Avanzado 2025 - Práctica 19 - Sucesiones y series de funciones I

Tema: Sucesiones y series de funciones I

Thu-05-06-2025 20:25 profe: Dario Martin Aza tags: Sucesiones y Series de funciones


Ejercicio 1

fn:RRxx1+n2x2\begin{array}{c} f_{n}:\mathbb{R}&\longrightarrow& \mathbb{R} \\ x&\mapsto&\frac{x}{1+n^{2}\cdot x^{2}} \end{array}

Analicemos la convergencia de fnf_{n} Para cada xRx \in \mathbb{R} vale que fn(x)0f_{n}(x)\longrightarrow0 Entonces fn0f_{n}\longrightarrow0

d(fn,0)=supxRx1+n2x20d_{\infty}(f_{n},0) =\underset{ x \in \mathbb{R} }{ \sup }\:\left| \frac{x}{1+n^{2}\cdot x^{2}} -0\right|

Buscamos el supremo de fn(x)|f_{n}(x)|

fn(x)=1+n2x22n2x2(1+n2x2)2=0    x=1nf_{n}'(x)=\frac{1+n^{2}\cdot x^{2}-2n^{2}\cdot x^{2}}{(1+n^{2}\cdot x^{2})^{2}}=0\iff |x|=\frac{1}{n} fn(1n)=12nfn(1n)=12n\begin{array}{c} f_{n}\left( \frac{1}{n} \right)=\frac{1}{2n} \\ f_{n}\left(- \frac{1}{n} \right)=-\frac{1}{2n} \end{array}

draw-Avanzado-P19-1

maxxRfn(x)=12n0    fn0\underset{ x \in \mathbb{R} }{ max }\:|f_{n}(x)|=\frac{1}{2n}\longrightarrow 0\implies f_{n}\rightrightarrows 0

Ejercicio 2

fn:[0,1]RnNf_{n}:[0,1]\to \mathbb{R}\quad\forall n\in \mathbb{N} fn(x)={n2x0x1nn2(x2n)1nx2n02nxf_{n}(x)=\begin{cases} n^{2}\cdot x & 0\leq x\leq \frac{1}{n} \\ -n^{2}\left( x-\frac{2}{n} \right) & \frac{1}{n}\leq x\leq \frac{2}{n} \\ 0 & \frac{2}{n}\leq x \end{cases}

draw-Avanzado-P19-2

Afirmo fn0f_{n}\longrightarrow 0 Sea x[0,1],x \in[0,1], queremos ver que fn(x)0f_{n}(x)\longrightarrow 0

Si x=0,x=0, entonces fn(x)=0nNf_{n}(x)=0\quad\forall n\in \mathbb{N} y listo.

Si x>0,n0Nnn0    12n<xx>0,\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies \frac{1}{2n}<x por arquimedianidad.

    fn(x)=0nn0\implies f_{n}(x)=0\quad\forall n\geq n_{0}     fn(x)0\implies f_{n}(x)\longrightarrow 0     fn0\implies f_{n}\longrightarrow0

¿ Será uniforme ?

d(fn,0)=maxx[0,1]fn(x)=n0d_{\infty}(f_{n},0) =\underset{ x \in[0,1] }{ max }\:|f_{n}(x)|=n\cancel{ \longrightarrow }0

No es uniforme, voy a dar este motivo:

01fn(x)dx=1nN\int_{0}^{1} f_{n} (x) \, dx =1\quad \forall n\in \mathbb{N}

pero

010dx=0\int _{0}^{1} 0 \, dx =0

Ejercicio 3

Sea X espacio meˊtrico, fn:XR continuas nN, con fnf,xnx en X. Probar que fn(xn)f(x) \begin{array}{l} \text{Sea $X$ espacio métrico, $f_{n}:X\longrightarrow\mathbb{R}$ continuas $\forall n\in \mathbb{N},$ con $f_{n}\rightrightarrows f,x_{n}\longrightarrow x$ en $X.$ }\\ \text{Probar que $f_{n}(x_{n})\longrightarrow f(x)$ } \end{array}

Sol:Sol:

f(x)fn(xn)=f(x)f(xn)+f(xn)fn(xn)f(x)f(xn)+f(xn)fn(xn)|f(x)-f_{n}(x_{n})|=|f(x)-f(x_{n})+f(x_{n})-f_{n}(x_{n})|\leq |f(x)-f(x_{n})|+|f(x_{n})-f_{n}(x_{n})|

Como fnf,f_{n}\rightrightarrows f, entonces ff es continua. Como ff continua, n1Nnn0    f(x)f(xn)<E2\:\exists\:n_{1}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies |f(x)-f(x_{n})|<\frac{\mathcal{E}}{2} pues xnx    f(xn)f(x)x_{n}\longrightarrow x\implies f(x_{n})\longrightarrow f(x)

