当前课程知识点:微积分-2 > Chapter 2 Infinite Series 无穷级数 (second part) > Unit 5 Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1) > Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1)
同学们 这一讲中
我们要重点关注一致收敛性
特别是一致收敛性的各种判别方法
另外 我们知道一致收敛是比逐点收敛更强的条件
所以 一致收敛性会导出很多很强也很有用的结论
所以 我们要给出这些结论
希望同学们能从中体会出一致收敛的优越性
那么下面我们就从一致收敛的判别法讲起
Chapter 2 Infinite Series
无穷级数
Unit 5 Uniform Convergence
一致收敛性
1 Tests of Uniform Convergence
一致收敛性的判别法则
同学们在前一个单元
已经接触过了逐点收敛性与一致收敛性
我们知道一致收敛性是非常强的条件
也是很重要的条件
那么我们自然要问如何找到一致收敛性的判别方法
那么我们这一个小结专门研究这个问题
第一个定理它叫做柯西准则
也就是关于一致收敛的柯西准则
请看它的陈述
A series of functions
一个函数项级数
我们现在把这个函数项级数记成fn(x)
求和n从0到无穷
This series of functions is uniformly convergent on D
If and only if 下面就是柯西准则的陈述了
它还是用我们经典的ε-N语言
for any ε bigger than 0
对任意的ε大于0
there exists some big N which is a fixed index
我们总能找到某一个固定的指标大N
使得下面这个不等式成立
也就是片段和
请看它就是从fn一直加到fn+p
这么一个片段和作为一个函数
它绝对值要小于ε
注意这里要求什么呢
对任意的小n大于大N
对任意的p 对任意的x
所谓一致收敛性就关键在最后一个任意的x
也就是说这个不等式的成立与x取在哪里没有关系
同学们以前我们见过各种类型的柯西准则
比如说 数列极限的存在性柯西准则
以及函数极限存在性的收敛准则
以及广义积分 级数等等
现在呢 我们见到了这个柯西准则呢
是关于函数项级数一致收敛性的柯西准则
它实际上是我们把以前学过的各种柯西准则
再加强了一下而已
希望同学们能够深刻理会这里边它的具体含义
好的下面呢我们看一个例子
Example 1.2
Previously, we have seen that
the series of functions x to the n
take summation n from 0 to infinity
以前我们见过这个函数项级数
就是x的n次方
n从0加到无穷
这个函数项级数它是逐点收敛的 在哪呢
在从0到1半开半闭区间上
而且它的和函数我们以前求过 就是1除以1减x
但是我们当时说了这个收敛性呢
pointwise convergence 逐点收敛
而且 It is not uniformly convergent
同学们在上一个单元的学习中已经见过这个例子了
这里我们就不重述了
但是我们现在要强调下面的事情
就是尽管这个函数项级数在
[0,1)这样一个半开半闭区间上
并不一致收敛到它的和函数 但是
只要我们把这个域也就是范围变小一点点
它就变成了一致收敛
However, we can show that
such a series functions
uniformly converges to 1/1-x on
请看现在我们新的定义域变小了
它变成了从0开始包括0
一直到1减去δ
1减去δ是一个严格小于1的界
在这样一个闭区间内
刚才的函数项级数就一致收敛到它的和函数
当然这里δ是事先指定的某一个比较小的数
δ is in between 0 and 1
为什么呢
In fact
我们可以证明一下
对任意的x在0到1减δ之间
在这个新的区域中
我们来计算一下
we have what
也就是部分和k从0到n x的k次方
把这个部分和和它的和函数做差以后再取绝对值
我们看一下这个量
把它估算一下
它会等于这么多 就是x的n加1次方除以1减x
这个具体计算希望同学们自己做一下
总之现在我们可以估算了
它就会小于等于1减δ的n加1次方除以δ
注意 在最后一个小于等于号的右边
这个式子和x没有关系
而且更重要的是什么呢
是当n趋近于无穷的时候
这个right hand side就是右侧
这个上面这个不等式的右侧
1减δ的n加1次方除以δ这一项呢
它会趋近于0
而且这个趋近于0的过程跟x没有关系
于是我们可以套用一致收敛的定义
就可以直接证明在区间0到1-δ这个闭区间上
的确刚才这个函数项级数一致收敛到1除以1-x
好
接下来呢我们讲一个非常实用的判断一致收敛的方法
它叫Weierstrass M test
韦斯特拉斯的大M判别法
它是这样陈述的
If there exists a sequence of positive constants
a0 a1 a2 and so on
如果我们现在能够找到一串正的常数
它构成一个数列
使得什么呢 使得我们事先考虑的某一个函数项序列
也就是fn(x)
每一个fn(x)
都被an所控制 这是我们第一个条件
意思就是说 fn(x)取绝对值小于等于an
对任意的x在定义域中 而且对任意的指标都对
这就叫做每一个fn通项呢被an这个常数项所控制
好 第二个条件
而且呢 这一串数列所构成的级数
无穷项加起来 它是收敛的
则结论是说fn(x)所构成的函数项级数就一致收敛了
uniformly converges on domain D
这就是韦斯特拉斯大M判别法
它告诉我们 如果我们想判定某一个函数项级数fn(x)
它是不是在区域D上一致收敛
只要我们把每一项在D上都放大成某一个序列an
然后只要这个an所构成的无穷项级数是收敛的
那么原来这个函数项级数就一致收敛
好的
我们看一个具体的应用韦斯特拉斯大M判别法的例子
Example 1.4
Show that this series and that series
They are both uniformly convergent on R
注意现在我们看到的这两个
函数项级数都是依赖于x的
我们要说明它们在整个实轴上都是一致收敛的
我们用大M判别法
In fact for any x in R
实际上对任意的在定义域R中的x
我们都可以把通项放大
我们看一下
sinnx除以n平方取绝对值可以放大到n平方分之1
类似的cosnx除以n平方的绝对值也可以放大到n平方分之1
那么 因为n平方分之1这个数列所构成的无穷项级数
它是收敛的 根据大M判别法
we conclude that the two series of functions
