Avanzado-Práctica 21 - Sucesiones y series de funciones III

Tema: Sucesiones y series de funciones III

Tue-12-11-2024 11:07 profe: Nicolás Sirolli- Mauro status: tags:


Ejercicio 1

Dado x∈Rx \in \mathbb{R} probar que

(∑n=0Nxnn!)N∈N\left(\sum_{n=0}^{N}\frac{x^{n}}{n!}\right)_{N\in \mathbb{N}}

es una sucesión de Cauchy.


Lema {\color{green} \text{Lema } }

Prueba M Weierstrass. Sea (fn)n∈N sucesioˊn de funciones∣fn(x)∣<Cn∀x∑n=1∞Cn<∞, entonces las sumas parciales convergen abs. y unif.\begin{array}{l} \textbf{Prueba M Weierstrass.}\\ \text{ Sea $( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}$ sucesión de funciones}\\ |f_{n}(x)|<C_{n}\quad \forall x\\ \text{$\sum_{n=1}^{\infty}C_{n}<\infty$, entonces las sumas parciales convergen abs. y unif.} \end{array}

Mi sucesión son las sumas parciales, no las fnf_{n}


Lema {\color{green} \text{Lema } }

Radio de convergencia\begin{array}{l} \textbf{Radio de convergencia} \\ \end{array}

Sea (an)n∈N⊆R( a_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq \mathbb{R} tal que

lim⁡n→∞∣anan+1∣<1\lim_{ n \to \infty } \left|\frac{a_{n}}{a_{n+1}}\right|<1

Entonces la sucesión (∑n=1Nan)N∈N\left( \sum_{n=1}^{N}a_{n} \right)_{N \in \mathbb{N}} es de Cauchy


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Convergencia uniforme de continuasSi tenemos una sucesioˊn de funciones continuas (fn)n∈N con fn:X⊆R→R que converge unif. Entonces su lıˊmite existe y es una funcioˊn continua.\begin{array}{c} \textbf{Convergencia uniforme de continuas}\\ \text{Si tenemos una sucesión de funciones continuas $( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}$ con $f_{n}:X\subseteq \mathbb{R}\to \mathbb{R}$ que converge unif. }\\ \text{Entonces su límite existe y es una función continua.} \end{array}

Resolución ejercicio 1

Pensemos x∈[−M,M](M>0)x \in[-M,M]\quad(M>0) Trabajamos con la sucesión definida de dominio [−M,M][-M,M] dada por (∑n=0Nxnn!)N∈N\left( \sum_{n=0}^{N}\frac{x^{n}}{n!} \right)_{N \in \mathbb{N}} y con términos

∣xnn!∣<Cn=Mnn!\left|\frac{x^{n} }{n!}\right|<C_{n}=\frac{M^{n} }{n!}

Para usar prueba M Weierstrass(me da convergencia abbsoluta) necesitamos ver que ∑n=1∞Cn<∞\sum_{n=1}^{\infty}C_{n}<\infty

CnCn−1=Mn.(n−1)!n!.Mn−1=Mn\frac{C_{n}}{C_{n-1}}=\frac{M^{n} .(n-1)!}{n!.M^{n-1} }=\frac{M}{n}

que tiende a cero cuando n→∞n\to \infty. Entonces se cumple que ∑n=0∞Cn<∞\sum_{n=0}^{\infty}C_{n}<\infty Y ahora si puedo usar prueba M. Luego por el criterio de D'alembert, converge.

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Converge absolutamente →\to converge →\to es de Cauchy.

Obs.Obs. A está función límite la llamamos exe^{x} y notamos:

ex=∑n=0∞xnn!e^{x} =\sum_{n=0}^{\infty} \frac{x^{n} }{n!}

Notemos e0=1e^{0}=1


Ejercicio 2

Resulta que exe^{x} es derivable (y continua) y

d(ex)dx=ex\frac{d(e^{x} )}{dx}=e^{x}

--> 43:50

ex.ey=ex+yex>0∀x∈R\begin{array}{c} e^{x} .e^{y} =e^{x+y} \\ e^{x} >0\quad \forall x \in \mathbb{R} \end{array}

Probar estas propiedades.


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} } Teo 17.

