#17Sucesiones y Series de funciones

17 - Sucesiones y series de funciones I

22 min de lectura

SSThu-31-10-2024 09:55 profe: Nicolás Sirolli status: tags: Sucesiones y Series de funciones


Sucesión de funciones


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sean X conjunto, (Y,d) espacio meˊtrico, fYX (fn)YX:(fn) converge puntualmente a f si xX,E>0,n0:d(fn(x),f(x))<Enn0Es decir, fnf en (Y,d)(fn) converge uniformemente a f si:(E>0)(n0N)d(fn(x),f(x))<Enn0,xX\begin{array}{l} \text{Sean $X$ conjunto, $(Y,d)$ espacio métrico, $f\in Y^{X}$ $(f_{n})\subseteq Y^{X}$:}\\\\ \text{- $(f_{n})$ converge puntualmente a $f$ si $\forall x \in X,\forall\mathcal{E}>0,\:\exists\:n_{0}:$}\\ \quad \quad \quad \quad \quad \quad d(f_{n}(x),f(x))<\mathcal{E}\quad \forall n\geq n_{0}\\ \text{Es decir, $f_{n}\to f$ en $(Y,d)$} \\\\ \text{- $(f_{n})$ converge uniformemente a $f$ si:}\\ (\forall\mathcal{E}>0)(\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N})\:|\: \quad d(f_{n}(x),f(x))<\mathcal{E}\quad \forall n\geq n_{0},\forall x \in X \end{array}

Not. :{\color{Cyan} \text{Not. :} }

fnf en X\begin{array}{l} \text{$f_{n}\rightrightarrows f$ en $X$} \end{array}

Obs:Obs: Converge uniformemente     \implies Converge puntualmente


Ejemplos:Ejemplos:
  1. X=[0,1],fn(x)=xnX=[0,1],f_{n}(x)=x^n Si
f(x)={00x<11ccf(x)=\begin{cases} 0 & 0\leq x<1 \\ 1 & cc \end{cases}

Entonces (fn)(f_{_{n}}) convergente puntualmente a ff.

draw-normadosIII-1

  1. Fijo R>0,X=[R,R],Y=RR>0,X=[-R,R],Y=\mathbb{R}
fn(x)=n+1n.x,f(x)=xf_{n} (x)=\frac{n+1}{n}.x,\quad f(x)=x

Así, fn(x)f(x)xf_{n}(x)\to f(x)\quad\forall x Más aún,

fn(x)f(x)=cn+1nxx=x.1nxRRn<E|f_{n} (x)-f(x)|=|\frac{cn+1}{n}x-x|=|x|.\frac{1}{n}\underset{|x|\leq R}{\leq} \frac{R}{n}<\mathcal{E}

Si nER=n0n\geq \left\lceil \frac{\mathcal{E}}{R} \right\rceil=n_{0}, así fn(x)f(x)f_{n}(x) \rightrightarrows f(x)

draw-normadosIII-2

  1. Idem (2), con X=RX=\mathbb{R}
fn(X)f(x), pero fn⇉̸ff_{n} (X)\to f(x),\text{ pero }f_{n} \not\rightrightarrows f

Obs:Obs:

fn⇉̸fenX    (E>0)(n0N)(nn0)(xX)d(fn(x),f(x))Ef_{n} \not\rightrightarrows f\:en\:X\iff(\:\exists\:\mathcal{E}>0)(\forall n_{0}\in \mathbb{N})(\:\exists\:n\geq n_{0})(\:\exists\:x \in X)\quad d(f_{n} (x),f(x))\geq \mathcal{E}     (E>0)(fnk),(xk)cond(fnk(xk),f(xk))E\iff(\:\exists\:\mathcal{E}>0)\:\exists\:(f_{n_{k}} ),(x_{k})\:con\:d(f_{n_{k}}(x_{k}),f(x_{k}) )\geq \mathcal{E}

Ej.3: E=1\mathcal{E}=1, dado n0n_{0}, tomo x=n0,x=n_{0}, así x+1xxx=1|\frac{x+1}{x}x-x|=1


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

X,Y espacios meˊtricos. (fn)YX con fnfYXSi fn es (unif. ) continua n     f es (unif. ) continua. \begin{array}{l} \text{$X,Y$ espacios métricos. $(f_{n})\subseteq Y{^X}$ con $f_{n}\rightrightarrows f\in Y{^X}$}\\ \text{Si $f_{n}$ es (unif. ) continua $\forall n\implies$ $f$ es (unif. ) continua. } \end{array}

Luego, en el ej. 1, fn⇉̸ff_{n}\not\rightrightarrows f.