sinnx/n^2 summation and cosnx/n^2 summation
they are both uniformly convergent on R
同学们 我们还记得以前在学习广义积分的时候
有狄利克雷判别法 阿贝尔判别法
我们在学习级数的时候呢
也有狄利克雷判别法 阿贝尔判别法
现在对函数项级数
我们要判定它的一致收敛性
也有一个狄利克雷判别法与相应的阿贝尔判别法
它呢和我们原来的这种判别法非常的像
同学们对以前的判别法熟悉的话
马上就能明白我们下面要讲的这些判别法
请看第一个
狄利克雷判别法
Theorem 1.5
For a series of functions Σ n from 0 to infinity
an(x) times bn(x)
现在呢我们考虑的函数项级数是这样的
an(x)乘以bn(x)
它的通项是两项的乘积
好了 我们现在根据每一项的条件来判定
这个函数项级数是否一致收敛
第一条
If Σn from 0 to k bn(x) is uniformly bounded
这句话的意思是说
bn(x) 的部分和是一致有界的
它的意思是说
存在某一个M 这个M是事先指定的
它跟x跟小k都没有关系
使得从小n从0到小k
bn这个部分和
它被大M所控制
而且不管其中x取在哪里
因此呢我们把它叫做一致有界
第二个条件
固定的x an(x)都是单调减或者单调增的
monotone increasing or decreasing for each x in D
第三条
an(x) approaches 0 uniformly on D
第三条很关键
要求这个an这个函数列它是一致收敛到0
好了 如果有以上三条的话 结论是说
这个我们考虑的函数项级数
an(x)乘以bn(x) 求无穷和
它就一定是uniformly convergent on D
同学们可以把现在我们所列的123条和以前我们所讲的
级数的判定收敛的狄利克雷法则对比一下
是完全相应的 只是现在我们多了一些一致性的条件
好的 我们看一个例子吧
请看Example1.6
The series of functions sinnx over n
is uniformly convergent on δ to 2π-δ
注意啊 我们现在呢把这个区间呢没有取成从0到2π
而是取成了从δ到2π减δ
其中这个δ是某一个比较小的数
后面我们马上明白为什么要这样取
我们来看一下
用狄利克雷判别法是如何断定这样一个函数项级数
在如此的区间上是一致收敛的
In fact we have what
请看 第一
我们把其中一项算一下部分和
就是sinnx做部分和n从1加到k
这个技巧啊我们以前在类似的例子中用过
就是分子分母同乘以一个sin2分之x乘以2
然后呢用积化和差公式
这个技巧我们不再重复了 总之呢
通过这样一个简单的三角函数的技巧
我们可以把这样一个和式
给它化简
化简成我们现在看到的屏幕上最右边这个式子
对这个式子我们来估算它的最大的界
它会小于等于2除以2倍的sin2分之δ
也就是把分子中的两个项全部放大到1
因此它是有界的
注意因为我们δ不是0
那么这个数它是一个固定的数
它就是一致有界 对任意的x
which implies that it is uniformly bounded
好了 这样就满足狄利克雷条件中的其中一个了
另一个 另一项是n分之1
n分之1根本不依赖于x
而且它还是单调减的 又趋近于0
所以它自然也就是一致收敛到0了
因此我们用狄利克雷判别法就断定
sinnx除以n它是一致收敛的
在哪里呢 在刚才那个区间上 就是从δ到2π减δ
与狄利克雷判别法相仿的呢就是阿贝尔判别法
我们把它也讲一下
请看 Abel Test
For a series of functions Σ n from 0 to infinity
an(x) times bn(x)
现在呢我们还是考虑同样类型的函数项级数
我们分别观察an和bn
第一条
If bn构成的函数项级数
bn(x) summation n from 0 to infinity
is uniformly convergent on D
注意第一条比刚才的狄利克雷判别法变强了
就是要求bn(x)构成的函数项级数
本身是一致收敛的
第二 an(x)对固定的x而言
是monotone increasing or decreasing
这个还和刚才狄利克雷判别法的条件是一样的
第三条 an(x) is uniformly bounded on D
就是an(x)在这个区间D上
它是一致有界的 那么结论
则an(x)bn(x) is uniformly convergent on D
这个阿贝尔判别法和我们以前见到的级数
广义积分等等的阿贝尔判别法是完全相仿的
只是多了一些一致收敛的条件
好的 我们看一个例子
Example 1.8
Consider this series
-1 to the n over n times x to the n
然后呢区间取成[0,1]
我们说这样一个函数项级数
Is uniformly convergent
它在[0,1]闭区间上一致收敛
为什么呢 我们用阿贝尔判别法
In fact
其中一项就是-1的n次方除以n
这一项单独拿出来看
然后取它的无穷项级数和
它就是收敛的
而且呢里面根本没有x自变量
因此它自然也就是一致收敛的了
It is independent of x
第二
对任意的x在这个闭区间[0,1]中
x^n当然是一个单调的降序列
第三条x^n一致有界 为什么呢
对任意的x处于[0,1]
它永远小于等于1
因此it is uniformly bounded
于是 我们现在可以根据阿贝尔判别法断定
负1的n次方除以n乘以x的n次方
它是一致收敛的 实际上它在[0,1]区间上一致收敛
它收敛到哪里呢
Actually it converges to -ln(1+x)
这个它为什么收敛到-ln(1+x)
这个我们要在下一章解释
-Introduction (课程介绍)
-Unit 1 Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 1)
--Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 1)
--Exercises-1-1-1
-Unit 1 Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 2)
--Definition of Improper Integrals (广义积分的定义)(section 2)
--Exercises-1-1-2
-Unit 2 Examples of Improper Integrals (广义积分的例子)
--Video-1-2 Examples of Improper Integrals (广义积分的例子)
--Exercise-1-2