Convergencia uniforme de las derivadas\begin{array}{l} \textbf{Convergencia uniforme de las derivadas} \end{array} (fn)n∈N⊆C([a,b]) con fn(x)→f(x) puntualmente.Supongo fn derivable, y  ∃ g con fn′⇉gEntonces f es derivable y ∀x:(lim⁡n→∞fn(x))′=f′(x)=g(x)=lim⁡n→∞fn′(x)\begin{array}{l} \text{$( f_n )_{n \in \mathbb{N} }\subseteq C([a,b])$ con $f_{n}(x)\to f(x)$ puntualmente.}\\ \text{Supongo $f_{n}$ derivable, y $\:\exists\:g$ con $f_{n}'\rightrightarrows g$}\\ \text{Entonces $f$ es derivable y $\forall x:$}\\ (\lim_{ n \to \infty }f_{n}(x))'=f'(x)=g(x)=\lim_{ n \to \infty } f_{n}'(x) \end{array}

Resolución ejercicio 2

Tenemos

Sn(x)=∑n=0Nxnn!S_{n}(x)=\sum_{n=0}^{N} \frac{x^{n} }{n!} \\ dSN(x)dx=∑n=1Nn.xn−1n!=SN−1(x)=∑n=1Nxn−1(n−1)!\frac{dS_{N}(x)}{dx}=\sum_{n=1}^{N} \frac{n.x^{n-1} }{n!}=S_{N-1}(x)=\sum_{n=1}^{N} \frac{x^{n-1} }{(n-1)!}

Entonces la derivada converge uniformemente a exe^{x}. Es decir, exe^{x} como límite de la sucesión original (de sumas parciales) es derivable y su derivada es el límite de la sucesión (SN′)N(S'_{N})_{N}.

Veamos ex.ey=ex+ye^{x}.e^{y}=e^{x+y}

∣ex.ey−ex+y∣≤A+B+C\left|e^{x} .e^{y} -e^{x+y} \right|\leq A+B+C ∣ex.ey−∑m=0Nxmm!∑n=0Nynn!∣=A\left|e^{x} .e^{y} -\sum_{m=0}^{N} \frac{x^{m} }{m!}\sum_{n=0}^{N}\frac{y^{n} }{n!}\right|=A ∣∑m=0Nxmm!∑n=0Nynn!−∑n=0N(x+y)nn!∣=B\left|\sum_{m=0}^{N} \frac{x^{m} }{m!}\sum_{n=0}^{N} \frac{y^{n} }{n!}-\sum_{n=0}^{N} \frac{(x+y)^{n} }{n!}\right|=B ∣∑n=0N(x+y)nn!−e(x+y)∣=C\left|\sum_{n=0}^{N} \frac{(x+y)^{n} }{n!}-e^{(x+y)} \right|=C

Fijo E>0\mathcal{E}>0,  ∃ N\:\exists\:N suficientemente grande tal que A<EA<\mathcal{E} y C<EC<\mathcal{E}

Binomio de Newton (tarea probar por inducción)

∑n=0N(x+y)nn!=∑n=0N1n!∑m=0n(nm)xm.yn−m=∑m=0Nxmm!∑n=mN1(n−m)!.yn−m=\sum_{n=0}^{N} \frac{(x+y)^{n} }{n!}=\sum_{n=0}^{N} \frac{1}{n!}\sum_{m=0}^{n} \left(\begin{matrix} n \\ m \end{matrix}\right)x^{m} .y^{n-m}=\sum_{m=0}^{N} \frac{x^{m} }{m!}\sum_{n=m}^{N}\frac{1}{(n-m)!} .y^{n-m} = (n^=n−m)=∑m=0Nxmm!∑n^=0N−myn^n^!(\hat{n}=n-m)=\sum_{m=0}^{N} \frac{x^{m} }{m!}\sum_{\hat{n}=0}^{N-m} \frac{y^{\hat{n}} }{\hat{n}!}

Pensemos NN par.

