实分析

14.7 一致收敛和导数

摘录

  1. (一致连续保持导数,吗?)在前面几节中我们已经了解到一致收敛能够很好地保持连续性,极限以及积分,因此很自然地我们会设想一致连续是否也能保持导数,具体来说即:如果fn一致收敛于f,并且fn都是可微的,那么这是否意味着:

    1. f也是可微的。
    2. fn也收敛于f

    ​ 但是对于第二个想法,很遗憾,答案是否定的。这里给出一个反例:考虑定义为fn(x):=n1/2sin(nx)的函数fn:[0,2π]R,并且设f:[0,2π]R是零函数f(x):=0。显然我们可以计算有d(fn,f)=n1/2显然是收敛于0的,于是我们可以知道fn是一致收敛于f的。但是注意到fn(x)=n1/2cos(nx),于是d(fn,f)|fn(0)f(0)|=n1/2显然fn不是一致收敛于f的。于是我们很遗憾的得到了

    ddxlimnfn(x)limnddxfn(x)

    ​ 而对第一个想法,很遗憾,答案还是否定的。依旧给出一个反例:考虑定义为fn(x):=1n2+x2的函数fn:[1,1]R的序列。这个序列中的函数都是可微的。并且不难检验对任意x[1,1]都有|x|fn(x)|x|+1n,于是根据夹逼定理显然可以得到fn一致收敛于绝对值函数|x|,但是|x|0处不可微。

    ​ 虽然上面的两个想法都非常遗憾的不能成立,但是我们仍然能够找到在某些条件下一致收敛与导数之间的关系。例如,在导函数序列fn一致收敛的前提下,如果给出原函数序列fn在某点的逐点收敛性,那么我们就可以给出fn的一致收敛性,并且此情景下成立第二个想法。

  2. (魏尔斯特拉斯级数)在这里我们给出一个连续但不可微的函数例子来破灭对可微与连续等价的幻想,这个特别的例子是由魏尔斯特拉斯发现的。在这个例子中,我们预先假设已经具备了三角函数的相关知识。考虑函数f:RR

    f(x):=n=14ncos(32nπx)

    根据魏尔斯特拉斯M判别法,我们知道该级数是一致收敛的;因为每一个函数4ncos(32nπx)都是连续的,因此f也是连续的;但是f是不可微的(参见习题15.7.10,事实上f是在定义域上处处不可微的。


命题

  1. (14.7.1)[a,b]是一个区间。对于任意的整数n1,设fn:[a,b]R是一个可微函数,并且其导函数fn:[a,b]R是连续的。如果导函数序列fn一致收敛于函数g:[a,b]R,并且存在一点x0使得极限limnfn(x0)存在,那么函数序列fn一致收敛于某个可微函数f,并且f的导函数是g

    (注:这个定理表明:如果fn是一致收敛的,并且在某个x0fn(x0)收敛(也就是说fnx0处逐点收敛),那么fn也是一致收敛的,并且有ddxlimnfn(x)=limnddxfn(x);并且事实上,其实不假定fn是连续函数时这个结论依然成立,这点参考习题14.7.2)

    推论:

    1. (14.7.3)[a,b]是一个区间。对于任意的整数n1,设fn:[a,b]R是一个可微函数,并且其导函数fn:[a,b]R是连续的。如果级数n=1fn是绝对收敛的,并且存在一点x0使得极限n=1fn(x0)收敛,那么级数n=1fn[a,b]上一致收敛于某个可微函数,并且对于所有的x[a,b],实际上都有:ddxn=1fn(x)=n=1ddxfn(x)

课后习题

14.7.1 跟着原书的证明过程,补全定理14.7.1剩下的证明。把这个定理与例12.2.10进行比较,解释为什么这个例子不和定理矛盾

注释:我真的不知道例12.2.10是哪个...原书12.2.10是一个命题...


在原书中我们已经定义了函数f:[a,b]R

f(x):=L[a,x0]g+[a,x]g

然后我们来证明fn一致收敛于ff的导数是g

对任意的ε>0,由于fn是一致收敛于g的,因此存在一个N>0使得对任意nN1都有d(fn,g)<ε3(ba)。于是即:

x[a,b],|fn(x)g(x)|<ε3(ba)

然后由于L=limnfn(x0),于是存在某个N2>0使得对任意nN2都有|fn(x0)L|<ε/3。于是取N:=max(N1,N2),对任意xX与任意nN,使用微积分第二基本定理可以计算有:

|f(x)fn(x)|=|L[a,x0]g+[a,x]g(fn(x)fn(a)+fn(a)fn(x0)+fn(x0))|=|L[a,x0]g+[a,x]g([a,x]fn[a,x0]fn+fn(x0))||Lfn(x0)|+|[a,x]g[a,x]fn|+|[a,x0]g[a,x0]fn||Lfn(x0)|+[a,x]|gfn|+[a,x0]|gfn|<ε3+ε3(ba)(xa)+ε3(ba)(x0a)ε

