实分析

14.2 逐点收敛和一致收敛

定义

  1. (14.2.1 逐点收敛)(f(n))n=1是从度量空间(X,dX)到另一个度量空间(Y,dY)的函数序列,并设f:XY是一个函数。如果对所有的xX都有

    limnf(n)(x)=f(x)

    也即

    limndY(f(n)(x),f(x))=0

    那么我们称(f(n))n=1X上逐点收敛于f。也就是说对每一个x和任意的ε>0,都存在一个N>0使得对所有的n>N都有dY(f(n)(x),f(x))<ε。我们称函数f为函数序列f(n)逐点极限

    (注:事实上在这里我们并没有用到X是一个度量空间的前提,对逐点收敛的定义而言只需要X是一个纯粹的集合就行了,但是当我们考察XY上的连续函数时我们需要用到X上的度量,或者至少需要一个拓扑结构;由命题12.1.20可以得到一个函数序列最多有一个逐点极限;逐点收敛时一个相当自然的概念,但是它的缺陷很多,例如它不能保持连续性,导数运算,极限运算和积分运算,具体的例子可以参考原书例14.2.4到例14.2.6)

  2. (14.2.7 一致收敛)(f(n))n=1是从度量空间(X,dX)到另一个度量空间(Y,dY)的函数序列,并设f:XY是一个函数。如果对于任意的ε>0,存在一个N>0使得对所有的nN和所有的xX都有dY(f(n)(x),f(x))<ε,那么我们称(f(n))n=1X上一致收敛于f,并把函数f称为函数序列f(n)一致极限

    (注:一致收敛与逐点收敛的最大区别在于逐点收敛的N依赖于εx的选取,而一致收敛的N只与ε的选取相关,这表明f(n)一致收敛于f关于x一致的;很显然一致收敛的函数序列都是逐点收敛的,但是反过来就不一定;最后,无论是一致收敛还是逐点收敛,函数序列f(n)的收敛性都会继承到限制函数序列f(n)|E上)


课后习题

14.2.1 本题的目的是阐述连续性和逐点收敛之间的具体联系,以及一致连续性和一致收敛性之间的具体联系。设f:RR是一个函数。对于任意的aR,设fa:RR是平移函数fa(x):=f(xa)
(a) 证明:f是连续的,当且仅当只要(an)n=0是收敛于0的实数序列,平移函数序列fan就逐点收敛于f

分别证明充分必要性:

f是连续的,则对任意ε>0与任意的x0R,存在一个δ>0使得对任意xR满足|xx0|<δ都有|f(x)f(x0)|<ε。又因为(an)n=0是收敛于0的实数序列,因此存在一个N0使得对任意nN都有|an|<δ。从而我们可以组合这些结论得到:对任意ε>0与任意的x0R,存在一个N0使得对所有的nN都有:

|x0(x0an)|<δ|f(x0)f(x0an)|<ε

也就是|f(x0)fan(x0)|<ε。于是根据定义14.2.1即有平移函数序列fan逐点收敛于f

反过来,若对任意(an)n=0是收敛于0的实数序列都有平移函数序列fan逐点收敛于f。我们使用反证法,假设f不是连续的,那么存在某个x0R使得存在某个ε>0,对任意δ>0都存在xR满足|xx0|<δ|f(x)f(x0)|ε

于是考虑任意的自然数n,我们使用选择公理指定一个anR满足|(x0an)x0|<1n|f(x0an)f(x0)|ε(事实上这一步应该先找到一个bn,然后令有an:=x0bn,这里省略了)。显然(an)n=0是一个收敛于0的序列,然后注意到根据比较原理,对x0我们有:

limn|fan(x0)f(x0)|=limn|f(x0an)f(x0)|ε>0

这和逐点收敛的要求矛盾(逐点收敛要求limn|fan(x0)f(x0)|=0),因此反证假设不成立,只能有f是连续的。

综上,于是结论得证。

(b) 证明:f是一致连续的,当且仅当只要(an)n=0是收敛于0的实数序列,平移函数序列fan就一致收敛于f

分别证明充分必要性:

f是一致连续的,则对任意ε>0,存在一个δ>0使得对任意xxR满足|xx|<δ都有|f(x)f(x)|<ε。又因为(an)n=0是收敛于0的实数序列,因此存在一个N0使得对任意nN都有|an|<δ。从而我们可以组合这些结论得到:对任意ε>0,存在一个N0使得对所有的nNxR都有:

|x(xan)|<δ|f(x)f(xan)|<ε

也就是|f(x)fan(x)|<ε。于是根据定义14.2.1即有平移函数序列fan一致收敛于f

反过来,若对任意(an)n=0是收敛于0的实数序列都有平移函数序列fan一致收敛于f。我们使用反证法,假设f不是一致连续的,那么存在某个ε>0,对任意δ>0存在一对xxR满足|xx|<δ|f(x)f(x)|ε

于是考虑任意的自然数n,我们使用选择公理可以为每一个n指定一个xnxn满足|xnxn|<1n(为了下文讨论方便,这里我们不失一般性地假设xn<xn)与|f(xn)f(xn)|ε,然后令有an:=xnxn。由于对任意自然数n都有|an|<1n因此显然有序列(an)n=0是一个收敛于0的序列。但是对ε,考虑任意的N0,根据上面的叙述都有存在xNR使得

|faN(xN)f(xN)|=|f(xN)f(xN)|ε

这和一致收敛的要求矛盾(一致收敛要求至少存在一个N0使得对任意nN都有|faN(xN)f(xN)|<ε),因此反证假设不成立,只能有f是一致连续的。

综上,于是结论得证。

14.2.2 本题中我们讨论一致收敛于逐点收敛的关系与一些逐点收敛但不一致收敛的例子
(a) 设(f(n))n=1是从度量空间(X,dX)到另一个度量空间(Y,dY)的函数序列,并设f:XY是一个函数。证明:如果f(n)一致收敛于f,那么f(n)也逐点收敛于f

根据一致收敛的定义,于是对于任意的ε>0,存在一个N>0使得对所有的nN和所有的xX都有dY(f(n)(x),f(x))<ε。虽然N不依赖于x,但是也可以改写为对于任意的ε>0xX,都存在N>0使得对任意的nNdY(f(n)(x),f(x))<ε。于是根据定义14.2.1即有f(n)逐点收敛于f

(b) 对于每一个整数n1,设f(n):(1,1)R为函数f(n)(x):=xn。证明:f(n)逐点收敛于零函数0,但不一致收敛于任何函数f:(1,1)R

对任意的x(1,1),根据命题6.5.2我们知道有limnxn=0成立,因此根据定义14.2.1可以直接得到f(n)逐点收敛于零函数0

然后我们不妨使用反证法,假设f(n)一致收敛于某个函数f,于是根据定义14.2.7对任意的ε>0都存在N1使得对任意的nN与任意的x(1,1)都有:

|xnf(x)|ε

我们特别考虑ε0.1是一个很小的数。由于N是给定的,并且考虑到xN是一个连续函数,因此根据介值定理(考虑将xN的定义域扩展到[1,1]来寻找c,这里只是为了证明存在性,不需要真的扩大定义域)必然存在一个c[0,1]使得cN=1/2[0,1],特别地必然有c1,从而c属于(1,1)(也就是f(N)的定义域)。从而我们有:

|cNf(c)|εcN=1/2ε0.1f(c)>120.1=0.4

然后考虑函数f(3N),由于3NN于是我们也$$可以套用上面的结论,结合指数运算的法则即有:

|c3Nf(c)|εc3N=1/8ε0.1f(c)<18+0.1=0.225

由于垂线测试因此函数值应该是唯一的,不可能出现同时有f(c)<0.225f(c)>0.4的实数。于是导出了矛盾,反证假设不成立,f(n)不可能一致收敛于某个函数f

(c) 设g:(1,1)R是函数g(x):=x1x。保持(b)中的记号,证明:当N时,部分和序列n=1Nf(n)在开区间(1,1)上逐点收敛于g,但不一致收敛于g(提示:利用引理7.3.3。如果把开区间(1,1)换成闭区间[1,1],情况又如何

