盾。

所以 一致收敛

证毕

例子:定理 一致收敛的序列刻画 — 例子

§2 函数项级数的一致收敛性

定理 函数项级数一致收敛的Cauchy收敛原理

定理陈述:函数项级数 一致收敛的充分必要条件是:对于任意给定的 ,存在正整数 ,使得对一切 ,有

证明

核心想法:级数一致收敛等价于部分和函数序列一致收敛,对部分和序列用一致收敛的ε-N定义

第1步:设 为部分和。级数一致收敛等价于 一致收敛

第2步(必要性):设 一致收敛。由定理10.1.1,对任意 ,存在 ,当 时对一切

时:

第3步(充分性):设Cauchy条件成立。对每个固定的 满足数项级数的Cauchy条件(定理9.4.1),所以点态收敛。设极限函数为

在Cauchy条件中令 (对 和一切 )。所以一致收敛

证毕

例子:定理 函数项级数一致收敛的Cauchy收敛原理 — 例子

定理 Weierstrass判别法

定理陈述:设函数项级数 的每一项 满足 ,若正项级数 收敛,则函数项级数在 一致收敛

证明

核心想法,右端与 无关,由 收敛的Cauchy条件即可控制。

第1步:对任意

第2步:因为 收敛,由Cauchy收敛原理,对任意 ,存在 ,当

第3步:因此 对一切 成立。

第4步:由定理10.2.1一致收敛

证毕

例子:定理 Weierstrass判别法 — 例子

定理 Abel-Dirichlet判别法

定理陈述:设函数项级数 满足如下两个条件之一,则在 上一致收敛:

  1. Abel判别法 一致收敛, 单调一致有界
  2. Dirichlet判别法 的部分和一致有界, 单调一致趋于零

证明

核心想法:与数项级数的Abel-Dirichlet判别法(定理9.4.3)思路相同,用Abel求和公式 + Cauchy收敛原理,只是现在要保证估计对一切 一致成立。

Abel判别法的证明

第1步:设 一致收敛(一致有界),对每个固定 关于 单调。

第2步:由Cauchy收敛原理,对任意 ,存在 ,当 时,对一切

第3步:由Abel求和公式(同定理9.4.3的证明),对每个

其中

第4步:因为 一致收敛 一致有界。又 单调,

第5步:取绝对值并利用第2步的估计,可得 一致小于 为常数),由Cauchy收敛原理一致收敛

Dirichlet判别法的证明

第1步:设 (一致有界), 单调且 (一致趋于零)。

第2步:由Abel求和公式,同定理9.4.3的Dirichlet部分:

第3步:因为 ,对任意 ,存在 ,当 对一切 成立。

所以 一致成立,由Cauchy收敛原理一致收敛

证毕

例子:定理 Abel-Dirichlet判别法 — 例子

定理 连续性定理

定理陈述:设函数序列 的每一项 连续,且在 一致收敛,则 上也连续

证明

核心想法,三项分别用一致收敛连续性控制。

第1步:对任意 ,由一致收敛,存在 使得对一切

第2步:因为 连续,存在 ,当 时:

第3步:当 时:

所以 连续

证毕

意义一致收敛将每个 连续性”传递”给极限函数 点态收敛则不行,例如 上点态收敛于不连续函数

例子:定理 连续性定理 — 例子

定理 逐项积分定理

定理陈述:设函数序列 的每一项 连续,且在 一致收敛,则 可积,且:

证明

核心想法,一致收敛保证上确界趋于零。

第1步:由定理10.2.4 连续,所以在 可积

第2步:对任意 ,由一致收敛,存在 ,当 时对一切

第3步:当 时:

所以

证毕

例子:定理 逐项积分定理 — 例子

定理 逐项求导定理

定理陈述:设函数序列 满足:

  1. 每一项 上有连续导数
  2. 点态收敛
  3. 导函数序列 一致收敛

可导,且

证明

核心想法:先对导函数序列用逐项积分定理,再验证 是导函数的积分。

第1步:设 一致收敛)。由定理10.2.4 连续

第2步:由Newton-Leibniz公式

第3步:对积分用逐项积分定理

第4步:令

第5步:因为 连续,由定理7.3.1 可导导数。所以:

证毕

注意:条件3(导函数一致收敛)是关键。仅有 不能保证 ,例如 ,但 收敛

例子:定理 逐项求导定理 — 例子

定理 Dini定理

定理陈述:设函数序列 在闭区间 点态收敛,如果:

  1. 每一项 连续
  2. 连续
  3. 对每个固定的 单调

一致收敛

证明

核心想法:用反证法。如果不一致收敛,存在 使得 。由Bolzano-Weierstrass定理收敛子列,在极限点处利用连续性和单调性推出矛盾。

第1步:不妨设 关于 递减趋于 (递增时取负号即可)。则 且关于 递减趋于零。

第2步:假设不一致收敛。则存在 ,对任意 ,存在 使得

第3步:取 ,得到 。由Bolzano-Weierstrass定理,存在收敛子列

第4步:对任意固定的 ,当 时,由单调性

第5步:令 ,由 连续性

第6步:这对一切 成立,即 对一切 。但 ,矛盾!