于是综合即有:对任意的ε>0都存在N>0,对任意nN与任意x[a,b]都有|f(x)fn(x)|<ε。于是根据一致收敛的定义即有fn[a,b]上一致收敛于f

对于证明f的导数是g,注意到由于fn一致收敛于gfn都是连续的,于是根据命题14.3.2我们知道g也是连续的。然后根据微积分第一基本定理和g的连续性我们可以直接得到f的导数是g

综上,于是证明完毕。

14.7.2 不假设fn是连续函数,证明定理14.7.1(提示:于是我们无法使用微积分基本定理,但是仍可以使用平均值定理(推论10.2.9)。利用该定理证明若supxX|fn(x)fm(x)|ε,则对所有的x[a,b]都有|(fn(x)fm(x))(fn(x0)fm(x0))|ε|xx0|。然后利用这个结论完成定理14.7.1的证明)

勘误:因为没有办法确认导函数的有界性,因此d(fn,fm)ε应该改为supxX|fn(x)fm(x)|ε(尽管这实际上是个没那么容易发觉的错误,笔者还是看了陶本人的博客才知道的)


我们先证明提示里面的辅助结论:

结论:对任意的ε>0,存在N>0使得对任意的ijN都有|(fi(x)fj(x))(fi(x0)fj(x0))|ε|xx0|对全部x[a,b]成立。

证明:

由于fn是一致收敛于g的,因此对任意的ε>0,存在N>0使得对任意的nNx[a,b]都有|fn(x)g(x)|<ε/2,从而对任意的ijN根据三角不等式我们有|fi(x)fj(x)||fi(x)g(x)|+|g(x)fj(x)|<ε对全部x[a,b]都成立,也即有supxX|fi(x)fj(x)|ε

于是考虑任意的ε>0,我们知道存在N>0使得对任意ijN与任意的x[a,b]|fi(x)fj(x)|<ε。于是考虑函数fifj,根据题设我们知道fifj是在[a,b]上的可微函数并且其导函数为fifj。然后根据平均值定理,我们有:

  1. 若有x>x0

    则此时存在ξ(x0,x)(也即有ξ[a,b])有:

    (fifj)(x)(fifj)(x0)xx0=fi(ξ)fj(ξ)(fi(x)fj(x))(fi(x0)fj(x0))=(fi(ξ)fj(ξ))(xx0)
  2. 若有x<x0

    则此时存在ξ(x,x0)(也即有ξ[a,b])有:

    (fifj)(x)(fifj)(x0)xx0=fi(ξ)fj(ξ)(fi(x)fj(x))(fi(x0)fj(x0))=(fi(ξ)fj(ξ))(xx0)

然后注意到由于ij>N有对任意的x[a,b]|fi(x)fj(x)|<ε,于是我们可以对任意的x[a,b]\{x0}作下面的推断:

|(fi(x)fj(x))(fi(x0)fj(x0))|=|fi(ξ)fj(ξ)||xx0|ε|xx0|

并且注意到还可以验证对x=x0时有:

|(fi(x)fj(x))(fi(x0)fj(x0))|=0ε|xx0|

于是即对任意的x[a,b]都有|(fi(x)fj(x))(fi(x0)fj(x0))|ε|xx0|

然后下面开始正式的证明。


先证明存在函数f使得fn一致收敛于f

考虑任意的ε>0。一方面,由于极限limnfn(x0)存在,因此根据命题12.4.7有(fn(x0))n=1R中的柯西序列,于是存在N1>0使得对任意ijN1都有|fi(x0)fj(x0)|<ε/2;另一方面,根据辅助结论存在N2>0使得对任意ijN2与任意的x[a,b]都有|(fi(x)fj(x))(fi(x0)fj(x0))|ε|xx0|2(ba)ε/2。于是令N:=max(N1,N2),然后对任意的x[a,b]与任意的ijN可以计算有:

x[a,b],|fi(x)fj(x)||(fi(x0)fj(x0))(fi(x)fj(x))|+|fi(x0)fj(x0)|<ε2+ε2=ε

于是ε是集合{|fi(x)fj(x)|:x[a,b]}的一个上界,即有d(fi,fj)=supx[a,b]|fi(x)fj(x)|<ε。从而总结上面的讨论有:

对任意ε>0,存在N>0使得对任意ijN都有d(fi,fj)<ε

于是上面我们证明了(fn)n=1是一个柯西序列,注意到由于fnn1)都是有界连续函数,因此(fn)n=1C([a,b]R)中的一个柯西序列,然后根据C([a,b]R)的完备性(命题14.4.5)我们可以得到必然存在某个有界连续的函数f使得(fn)n=1L度量收敛于f,也即fn一致收敛于f

然后我们证明f是可微的并且f的导函数就是g

注意到辅助结论的证明事实上只依赖于在x0处的逐点收敛性,而由于fn一致收敛于f因此fn在任意c[a,b]处都逐点收敛于f,从而辅助结论中将x0替换为任意的c[a,b]都是成立的。然后考虑任意的c[a,b],我们尝试证明下面的结论:

结论:对任意的ε>0,存在N>0使得对任意的nN都有|(fn(x)f(x))(fn(c)f(c))|ε|xc|对全部x[a,b]成立。

证明:

根据辅助结论我们知道存在N>0使得任意nmN都有|(fn(x)f(x))(fn(c)f(c))|ε|xc|对任意x[a,b]成立;又因为fn一致收敛于f,因此对任意的δ>0,总是存在一个Mδ>0使得对任意m>Mδ都有d(fm,f)<δ,也即对任意的x[a,b]都有|fm(x)f(x)|<δ为真。

于是考虑任意的nN,对任意的δ>0我们设m:=N+Mδ,显然m同时大于NMδ。此时根据三角不等式有:

|(fn(x)f(x))(fn(c)f(c))||(fn(x)fm(x))(fn(c)fm(c))|+|fm(x)f(x)|+|fm(c)f(c)|<ε|xc|+2δ

注意到δ是任意选取的任意小正实数,因此从上面的结论我们可以引申得到:

|(fn(x)f(x))(fn(c)f(c))|ε|xc|

也就是我们希望证明的结论。

然后我们定义从[a,b]\{c}R的函数F(x):=f(x)f(c)xc,并对任意的n>0定义Fn(x):=fn(x)fn(c)xc。根据上面证明的结论对任意的ε>0,存在N>0使得对任意x[a,b]\{c}与任意nN有:

|(fn(x)f(x))(fn(c)f(c))|ε|xc||f(x)f(c)xcfn(x)fn(c)xc|ε

也即|F(x)Fn(x)|ε,从而根据一致收敛的定义我们可以得到Fn一致收敛于F。注意到对任意的n>0,极限

limxc;x[a,b]\{c}Fn(x)=limxc;x[a,b]\{c}fn(x)fn(c)xc=fn(c)

存在,此时根据命题14.3.3我们有:

limnlimxc;x[a,b]\{c}Fn(x)=limxc;x[a,b]\{c}limnFn(x)

然后化简有:

limxc;x[a,b]\{c}limnFn(x)=limxc;x[a,b]\{c}F(x)=limxc;x[a,b]\{c}f(x)f(c)xc=f(c)limnlimxc;x[a,b]\{c}Fn(x)=limnfn(c)=g(c)

于是根据导数定义即对任意的c[a,b]都有fc处可微并且f(c)=g(c)f的导函数是g。从而我们证明了f是可微的并且f的导函数是g

综上,于是我们证明了即使不假定fn是连续函数定理14.7.1依旧成立。

14.7.3 证明推论14.7.3

根据魏尔斯特拉斯M判别法,由级数n=1fn是收敛的我们可以得到无限级数n=1fn一致收敛于某个函数f的。特别地,根据导数的运算法则(命题10.1.13(c))与题设(对于任意的整数n1fn是一个可微函数)我们可以归纳得到对任意的N1都有部分和n=1Nfn是可微的并且它的导函数为n=1Nfn,然后根据命题9.4.9与题设(对于任意的整数n1fn是一个连续函数)我们可以归纳得到n=1Nfn还是连续的。于是我们此时注意到题设表明有:

对任意的N1都有部分和n=1Nfn都是在[a,b]上可微的,并且它的导函数n=1Nfn是在[a,b]上连续的;此外部分和序列n=1Nfn是在[a,b]上一致收敛某个函数f的;并且有存在某个一点x0使得极限limN(n=1Nfn)(x0)收敛。

于是根据定理14.7.1,我们知道存在某个可微函数F使得部分和序列n=1Nfn[a,b]上一致收敛于F(即n=1fn=F),并且F的导函数是f,于是即有:

ddxF=fddxn=1fn=n=1fn=n=1ddxfn

也即对任意的x[a,b]都有:

ddxn=1fn(x)=n=1ddxfn(x)

于是推论14.7.3得证。


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实分析 11.9 微积分的两个基本定理