实分析

15.1 形式幂级数 ​

定义 ​

  1. (15.1.1 形式幂级数)设a是一个实数,任何形如

    ∑n=0∞cn(x−a)n

    的级数都可以称为以a为中心的形式幂级数。其中c0,c1,...是与x无关的实数序列,我们称cn是级数的第n个系数,级数中每一项cn(x−a)n都是关于实变量x的函数。

    (注:说这些幂级数是形式的是因为还没有具体给出级数收敛在哪些x(这是在说什么?))

  2. (15.1.3 收敛半径)设∑n=0∞cn(x−a)n是一个形式幂级数,则该级数的收敛半径R定义为:

    R:=1lim supn→∞|cn|1/n

    并且在计算收敛半径时我们额外约定10=+∞与1+∞=0。


命题 ​

  1. (15.1.6)设∑n=0∞cn(x−a)n是一个形式幂级数,并且设R是该级数的收敛半径,那么有:

    1. (在收敛半径外发散)如果x∈R满足|x−a|>R,那么对于这个x值,级数∑n=0∞cn(x−a)n是发散的。
    2. (在收敛半径内收敛)如果x∈R满足|x−a|<R,那么对于这个x值,级数∑n=0∞cn(x−a)n是绝对收敛的。

    如果我们假定R>0(也就是说幂级数∑n=0∞cn(x−a)n至少在除a以外的一点处收敛),然后我们设f:(a−R,a+R)→R定义为f(x):=∑n=0∞cn(x−a)n,那么有下面的三条结论成立:

    1. (在收敛半径内收敛)对于任意的0<r<R,级数∑n=0∞cn(x−a)n在紧致区间[a−r,a+r]上一致收敛于f,

    2. (幂级数的微分)函数f是在(a−R,a+R)上可微的。对任意的0<r<R,级数∑n=1∞ncn(x−a)n−1在区间[a−r,a+r]上一致收敛于f′。

    3. (幂级数的积分)对任意一个包含在(a−R,a+R)内的闭区间[y,z],有

      ∫[y,z]f=∑n=0∞cn(z−a)n+1−(y−a)n+1n+1

    (注:定理15.1.6的(a)和(b)也给出了一个求收敛半径的方法,即通过审敛法先判断收敛范围,再根据得到的收敛范围获取收敛半径;对|x−a|=R的情况,幂级数的收敛性是不确定的,收敛或发散都是有可能的;最后,定理15.1.6并没有说明幂级数∑n=0∞cn(x−a)n是在区间(a−R,a+R)上一致收敛的,事实上,这个定理只保证了幂级数∑n=0∞cn(x−a)n是在区间(a−R,a+R)上逐点收敛)


课后习题 ​

15.1.1 证明定理15.1.6(提示:对(a)和(b)使用根值判别法(定理7.5.1);对(c)使用魏尔斯特拉斯M判别法(定理14.5.7);对(d)使用定理14.7.1;对(e)使用推论14.6.2) ​

在证明前我们需要证明一些辅助结论:

结论1:对任意的实数集合E,设c是正实数,并设L+:=sup(E)与L−:=inf(E)。那么我们有

sup{c⋅e:e∈E}=c⋅L+inf{c⋅e:e∈E}=c⋅L−

证明:

我们只证明上确界的结论,对下确界的讨论是类似且显然的。对任意的e∈E,根据上确界的定义我们有e≤L+,由于c是正数因此也有c⋅e≤c⋅L+,这表明c⋅L+是{c⋅e:e∈E}的一个上界;另一方面,对任意M是c⋅L+是{c⋅e:e∈E}的上界,我们有对任意的e∈E都有c⋅e≤M⟹e≤M/c,即M/c是E的上界,进而由上确界定义有M/c≥L+⟹M≥c⋅L+,于是L+是最小的上界。根据上确界的定义,即有c⋅L+是{c⋅e:e∈E}的上确界。

于是证明完毕。


结论2:limn→∞n1n=1。

证明:

首先根据幂次运算的性质我们知道对任意的n≥1都有n1n≥1,因此我们不妨对任意的n≥1将n1n写为1+an的形式,其中an是一个非负数,然后根据二项式公式(参见习题7.1.4)我们有:

n=(1+an)n=∑m=0nn!m!(n−m)!anm≥n(n−1)2an2

(大于等于号是通过an的非负性确定的)上面的不等式也即有:

n≥n(n−1)2an2⟹an≤2n−1

结合an≥0,根据夹逼定理即可得到limn→∞an=0,也即

limn→∞n1n=limn→∞1+an=1

于是证明完毕。

然后逐条证明:


  1. 如果x∈R满足|x−a|>R,那么对于这个x值,级数∑n=0∞cn(x−a)n是发散的。

使用根值判别法,考虑令

α:=lim supn→∞|cn(x−a)n|1/n=lim supn→∞|cn|1/n|x−a|

而根据辅助结论1,由于|x−a|是与n无关的正数,因此根据上极限的定义我们显然可以得到

lim supn→∞|cn|1/n|x−a|=|x−a|lim supn→∞|cn|1/n⟹α=|x−a|R

由于|x−a|>R,于是即有α>1,从而根据根值判别法我们知道级数∑n=0∞cn(x−a)n不是条件收敛的,也即∑n=0∞cn(x−a)n是发散的。


  1. 如果x∈R满足|x−a|<R,那么对于这个x值,级数∑n=0∞cn(x−a)n是绝对收敛的。

同结论(a)的讨论过程,当条件变更为|x−a|<R时我们可以得到α<1,于是根据根值判别法我们知道级数∑n=0∞cn(x−a)n是绝对收敛的。


  1. 对于任意的0<r<R,级数∑n=0∞cn(x−a)n在紧致区间[a−r,a+r]上一致收敛于f,于是f是在(a−R,a+R)上连续的。

考虑使用魏尔斯特拉斯M判别法,对任意的n≥0,根据定义上确界范数有:

‖cn(x−a)n‖∞=sup{|cn(x−a)n|:x∈[a−r,a+r]}

而根据我们的辅助结论,可以进一步化简得到:

‖cn(x−a)n‖∞=|cn|⋅sup{|x−a|n:x∈[a−r,a+r]}

而当x∈[a−r,a+r]时我们由|x−a|∈[0,r],从而根据幂次运算的法则我们知道|x−a|n≤rn,从而我们有:

‖cn(x−a)n‖∞≤|cn|rn

此时使用根值判别法,利用类似结论(a)中证明的方法我们可以计算级数∑n=0∞|cn|rn的根值有:

lim supn→∞||cn|rn|1/n=lim supn→∞|cn|1/nr=rR<1

这表明级数∑n=0∞|cn|rn是绝对收敛的,而根据比较判别法(命题7.3.2)我们可以进一步得到∑n=0∞‖cn(x−a)n‖∞是绝对收敛的,此时根据魏尔斯特拉斯M判别法就可以得到∑n=0∞cn(x−a)n在紧致区间[a−r,a+r]上一致收敛于f,考虑到一致极限保持函数序列的连续性(命题14.3.2)与多项式函数的连续性,因此对任意的r都有f在[a−r,a+r]上连续,也即f是在(a−R,a+R)上连续的。


  1. 函数f是在(a−R,a+R)上可微的。对任意的0<r<R,级数∑n=1∞ncn(x−a)n−1在区间[a−r,a+r]上一致收敛于f′。

考虑计算级数∑n=0∞ncn(x−a)n−1的收敛半径R′,根据定义有

R′=1lim supn→∞|ncn|1/n

一方面,根据幂次运算的性质我们知道对任意的n≥1有n1n≥1,因此根据比较原理我们有lim supn→∞|ncn|1/n≥lim supn→∞|cn|1/n;另一方面,根据辅助结论2我们知道对任意的ε>0都存在N≥0使得对任意的n≥N都有n1/n≤1+ε,此时结合比较原理,辅助结论1与习题6.4.2我们有:

lim supn→∞|ncn|1/n≤lim supn→∞(1+ε)|cn|1/n=(1+ε)lim supn→∞|cn|1/n

由于是对任意的ε>0都成立,因此这表明lim supn→∞|ncn|1/n≤lim supn→∞|cn|1/n。综上即有lim supn→∞|ncn|1/n=lim supn→∞|cn|1/n,也即R′=R。根据结论(c),我们知道对任意的r<R都有级数∑n=1∞ncn(x−a)n−1在区间[a−r,a+r]上一致收敛于某个函数g;而对任意的N≥0,部分和∑n=1Nncn(x−a)n−1都是∑n=0Ncn(x−a)n的导函数;最后,∑n=0∞cn(x−a)n显然是在a处收敛的,结合这三个条件与定理14.7.1我们可以得到∑n=0∞cn(x−a)n在[a−r,a+r]上一致收敛于的函数f是可微的并且f的导函数正是g,也即有级数∑n=1∞ncn(x−a)n−1在区间[a−r,a+r]上一致收敛于f′,结论得证。


  1. 对任意一个包含在(a−R,a+R)内的闭区间[y,z],有∫[y,z]f=∑n=0∞cn(z−a)n+1−(y−a)n+1n+1

根据结论(c)我们有∑n=0∞cn(x−a)n是在[y,z]上一致收敛的(取r:=max(|a−y|,|a−z|),然后将结论(c)应用在区间[a−r,a+r]上),然后根据推论14.6.2我们有:

∫[y,z]f=∫[y,z]∑n=0∞cn(x−a)n=∑n=0∞∫[y,z]cn(x−a)n

然后根据微积分第二基本定理我们可以得到:

∑n=0∞∫[y,z]cn(x−a)n=∑n=0∞cn(z−a)n+1−(y−a)n+1n+1

于是结论得证。

15.1.2 给出以0为中心,收敛半径为1的形式幂级数∑n=0∞cnxn的例子,要求满足 ​
(a) 在x=1和x=−1处都发散 ​

考虑幂级数∑n=0∞xn,显然其收敛半径R=1。然后在x=1处幂级数∑n=0∞xn为级数∑n=0∞1发散到无穷,在x=−1处幂级数∑n=0∞xn为级数∑n=0∞(−1)n也是发散的(部分和序列有两个极限点1和0)。

(b) 在x=1处发散,但在x=−1处收敛 ​

考虑幂级数∑n=0∞1nxn,显然其收敛半径R=1。然后根据命题7.3.7在x=1处幂级数∑n=0∞1nxn为级数∑n=0∞1n发散到无穷,在x=−1处幂级数∑n=0∞1nxn为级数∑n=0∞(−1)nn是收敛的。

(c) 在x=1处收敛,但在x=−1处发散 ​

考虑幂级数∑n=0∞(−1)nnxn,显然其收敛半径R=1。这个级数在x=1和x=−1处跟(b)刚好是相反的。

(d) 在x=1和x=−1处都收敛 ​

考虑幂级数∑n=0∞1n2xn,显然其收敛半径R=1。然后根据命题7.3.7在x=1处幂级数∑n=0∞1n2xn为级数∑n=0∞1n2收敛,在x=−1处幂级数∑n=0∞1nxn为级数∑n=0∞(−1)nn2也是收敛的。

(e) 在(−1,1)上逐点收敛,但在(−1,1)上不一致收敛 ​

同样是考虑幂级数考虑幂级数∑n=1∞xn(这相当于令系数c0=0,然后对任意n≥1都令cn=1),在习题14.2.2(c)中我们已经证明了这个幂级数在(−1,1)上逐点收敛于函数g(x):=x1−x(尽管在写这题的时候我们还没给出函数级数的定义)但不是一致收敛的,因此它就是我们要找的例子。


本节相关跳转 ​

实分析 7.5 根值判别法与比值判别法

实分析 14.5 函数级数与魏尔斯特拉斯M判别法

实分析 14.6 一致收敛和积分

实分析 14.7 一致收敛和导数