B=∣∑m=0Nxmm!.∑n=N−m+1Nynn!∣B=\left|\sum_{m=0}^{N} \frac{x^{m} }{m!}.\sum_{n=N-m+1}^{N} \frac{y^{n} }{n!}\right|

-->1:15

∑n=N2+1N∣x∣nn!<Ee∣y∣(1)\sum_{n= \frac{N}{2}+1}^{N}\frac{|x|^{n} }{n!} <\frac{\mathcal{E}}{e^{|y|} }\tag{1} ∑n=cN2+1N∣y∣nn!<Ee∣x∣(2)\sum_{n=\frac{cN}{2}+1}^{N} \frac{|y|^{n} }{n!}<\frac{\mathcal{E}}{e^{|x|} }\tag{2}

(1)(1) y (2)(2) pasan pues por ser las sumas parciales de Cauchy. (Estoy agarrando la cola de la sucesión) Es decir, en

∑n=N2+1NCn=SN−SN2\sum_{n=\frac{N}{2}+1}^{N} C_{n}=S_{N}-S_{\frac{N}{2}}

-->1:19 Como sé que SNS_{N} es de Cauchy para NN suficientemente grande.

Notar que (SN)N(S_{N})_{N} es de Cauchy con un xx fijo. Al meter ∣x∣|x| resulta de Cauchy. Mejor escribir (SN(∣x∣))N(S_{N}(|x|))_{N}

Seguimos acotando BB.

Se sigue la clase que viene.

Continuación: -->Prac 22 P1- 00:00

B=∣(∑m=0N2xmm!+∑m=N2+1Nxmm!)∑n=N−m+1Nynn!∣≤∣∑m=0N2∣x∣mm!∑n=N−m+1N∣y∣nn!+∑m=N2+1N∣x∣mm!∑n=N−m+1N∣y∣nn!∣B=\left|\left( \sum_{m=0}^{\frac{N}{2}} \frac{x^{m} }{m!}+\sum_{m=\frac{N}{2}+1}^{N} \frac{x^{m} }{m!} \right)\sum_{n=N-m+1}^{N} \frac{y^{n} }{n!}\right|\leq \left|\sum_{m=0}^{\frac{N}{2}} \frac{|x|^{m} }{m!}\sum_{n=N-m+1}^{N} \frac{|y|^{n} }{n!}+\sum_{m=\frac{N}{2}+1}^{N} \frac{|x|^{m} }{m!}\sum_{n=N-m+1}^{N} \frac{|y|^{n} }{n!}\right|

--> otra vez 10:00

≤∑m=0N2∣x∣mm!∑n=N2+1N∣y∣nn!+∑m=N2+1N∣x∣mm!.∑n=1N∣y∣nn!≤e∣x∣.Ee∣x∣+Ee∣y∣.e∣y∣=2E\leq \sum_{m=0}^{\frac{N}{2}} \frac{|x|^{m} }{m!}\sum_{n=\frac{N}{2}+1}^{N} \frac{|y|^{n} }{n!}+\sum_{m=\frac{N}{2}+1}^{N} \frac{|x|^{m} }{m!}.\sum_{n=1}^{N} \frac{|y|^{n} }{n!}\leq e^{|x|}.\frac{\mathcal{E}}{e^{|x|} }+\frac{\mathcal{E}}{e^{|y|} }.e^{|y|} =2\mathcal{E}

-->22:30 Recapitulando:

∣exey−ex+y∣<A+B+C<4.E|e^{x} e^{y} -e^{x+y} |<A+B+C<4.\mathcal{E}

Luego ex.ey=ex+ye^{x}.e^{y}=e^{x+y} pues E\mathcal{E} es arbitrario.

Dado E>0 ∃ M∈N ∣ si j,k≥M\mathcal{E}> 0\:\exists\:M\in \mathbb{N}\:|\:si\:j,k\geq M

∣Sj(x)−Sk(x)∣<E|S_{j}(x)-S_{k}(x)|<\mathcal{E}

Sea N2≥M\frac{N}{2}\geq M

∣SN(x)−SN2(x)∣<E|S_{N}(x)-S_{\frac{N}{2}}(x)|<\mathcal{E} ∑n=0N∗−∑n=0N2∗=∑n=N2+1N∗\sum_{n=0}^{N} *-\sum_{n=0}^{\frac{N}{2}} *=\sum_{n=\frac{N}{2}+1}^{N} *

Si x≥0x\geq 0 entonces ex>0e^{x}> 0 Si x<0x<0 entonces ex.e−x=ex−x=1e^{x}.e^{-x}=e^{x-x}=1

ex=1e−x>0 pues −x≥0e^{x} =\frac{1}{e^{-x} }>0\text{ pues }-x\geq 0

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