0%

函数列与函数项级数

  • 函数列与函数项级数一致收敛的判别
  1. 试总结函数列一致收敛的判别方法。

  2. 试总结函数项级数一致收敛的判别方法。

  3. S(x)S(x)[0,1][0,1]上连续,且S(1)=0S(1)=0,证明:{xnS(x)}\{x^nS(x)\}[0,1][0,1]上一致收敛.

  4. 判断以下函数项级数是否一致收敛?

    a. n=1n=sinxsinnxn\sum\limits_{n=1}^{n=\infty}\dfrac{\sin x\sin nx}{\sqrt{n}}

    b. n=0n=x2(1+x2)n\sum\limits_{n=0}^{n=\infty}\dfrac{x^2}{(1+x^2)^n}

  1. 试总结函数列敛散性的判别方法。

a.(定义)

我们称函数列 {fn(x)}\{f_n(x)\}DD 上一致收敛于 f(x)f(x) ,如果ϵ>0,N,n>N\forall\epsilon>0,\exists N,\forall n>N, 对一切 xDx\in D ,都有 fn(x)f(x)<ϵ.|f_n(x)-f(x)|<\epsilon.

NOTE: 一致收敛记作 fn(x)f(x)(n),xD.f_n(x)\rightrightarrows f(x)(n\to\infty),x\in D.

b. (函数列的柯西准则)

fn(x)f(x),xDf_n(x)\rightrightarrows f(x),x\in D的充分必要条件是

ϵ>0,N>0,n,m>N,对一切xD,都有fn(x)fm(x)<ϵ.\forall\epsilon>0,\exists N>0,\forall n,m>N,\text{对一切}x\in D\text{,都有}\left|f_n(x)-f_m(x)\right|<\epsilon.

c. (函数列一致收敛的确界极限)

fn(x)f(x),xDf_n(x)\rightrightarrows f(x),x\in D的充分必要条件是

limnsupxDfn(x)f(x)=0.\lim\limits_{n\to\infty}\sup\limits_{x\in D}|f_n(x)-f(x)|=0.

d. (函数列一致收敛的狄尼定理)

设连续函数列 Sn(x)|S_n(x)|[a,b][a,b] 收敛于S(x)S(x).

若(i) S(x) 在[a,b] 上连续;(ii) x[a,b]\forall x\in[a,b](固定),Sn(x)|S_n(x)| 关于 nn 单调,

{Sn(x)}\left\{S_n(x)\right\}[a,b][a,b]上一致收敛于S(x).S(x).

(2) 试总结函数项级数一致收敛的判别方法;

a.(函数项级数的柯西收敛准则)

函数项级数 n=1un(x)\sum\limits_{n=1}^{\infty} u_n(x)DD 上一致收玫的充分必要条件是: 对于任意给定的 ε>0\varepsilon>0, 存在正整数 N=N(ε)N=N(\varepsilon), 使

un+1(x)+un+2(x)++um(x)<ε\left|u_{n+1}(x)+u_{n+2}(x)+\cdots+u_m(x)\right|<\varepsilon

利用柯西收敛准则可以证明Weierstrass判别法

b. (Weierstrass判别法) (魏尔斯特拉斯判别法)

设函数项级数 n=1un(x)(xD)\sum\limits_{n=1}^{\infty} u_n(x)(x \in D) 的每一项 un(x)u_n(x) 满足

un(x)an,xD,\left|u_n(x)\right| \leqslant a_n, \quad x \in D,

并且数项级数 n=1an\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n 收敛, 则 n=1un(x)\sum\limits_{n=1}^{\infty} u_n(x)DD 上一致收敛.
由于对一切 xDx \in D 和正整数 m>nm>n, 有

un+1(x)+un+2(x)++um(x)\left|u_{n+1}(x)+u_{n+2}(x)+\cdots+u_m(x)\right|

un+1(x)+un+2(x)++um(x)\leqslant\left|u_{n+1}(x)\right|+\left|u_{n+2}(x)\right|+\cdots+\left|u_m(x)\right|

an+1+an+2++am\leqslant a_{n+1}+a_{n+2}+\cdots+a_m \text {, }

由a. 和数项级数的 Cauchy 收敛原理, 即得到 n=1un(x)\sum\limits_{n=1}^{\infty} u_n(x)DD 上一致收敛.

c. (函数项级数的A-D判别法)

设函数项级数 n=1an(x)bn(x)(xD)\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n(x) b_n(x)(x \in D) 满足如下两个条件之一, 则 n=1an(x)bn(x)\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n(x) b_n(x)DD 上一致收敛.