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)
--Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)
--Exercises-1-3-1
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 1)--作业
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)
--Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)
--Exercises-1-3-2
- Unit 3 Tests of Convergence(收敛性判别)(section 2)--作业
-Unit 4 Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛和条件收敛)
--Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛和条件收敛)
--Exercise-1-4
--1-4讲义
-Test1
-Unit 1 Infinite Series and Their Convergence(无穷级数及其收敛性)
--Infinite Series and Their Convergence (无穷级数及其收敛性)
--Exercises-2-1
--2-1讲义
-Unit 2 Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛与条件收敛)
--Absolute Convergence and Conditional Convergence (绝对收敛与条件收敛)
--Exercises-2-2
--2-2讲义
-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 1)
--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 1)
--Exercises-2-3-1
-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 2)
--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 2)
--Exercises-2-3-2
-Unit 3 More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 3)
--More Tests for Convergence (更多的收敛性判别法)(section 3)
--Exercises-2-3-3
--2-3讲义
-Test2
-Unit 4 Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 1)
--Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 1)
--Exercises-2-4 (section 1)
-Unit 4 Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 2)
-- Sequences and Series of Founctions(函数项数列与函数项级数)(section 2)
--Exercises-2-4 (section 2)
--2-4讲义
-Unit 5 Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1)
--Uniform Convergence(一致收敛性)(section 1)
--Exercises-2-5(section 1)
-Unit 5 Uniform Convergence(一致收敛性)(section 2)
--Uniform Convergence(一致收敛性)(section 2)
--Exercises-2-5(section 2)
--2-5讲义
-Unit 1 Power Series (幂级数)(section 1)
--Power Series (幂级数) (section 1)
--Exercise-3-1(section 1)
-Unit 1 Power Series (幂级数)(section 2)
--Power Series (幂级数)(section 2)
--Exercise-3-1 (section 2)
--3-1讲义
-Unit 2 Expansion of Functions in Power Series (函数的幂级数展开)
--Expansion of Functions in Power Series(函数的幂级数展开)
--Exercise-3-2
--3-2讲义
-Unit 3 Fourier Expansion (Fourier级数展开) (section 1)
--Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 1)
--Exercise-3-3(section 1)
-Unit 3 Fourier Expansion (Fourier级数展开) (section 2)
--Fourier Expansion(Fourier级数展开)(section 2)
--Exercise-3-3(section 2)
--3-3讲义
-Unit 4 Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 1)
--Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 1)
--Exercise-3-4(section 1)
-Unit 4 Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 2)
--Convergence of Fourier Series(Fourier 级数的收敛性)(section 2)
--Exercise-3-4(section 2)
--3-4讲义
-Unit 5 Other Forms of Fourier Series(其他形式的Fourier级数)
--Other Forms of Fourier Series(其他形式的Fourier级数)
--Exercise-3-5
--Test3
--3-5讲义
-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 1)
--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 1)