考虑到无限级数的定义因此引理7.3.3表明对任意的x(1,1)都有极限:

limNn=1Nf(n)(x)=11x1=x1x

于是根据定义14.2.1即有部分和序列n=1Nf(n)在开区间(1,1)上逐点收敛于g。然后考虑证明部分和序列n=1Nf(n)在开区间(1,1)上不是一致收敛于g的。

注意到有:

N>0,x(1,1),g(x)n=1Nf(n)(x)=x1xxxN+11x=xN+11x

然后我们不妨使用反证法,假设f(n)一致收敛于g,于是根据定义14.2.7对任意的ε>0都存在N1使得对任意的nN与任意的x(1,1)都有:

|xN+11x|ε

我们特别考虑ε0.1是一个很小的数。然后类似我们在(b)中使用介值定理的方法我们能找到一个c(0,1)使得cN+1=12,然后由于c(0,1)于是必然有|cN+11c|>12>ε。于是导出了矛盾,从而反证假设不成立,只能有f(n)不可能一致收敛于g

把开区间改成闭区间f(n)依然不一致收敛于g,但是同时f(n)也不逐点收敛于g了,因为在x=1处我们有:

limNn=1Nf(n)(1)=limN(1)N1212

显然是发散的,这和逐点收敛的定义相悖。

14.2.3 设(X,dX)是一个度量空间。对于每一个整数n1,设fn:XR是一个实值函数。设fnX上逐点收敛于另一个函数f:XR,并设h:RR是一个连续函数。证明:函数序列hfnX上逐点收敛于hf

由于fnX上逐点收敛于另一个函数f,因此根据定义14.2.1,对任意的xX我们有:

limnfn(x)=f(x)

也即实数序列(fn(x))n=1依标准度量收敛于f(x)。然后由于h是一个连续函数,因此根据命题13.1.4(b)我们有序列(h(fn(x)))n=1收敛于f(x),转化为复合函数的形式即有极限:

limnhfn(x)=hf(x)

由于这个极限对任意的xX都成立,因此根据定义14.2.1即有函数序列hfnX上逐点收敛于hf

14.2.4 设fn:XY是从度量空间(X,dX)到另一个度量空间(Y,dY)的函数序列的有界函数序列。设fn一致收敛于函数f:XY,并设f是一个有界函数,即在Y中存在一个球B(Y,dY)(y0,R)使得对所有的xX都有f(x)B(Y,dY)(y0,R)。证明:函数序列fn一致有界的。也就是说,在Y中存在一个球B(Y,dY)(y0,R)使得对所有的xX和所有的正整数n都有fn(x)B(Y,dY)(y0,R)(关于函数有界性的概念在下一节会提到)

根据一致收敛的定义,存在一个N1使得使得对任意对任意nN与任意xX都有dY(fn(x),f(x))<1。然后由于f是有界函数,因此存在一个Y中的度量球B(Y,dY)(y0,r0)使得对任意xX都有f(x)B(Y,dY)(y0,r0)。然后我们考虑任意的nN与任意的xX,根据度量空间的三角不等式有:

dY(fn(x),y0)d(fn(x),f(x))+dY(f(x),y0)<r0+1

然后对任意正整数n<N,由于fn是有界函数于是存在度量球B(Y,dY)(yn,rn)使得对任意xX都有f(x)B(Y,dY)(yn,rn)。于是对任意n<N与任意xX,根据度量空间的三角不等式有:

dY(fn(x),y0)d(fn(x),yn)+dY(yn,y0)<rn+dY(yn,y0)

又因为只有有限个正整数n满足n<N(准确点说就是N1个),于是定义下面的集合:

R:={r0+1}{rn+dY(yn,y0):1n<N}

显然这是个基数为N的集合,于是它应该存在一个最大元素max(R),我们记有r:=max(R)。从而我们可以将上面的结论总结有:对任意的正整数n与任意的xX,我们有:

dY(fn(x),y0){d(fn(x),yn)+dY(yn,y0)<rn+dY(yn,y0)ifn<Nd(fn(x),f(x))+dY(f(x),y0)<r0+1ifnN}r

即对任意的正整数n与任意的xX,都有fn(x)B(Y,dY)(y0,r)。于是即有函数序列fn是一致连续的,结论得证。


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实分析 12.1 定义和例子

实分析 14.3 一致收敛性与连续性