(1) 试总结函数项级数一致收敛的判别方法;
(2) 判断以下函数项级数是否一致收敛
a. n=1∑n=∞nsinxsinnx
b. n=0∑n=∞(1+x2)nx2
解 (1) a.(函数项级数的柯西收敛准则)
函数项级数 n=1∑∞un(x) 在 D 上一致收玫的充分必要条件是: 对于任意给定的 ε>0, 存在正整数 N=N(ε), 使
∣un+1(x)+un+2(x)+⋯+um(x)∣<ε
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=1∞un(x)(x∈D) 的每一项 un(x) 满足
∣un(x)∣⩽an,x∈D,
并且数项级数 ∑n=1∞an 收敛, 则 ∑n=1∞un(x) 在 D 上一致收敛.
证 由于对一切 x∈D 和正整数 m>n, 有
∣un+1(x)+un+2(x)+⋯+um(x)∣
⩽∣un+1(x)∣+∣un+2(x)∣+⋯+∣um(x)∣
⩽an+1+an+2+⋯+am,
由a. 和数项级数的 Cauchy 收敛原理, 即得到 ∑n=1∞un(x) 在 D 上一致收敛.
c. (函数项级数的A-D判别法)
设函数项级数 ∑n=1∞an(x)bn(x)(x∈D) 满足如下两个条件之一, 则 ∑n=1∞an(x)bn(x) 在 D 上一致收敛.
NO1. (Abel 判别法) 函数序列 {an(x)} 对每一固定的 x∈D 关于 n 是单调的,且 {an(x)} 在 D 上一致有界:
∣an(x)∣⩽M,x∈D,n∈N+;
同时, 函数项级数 ∑n=1∞bn(x) 在 D 上一致收玫.
No2. (Dirichlet 判别法) 函数序列 {an(x)} 对每一固定的 x∈D 关于 n 是单调 的, 且 {an(x)} 在 D 上一致收敛于 0 ; 同时, 函数项级数 ∑n=1∞bn(x) 的部分和序列在 D 上 一致有界:
∣∣∣∣∣∣k=1∑nbk(x)∣∣∣∣∣∣⩽M,x∈D,n∈N+.
(2) 判断以下函数项级数是否一致收敛
a. n=1∑n=∞nsinxsinnx
b. n=0∑n=∞(1+x2)nx2
(2) a. 设 an(x)=n1,bn(x)=sinxsinnx, 由于 an(x) 与 x 无关且单调趋于零, 所以 {an(x)} 对固定的 x∈(−∞,+∞) 关于 n 是单调的, 且在 (−∞,+∞) 上一致收玫于 零, 同时
∣∣∣∣∣∣k=1∑nbk(x)∣∣∣∣∣∣=∣∣∣∣∣∣cos2xk=1∑n2sin2xsinkx∣∣∣∣∣∣=∣∣∣∣cos2x∣∣∣∣⋅∣∣∣∣∣cos(n+21)x−cos2x∣∣∣∣∣⩽2,
由 Dirichlet 判别法, n=1∑∞nsinxsinnx 在 (−∞,+∞) 上一致收敛.
b. 设 un(x)=(1+x2)nx2, 取 ε0=e21>0, 对任意的正整数 N, 取 m=2n(n>N) 与 xn=n1∈(−∞,+∞), 则
k=n+1∑muk(xn)=(1+xn2)n+1xn2+(1+xn2)n+2xn2+⋯+(1+xn2)2nxn2>(1+xn2)2nnxn2>e21=ε0,
所以 n=0∑∞(1+x2)nx2 不满足一致收敛的 Cauchy 收敛原理的条件, 由此可知 n=0∑∞(1+x2)nx2 在 (−∞,+∞) 上非一致收敛.