--Exercise-4-1-1
-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 2)
--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 2)
--Exercise-4-1-2
-Unit 1 Euclidean Space (欧几里德空间) (section 3)
--Euclidean Space (欧几里德空间) (section 3)
--Exercise-4-1-3
--4-1讲义
-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 1)
--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 1)
--Exercise-4-2-1
-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 2)
--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 2)
--Exercise-4-2-2
-Unit 2 Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 3)
--Curves and Surfaces (曲线与曲面) (section 3)
--4-2讲义
-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 1)
--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 1)
--Exercise-4-3-1
-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 2)
--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 2)
--Exercise-4-3-2
-Unit 3 Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 3)
--Point-Set Topology of E3 (E3中的点集拓扑) (section 3)
--Exercise-4-3-3
--4-3讲义
-Unit 4 Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 1)
--Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 1)
--Exercise-4-4-1
-Unit 4 Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 2)
--Completeness and Connectness (完备性与连通性) (section 2)
--Exercise-4-4-2
--4-4讲义
-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 1)
--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 1)
--Exercise-4-5-1
-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 2)
--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 2)
--Exercise-4-5-2
-Unit 5 Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 3)
--Continuous Multivariable Functions (连续多元函数) (section 3)
--Exercise-4-5-3
--4-5讲义
-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 1)
--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 1)
--Exercise-4-6-1
-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 2)
--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 2)
--Exercise-4-6-2
-Unit 6 Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 3)
--Partial Derivatives and Differentiability (偏导数与可微性) (section 3)
--Exercise-4-6-3
--4-6讲义
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 1)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 1)
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 2)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 2)
--Exercise-4-7-1
--Exercise-4-7-2
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 3)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 3)
--Exercise-4-7-3
-Unit 7 Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 4)
--Jacobian Matrix and Directional Derivatives (雅克比矩阵与方向导数) (section 4)
--Exercise-4-7-4
--4-7讲义
-Test1
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 1)
--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 1)
-Exercise-4-8-1
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 2)
--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 2)