Como fnff_{n}\rightrightarrows f, n2Nnn2    fn(y)f(y)<E2yX.\:\exists\:n_{2}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{2}\implies |f_{n}(y)-f(y)|<\frac{\mathcal{E}}{2}\quad\forall y \in X. En particular vale para xn.x_{n}.

    f(x)fn(xn)<E2+E2=Enn0=max{n1,n2}\implies |f(x)-f_{n}(x_{n})|<\frac{\mathcal{E}}{2}+\frac{\mathcal{E}}{2}=\mathcal{E}\quad\forall n\geq n_{0}=max\{ n_{1},n_{2} \}

Otro argumento:

(1n)0\left( \frac{1}{n} \right)\longrightarrow0 fn(1n)=nf(0)=0f_{n}\left( \frac{1}{n} \right)=n\cancel{ \longrightarrow }f(0)=0


Ejercicio 4

Para cada nNn\in \mathbb{N} sea

fn(x)=nxenxf_{n}(x)=\frac{n\cdot x}{e^{n\cdot x} }
  1. fn:[0,+)Rf_{n}:[0,+\infty)\to \mathbb{R} converge puntualmente a f=0f=0
  2. fn:[1,+)Rf_{n}:[1,+\infty)\to \mathbb{R} converge uniformemente a f=0f=0
  3. fn:[0,+)Rf_{n}:[0,+\infty)\to \mathbb{R} no converge uniformemente a f=0f=0
  1. Llamo, para cada x>0x>0 fijo gx:RRg_{x}:\mathbb{R}\to \mathbb{R}
gx(y)=xyexyg_{x}(y)=\frac{x\cdot y}{e^{xy} }

Queremos ver que (nxenx)0\displaystyle\left( \frac{n\cdot x}{e^{nx}} \right)\longrightarrow 0

limyxyexy=LHlimyxexyx=0\underset{ y\to \infty }{ \lim } \frac{x\cdot y}{e^{xy} }\overset{L'H }{ = }\underset{ y\to \infty }{ \lim } \frac{x}{e^{xy} \cdot x}=0

pues x>0.x>0.

Otra forma es usar un criterio de convergencia.

con x=0,x=0, es claro que fn(0)=00f_{n}(0)=0\longrightarrow 0

    fnf\implies f_{n}\longrightarrow f

c) Considero xn=1n0x_{n}=\frac{1}{n}\longrightarrow 0 Para fn(1n)=1e0    fnff_{n}\left( \frac{1}{n} \right)=\frac{1}{e}\cancel{ \longrightarrow }0\implies f_{n}\cancel{ \rightrightarrows } f

b) TAREA

Obs:Obs: Convergencia uniforme depende del dominio o espacio en el que veamos fnf_{n} y f.f. Otra forma: fn(x)an,an0    fn0|f_{n}(x)|\leq a_{n},\quad a_{n}\longrightarrow 0\implies f_{n}\rightrightarrows 0


Ejercicio 5

Sea XX espacio métrico compacto. fn:XR,f:XRf_{n}:X\to \mathbb{R},f:X\to \mathbb{R} fn,ff_{n},f todas continuas y fnff_{n}\to f Supongamos que f1(x)f2(x)fn(x)xXf_{1}(x)\leq f_{2}(x)\leq\dots\leq f_{n}(x)\quad\forall x \in X Es decir, fnff_{n}\nearrow f.

    fnf\implies f_{n}\rightrightarrows f

Sol:Sol: Sea E>0,\mathcal{E}>0, quiero ver que n0Nnn0    fn(x)f(x)=f(x)fn(x)<Enn0,xX\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies \underset{ =f(x)-f_{n}(x) }{ |f_{n}(x)-f(x)| }<\mathcal{E}\quad\forall n\geq n_{0},\forall x \in X Llamamos Un={xX:f(x)fn(x)<E}U_{n}=\{ x \in X:f(x)-f_{n}(x)<\mathcal{E} \} queremos ver que n0Nnn0    Un=X\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies U_{n}=X Debido a que

ff1ff2f-f_{1}\geq f-f_{2}\geq \dots     U1U2UnUn+1X\implies U_{1}\subseteq U_{2}\subseteq\dots \subseteq U_{n}\subseteq U_{n+1}\subseteq\dots \subseteq X

Luego Un=(ffn)1((,E))U_{n}=(f-f_{n})^{-1}((-\infty,\mathcal{E})) es abierto porque ffnf-f_{n} continua y es preimagen de un abierto.

Falta decir que por convergencia puntual UnU_{n} cubre todo X.X. Entonces puedo extraer subcubrimiento finito


Citas y Comentarios

Temas relacionados