首页 > 学院 > 开发设计 > 正文

漫步数学分析二十三——级数的积分与微分

2019-11-06 09:10:36
字体:
来源:转载
供稿:网友

对于一致收敛的序列或级数,我们也有关于极限函数积分与微分的陈述,需要回答的问题是是否这些运算可以逐项执行。对于积分过程,答案是肯定的,下面的定理会介绍,而积分的一般定义会在后面给出,但是对于单变量连续实值函数,我们从基本微积分中已经知道了积分与微分的基本性质。

定理4 假设fk:[a,b]→R是连续函数(a,b∈R)并且fk→f(一致),那么 ∫bafk(x)dx→∫baf(x)dx

推论2 假设gk:[a,b]→R是连续的且Σ∞k=1gk是一致收敛的,那么我们可以改变积分与和的次序 ∫ba∑k=1∞gk(x)dx=∑k=1∞∫bagk(x)dx

将定理4应用到部分和的极限上可以很容易的得出这个推论。

直观上,定理应该十分清楚,因为如果fk非常接近f,那么它的积分应该接近f的积分,但是这里需要小心,如果fk只是逐点收敛,那么这个结论就不成立!(看例1)

注意:实际上,有一个比上面定理更加广泛的定理,也就是Lebesgue控制收敛定理。这个结论的一个版本说明如果fk 逐点收敛到f并且fk一致有界(即,对于所有的k=1,2,…,x∈[a,b],|fk(x)|≤M),那么定理4的结论依然有效。

对于导数我们也可以这样吗?对于一致收敛序列或级数的逐项可微问题,这个回答是否定的,可参看上篇文章的例3。这个结果提醒我们,当将直观上合理的命题变成事实时需要谨慎,因此除了一致收敛,我们还需要更多的假设,充分条件由下面的定理给出。

定理5fk:(a,b)→R是开集(a,b)上的可微函数序列,且逐点收敛到f:(a,b)→R。假设导数f′k是连续的且一致收敛到函数g,那么f是可微的且f′=g

推论3 如果gk是可微的,那么g′k是连续的,Σ∞k=1gk逐点收敛且如果Σ∞k=1g′k一致收敛,那么 (∑k=1∞gk)′=∑k=1∞g′k

将定理应用到部分和序列就能得出上面的推论。

例1:给出一个序列fk:[0,1]→R的例子,要求其逐点收敛到零,但是∫10fk不收敛到零。

这里写图片描述 图1

解:fk的图像如图1所示,那么,fk满足对于所有k=1,2,3,…,∫10fk=1。进一步,对于每个xk→∞fk(x)→0(当x=0时很明显,当x>0时,只要k>1/x,那么fk(x)=0)。

例2:gn(x)=nx/(1+nx),0≤x≤1,验证定理5。

解:x≠0我们可以看出当n→∞,gn(x)→1,因为gn(x)=x/(x+1/n)。但是对于x=0,gn(x)=0,所以gn是逐点而不是一致收敛。该函数只在区间[δ,1],δ>0上是一致收敛的。

该函数的导数是g′n(x)=(1/n)/(x+1/n)2,在区间[δ,1]上一致收敛到→0但是g′n(0)→∞,所以定理5的条件只在区间[δ,1],δ>0上满足,极限函数在x=0处不可微。

例3:ex=Σ∞0xn/n!与定理4验证∫x0etdt=ex−1

解:根据魏尔斯特拉斯M测试,ex=Σ∞0xn/n!在任意有限区间都一致收敛,所以根据推论2并应用到区间[0,x]上可得 ∫x0etdt=∑0∞∫x0tnn!dt=∑0∞tn+1(n+1)!|x0=x1!+x22!+⋯=ex−1


发表评论 共有条评论
用户名: 密码:
验证码: 匿名发表