-Exercise-4-8-2
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)
--Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)
--4-8讲义
-Unit 8 Taylor's Theorem (泰勒定理) (section 3)--作业
-Unit 9 Applications of Gradients (梯度的应用) (section 1)
--Applications of Gradients (梯度的应用) (section 1)
-Unit 9 Applications of Gradients (梯度的应用) (section 2)
--Applications of Gradients (梯度的应用) (section 2)
--Exercise-4-9-2
--4-9讲义
-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 1)
--Multiple Integrals (重积分) (section 1)
-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 2)
--Multiple Integrals (重积分) (section 2)
--Exercise-5-1-2
-Unit 1 Multiple Integrals (重积分) (section 3)
--Multiple Integrals (重积分) (section 3)
--Exercise-5-1-3
--5-1讲义
-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 1)
--Triple Integrals (三重积分) (section 1)
--Exercise-5-2-1
-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 2)
--Triple Integrals (三重积分) (section 2)
--Exercise-5-2-2
-Unit 2 Triple Integrals (三重积分) (section 3)
--Triple Integrals (三重积分) (section 3)
--Exercise-5-2-3
--5-2讲义
-Unit 3 Line Integrals (曲线积分) (section 1)
--Line Integrals (曲线积分) (section 1)
--Exercise-5-3-1
-Unit 3 Line Integrals (曲线积分) (section 2)
--Line Integrals (曲线积分) (section 2)
--Exercise-5-3-2
--5-3讲义
-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 1)
--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 1)
--Exercise-5-4-1
-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 2)
--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 2)
--Exercise-5-4-2
-Unit 4 Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 3)
--Surface Integrals (I) (第一型曲面积分) (section 3)
--Exercise-5-4-3
-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1)
--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 1)
-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 2)
--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 2)
--5-4讲义
-Unit 5 Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 3)
--Surface Integrals (II) (第二型曲面积分) (section 3)
--Exercise-5-5-1
--5-5讲义
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 1)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 1)
--Exercise-5-6-1
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 2)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 2)
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 3)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 3)
--Exercise-5-6-2
--Exercise-5-6-3
--5-6讲义
-Unit 6 Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 4)
--Some Theorems of Line and Surface Integrals (曲线与曲面积分的几个定理) (section 4)
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 1)
--Field Theory (场论) (section 1)
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 2)
--Field Theory (场论) (section 2)
--Exercise-5-7-1
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 3)
--Field Theory (场论) (section 3)
-Unit 7 Field Theory (场论) (section 4)
--Field Theory (场论) (section 4)
--Exercise-5-7-2
--Test5
--5-7讲义

