3.3 KiB
Равномерно сходящиеся функциональные ряды, связь между сходимостью и равномерной сходимостью функционального ряда
Введение
Функциональные ряды — это ряды, члены которых являются функциями от переменной x
.
Равномерная сходимость функциональных рядов
Функциональный ряд \sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)
называется равномерно сходящимся на множестве D
, если для любого \epsilon>0
существует такое число N(\epsilon)
, что для всех n\geq N(\epsilon)
и для всех x\in D
выполняется неравенство:
|S(x)-S_n(x)|<\epsilon
где S(x)=\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)
— сумма ряда, а S_n(x)=\sum_{k=1}^{n}f_k(x)
— частичная сумма ряда.
Связь между сходимостью и равномерной сходимостью
Равномерная сходимость функционального ряда влечет за собой его обычную сходимость, но обратное неверно. Равномерная сходимость обеспечивает более сильные свойства, такие как непрерывность суммы ряда и возможность почленного интегрирования и дифференцирования.
Пример
Рассмотрим ряд \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}
.
Оценим |f_n(x)|
:
|\frac{\sin(nx)}{n^2}|\leq\frac{1}{n^2}
Ряд \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2}
сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с p=2>1
. Следовательно, ряд \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\sin(nx)}{n^2}
равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.
Признак Вейерштрасса
Признак Вейерштрасса позволяет определить равномерную сходимость функционального ряда.
Формулировка признака Вейерштрасса
Пусть \sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)
— функциональный ряд, и пусть существует ряд положительных чисел \sum_{n=1}^{\infty}M_n
, такой что:
|f_n(x)|\leq M_n
для всех x
в области D
и для всех n
.
Если ряд \sum_{n=1}^{\infty}M_n
сходится, то ряд \sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)
равномерно сходится на D
.
Пример
Рассмотрим ряд \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}
.
Оценим |f_n(x)|
:
|\frac{\cos(nx)}{n^3}|\leq\frac{1}{n^3}
Ряд \sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^3}
сходится, так как это обобщенный гармонический ряд с p=3>1
. Следовательно, ряд \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\cos(nx)}{n^3}
равномерно сходится на всей числовой прямой по признаку Вейерштрасса.