NO1. (Abel 判别法) 函数序列 {an(x)}\left\{a_n(x)\right\} 对每一固定的 xDx \in D 关于 nn 是单调的,且 {an(x)}\left\{a_n(x)\right\}DD 上一致有界:

an(x)M,xD,nN+;\left|a_n(x)\right| \leqslant M, \quad x \in D, \quad n \in \mathbf{N}^{+} ;

同时, 函数项级数 n=1bn(x)\sum\limits_{n=1}^{\infty} b_n(x)DD 上一致收玫.
No2. (Dirichlet 判别法) 函数序列 {an(x)}\left\{a_n(x)\right\} 对每一固定的 xDx \in D 关于 nn 是单调 的, 且 {an(x)}\left\{a_n(x)\right\}DD 上一致收敛于 0 ; 同时, 函数项级数 n=1bn(x)\sum_{n=1}^{\infty} b_n(x) 的部分和序列在 DD 上 一致有界:

k=1nbk(x)M,xD,nN+.\left|\sum_{k=1}^n b_k(x)\right| \leqslant M, \quad x \in D, \quad n \in \mathbf{N}^{+} .

  1. S(x)S(x)[0,1][0,1]上连续,且S(1)=0S(1)=0,证明:{xnS(x)}\{x^nS(x)\}[0,1][0,1]上一致收敛.

思路 利用函数列一致收敛的定义来证明,本题只需证明对任意的x[0,1]x\in[0,1], 有xnS(x)<ε|x^nS(x)|<\varepsilon.(nn\rightarrow\infty)

S(x)S(x)[0,1][0,1]上连续\Longrightarrow S(x)有界S(x)有界

S(1)=0xnS(x)<εS(1)=0\Longrightarrow |x^nS(x)|<\varepsilon.(x(1δ,1],nx\in(1-\delta,1], n\rightarrow\infty)$

x[0,1δ]x\in[0,1-\delta]时,xn0(n)x^n\rightarrow 0(n\rightarrow \infty)

ε>0,N,n>N\forall \varepsilon>0,\exists N, n>N时,xn<εM|x^n|<\dfrac{\varepsilon}{M}

所以当x[0,1δ]x\in[0,1-\delta]时,xnS(x)<ε|x^nS(x)|<\varepsilon

综上,对任意的x[0,1]x\in[0,1], 有xnS(x)<ε|x^nS(x)|<\varepsilon.(nn\rightarrow\infty).

  1. 判断以下函数项级数是否一致收敛

a. n=1n=sinxsinnxn\sum\limits_{n=1}^{n=\infty}\dfrac{\sin x\sin nx}{\sqrt{n}}

b. n=0n=x2(1+x2)n\sum\limits_{n=0}^{n=\infty}\dfrac{x^2}{(1+x^2)^n}

(2) a. 设 an(x)=1n,bn(x)=sinxsinnxa_n(x)=\frac{1}{\sqrt{n}}, b_n(x)=\sin x \sin n x, 由于 an(x)a_n(x)xx 无关且单调趋于零, 所以 {an(x)}\left\{a_n(x)\right\} 对固定的 x(,+)x \in(-\infty,+\infty) 关于 nn 是单调的, 且在 (,+)(-\infty,+\infty) 上一致收玫于 零, 同时

k=1nbk(x)=cosx2k=1n2sinx2sinkx=cosx2cos(n+12)xcosx22,\left|\sum_{k=1}^n b_k(x)\right|=\left|\cos \frac{x}{2} \sum_{k=1}^n 2 \sin \frac{x}{2} \sin k x\right|=\left|\cos \frac{x}{2}\right| \cdot\left|\cos \left(n+\frac{1}{2}\right) x-\cos \frac{x}{2}\right| \leqslant 2,

由 Dirichlet 判别法, n=1sinxsinnxn\sum\limits_{n=1}^{\infty} \dfrac{\sin x \sin n x}{\sqrt{n}}(,+)(-\infty,+\infty) 上一致收敛.
b. 设 un(x)=x2(1+x2)nu_n(x)=\dfrac{x^2}{\left(1+x^2\right)^n}, 取 ε0=1e2>0\varepsilon_0=\frac{1}{\mathrm{e}^2}>0, 对任意的正整数 NN, 取 m=2n(n>N)m=2 n(n>N)xn=1n(,+)x_n=\dfrac{1}{\sqrt{n}} \in(-\infty,+\infty), 则

k=n+1muk(xn)=xn2(1+xn2)n+1+xn2(1+xn2)n+2++xn2(1+xn2)2n>nxn2(1+xn2)2n>1e2=ε0,\sum_{k=n+1}^m u_k\left(x_n\right)=\frac{x_n^2}{\left(1+x_n^2\right)^{n+1}}+\frac{x_n^2}{\left(1+x_n^2\right)^{n+2}}+\cdots+\frac{x_n^2}{\left(1+x_n^2\right)^{2 n}}>\frac{n x_n^2}{\left(1+x_n^2\right)^{2 n}}>\frac{1}{\mathrm{e}^2}=\varepsilon_0,

所以 n=0x2(1+x2)n\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{x^2}{\left(1+x^2\right)^n} 不满足一致收敛的 Cauchy 收敛原理的条件, 由此可知 n=0x2(1+x2)n\sum\limits_{n=0}^{\infty} \frac{x^2}{\left(1+x^2\right)^n}(,+)(-\infty,+\infty) 上非一致收敛.