函式列及其一致收斂性
設
是一列定義在同一數集E上的函式,稱為定義在 上的函式列,簡記為 。
對於函式列,我們不僅要討論它在哪些點上收斂,而更重要的是要研究極限函式所具有的解析性質。比如能否由函式列每項的連續性判斷出極限函式的連續性。又如極限函式的導數和積分,是否分別是函式列每項導數或積分的極限。對這些問題的討論,只要求函式列在數集D上的收斂是不夠的,必須對它在D上的收斂性提出更高的要求才行,這就是以下所要討論的一致收斂性問題。
定義1
設函式列 與函式 定義在同一數集D上,若對任給的正數 ,總存在某一正整數N,使得當 時,對一切 ,都有
則稱函式列 在D上一致收斂於 ,記作
由定義可以看到,如果函式列 在D一致收斂,那么對於所給的 ,不管D上的哪一點 ,總存在公共的 (即N的選取僅與 有關,與 的取值無關),只要 ,都有
由此看到函式列 在D上一致收斂,必在D上的每一點都收斂。反之,在D上每一點都收斂的函式列 ,在D上不一定一致收斂。
定理1(函式列一致收斂的柯西準則)
函式列 在數集D上一致收斂的充要條件是:對任給正數 ,總存在正數N,使得當 時,對一切 ,都有
函式項級數及其一致收斂性
設 是定義在數集E上的一個函式列,表達式
稱為定義在E上的 函式項級數,簡記為 或 。稱
為函式項級數(2)的 部分和函式列。
若 ,數項級數
收斂,即部分和 當 時極限存在,則稱級數(2)在點 收斂, 稱為級數(2)的收斂點。若級數(4)發散,則稱級數(2)在點 發散。若級數(2)在E上某個子集D上每點都收斂,則稱級數(2)在D上收斂。若D為級數(2)全體收斂點的集合,這時則稱D為級數(2)的收斂域。級數(2)在D上每一點 與其所對應的數項級數(4)的和 構成一個定義在D上的函式,稱為級數(2)的和函式,並寫作
即
也就是說,函式項級數(2)的收斂性就是指它的部分和函式列(3)的收斂性。
定義2
設 是函式項級數 的部分和函式列。若 在數集D上 一致收斂於 ,則稱 在 上一致收斂於 。
定理2(一致收斂的柯西準則)
函式項級數 在數集D上一致收斂的充要條件為:對任給的正數 ,總存在某正整數N,使得當 時,對一切 和一切正整數 ,都有
或
函式項級數的一致收斂性判別法
定理3(魏爾斯特拉斯判別法)
設函式項級數 定義在數集D上, 為收斂的正項級數,若對一切 ,有
則函式項級數 在D上一致收斂。
下面討論定義在區間 上形如
的函式項級數的一致收斂性判別法,它與數項級數一樣,也是基於阿貝爾分部求和公式。
定理4(阿貝爾判別法)
設
(i) 在區間 上一致收斂;
(ii)對於每一個 , 是單調一致有界的;
(iii) 在 上一致有界,即對一切 和正整數n,存在正數M,使得
則級數(5)在 上一致收斂。