所以 一致收敛

证毕

例子:定理 Dini定理 — 例子

§3 幂级数

定理 Cauchy-Hadamard定理

定理陈述:幂级数 绝对收敛;当 发散

证明

核心想法:设 ,用Cauchy判别法判断收敛性

第1步:令 (约定 )。

第2步 的情形):取 使得 。则 ,所以存在 ,当 ,即

于是 。因为 收敛,由比较判别法 收敛,即绝对收敛

第3步 的情形):,所以存在子列 ,即 。通项不趋于零, 发散

证毕

例子:定理 Cauchy-Hadamard定理 — 例子

定理 d’Alembert判别法

定理陈述:如果对幂级数 成立 ,则收敛半径

证明

核心想法:用d’Alembert判别法判断 收敛性

第1步

第2步:由d’Alembert判别法

  • ,即 ,级数绝对收敛
  • ,即 ,级数发散

第3步:所以收敛半径

证毕

例子:定理 d’Alembert判别法 — 例子

定理 Abel第二定理

定理陈述:设幂级数 的收敛半径为 ,则和函数在 上连续;若在端点收敛,则在端点单侧连续。

证明

核心想法:幂级数在 时内闭一致收敛(即在任何 )上一致收敛),由连续性定理连续性。端点处用Abel判别法

第1步(内部连续性):对任意 满足 ,在 。因为 收敛,由Weierstrass判别法一致收敛

连续性定理,和函数在 连续。由 的任意性,和函数在 连续

第2步(端点连续性):设级数在 收敛。令 ),则

收敛(假设), 关于 递减且 (一致有界),由Abel判别法一致收敛

连续性定理,和函数在 处左连续,即

端点类似。

证毕

例子:定理 Abel第二定理 — 例子

定理 幂级数的连续性

定理陈述:设 的收敛半径为 ,则和函数在 上连续。

证明

这是Abel第二定理(定理10.3.3)的前半部分,证明完全相同。

证毕

例子:定理 幂级数的连续性 — 例子

定理 幂级数的逐项积分

定理陈述:设 是幂级数 收敛域中任意二点,则可以逐项积分。

证明

核心想法:幂级数在收敛域内闭一致收敛,由逐项积分定理即可。

第1步:设 。取 使得 ,则 一致收敛定理10.3.3证明中的论证)。

第2步:由逐项积分定理

第3步:若端点 (或 )在收敛域中,由Abel第二定理的证明,级数在 (或 )上一致收敛,同样可以逐项积分。

证毕

例子:定理 幂级数的逐项积分 — 例子

定理 幂级数的逐项求导

定理陈述:设 的收敛半径为 ,则它在 上可以逐项求导。

证明

核心想法:逐项求导后的级数 与原级数有相同的收敛半径,在 内闭一致收敛,由逐项求导定理即可。

第1步:逐项求导后的级数为

第2步:证明这个级数的收敛半径也是 。由Cauchy-Hadamard定理

(因为 。)所以收敛半径仍为

第3步:对任意 一致收敛Weierstrass判别法,同定理10.3.3的论证)。

第4步:原级数在 点态收敛(显然),导函数级数在 一致收敛,由逐项求导定理,和函数在 可导且可逐项求导。由 的任意性,在 上可逐项求导。

证毕

例子:定理 幂级数的逐项求导 — 例子

§4 Taylor级数

定理 Taylor级数展开

定理陈述:设 上任意阶可导,则 能展开为Taylor级数的充分必要条件是余项趋于零。

证明

核心想法Taylor公式), 能展开为Taylor级数等价于 ,即

第1步:由带Lagrange余项的Taylor公式

其中 介于 之间。

第2步(必要性):若 ,则部分和 ,所以

第3步(充分性):若 ,则 ,即Taylor级数收敛

证毕

注意:即使 任意阶可导Taylor级数也不一定收敛。经典反例:,在 处所有导数为零,Taylor级数恒为零,不等于 时)。

例子:定理 Taylor级数展开 — 例子

§5 用多项式逼近连续函数

定理 Weierstrass第一逼近定理

定理陈述:设 是闭区间 上的连续函数,则对任意给定的 ,存在多项式 ,使得 对一切 成立。

证明

核心想法:用Bernstein多项式 逼近 。这是概率论中二项分布的期望,当 很大时,二项分布集中在均值附近,所以 接近

不妨设 (通过线性变换可化到一般区间)。

第1步:定义Bernstein多项式

第2步:注意 (二项式定理),所以:

第3步:由 连续 一致连续(Cantor定理)。对任意 ,存在 ,当

第4步:将求和分成两部分:

第5步,所以

第6步。设 ,则 。利用Chebyshev不等式的思想:

第7步:计算 (二项分布的方差)。

第8步:所以 。取 ,则

第9步 对一切 成立。

证毕

意义:Weierstrass逼近定理表明,闭区间上的连续函数可以用多项式一致逼近到任意精度。这是数值分析和逼近论的基础定理之一。

例子:定理 Weierstrass第一逼近定理 — 例子

相关链接

来源引用

  • [数学分析 陈纪修 第三版 下](raw/数学分析 陈纪修 第三版 下/full.md)