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

d(f(y),f(x))d(f(y),fn0(y))+d(fn0(y),fn0(x))+d(fn0(x),f(x))d(f(y),f(x))\leq d(f(y),f_{n_{0}} (y))+d(f_{n_{0}}(y),f_{n_{0}}(x) )+d(f_{n_{0}}(x),f(x) )

Dado E>0,\mathcal{E}>0, tomo:

  • n0Nn_{0}\in \mathbb{N} tal que d(fn0(z),f(z))<E3zX(fnf)d(f_{n_{0}}(z),f(z))< \frac{\mathcal{E}}{3}\quad\forall z\in X(f_{n}\rightrightarrows f)
  • δ>0\delta>0 tal que d(y,x)<δ    d(fn0(y),fn0(x))<E3d(y,x)<\delta \implies d(f_{n_{0}}(y),f_{n_{0}}(x))< \frac{\mathcal{E}}{3} (fn0f_{n_{0}} es continua en XX). Así, d(y,x)<δ    d(f(y),f(x))<E3+E3+E3=Ed(y,x)<\delta \implies d(f(y),f(x))< \frac{\mathcal{E}}{3}+\frac{\mathcal{E}}{3}+\frac{\mathcal{E}}{3}=\mathcal{E}
\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

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

(fn)C([a,b]),fnf. Entonces:\begin{array}{c} \text{$(f_{n})\subseteq C([a,b]),f_{n}\rightrightarrows f$. Entonces:} \end{array} abf(x)dx=limnabfn(x)dx\int_{a}^{b} f(x) \, dx=\underset{ n \to \infty}{\lim}\int_{a}^{b} f_{n}(x) \, dx

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

abf(x)dabfn(x)dxabf(x)fn(x)dx|\int_{a}^{b} f(x) \, d-\int_{a}^{b} f_{n} (x) \, dx |\leq \int_{a}^{b} |f(x)-f_{n} (x)| \, dx

Dado E>0,\mathcal{E}>0, tomo n0Nn_{0}\in \mathbb{N} con fn(x)f(x)E2(ba)x[a,b]|f_{n}(x)-f(x)|\leq \frac{\mathcal{E}}{2(b-a)}\quad\forall x \in[a,b] Así, si nn0:n\geq n_{0}:

abf(x)dxabfn(x)dxabE2(ba)dx=E2<E|\int_{a}^{b} f(x) \, dx -\int_{a}^{b} f_{n} (x) \, dx |\leq \int_{a}^{b} \frac{\mathcal{E}}{2(b-a)} \, dx = \frac{\mathcal{E}}{2}<\mathcal{E} \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

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

(fn)nNC([a,b]) con fn(x)f(x) puntualmente.Supongo fn derivable, y g con fngEntonces f es derivable y x:(limnfn(x))=f(x)=g(x)=limnfn(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}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Escribamos, dado xx

fn(x)=fn(a)+axfn(t)dtf_{n}(x)=f_{n}(a)+\int_{a}^xf_{n}'(t)\:dt

Haciendo nn\to \infty,

f(x)=f(a)+axg(t)dxf(x)=f(a)+\int_{a}^x g(t) \, dx

por la prop. anterior. Luego (TFC) f(x)=g(x)f'(x)=g(x)

\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

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

X conjuntoB(X)={f:XRconfacotada} es un espacio normado, con:f=supxXf(x)R0\begin{array}{l} \text{$X$ conjunto}\\ \text{$\mathcal{B}(X)=\{ f:X\to \mathbb{R}\:con\: f\:acotada \}$ es un espacio normado, con:}\\\\ \left\| f \right\|_{\infty} =\underset{x \in X}{sup}|f(x)|\quad \in \mathbb{R}_{\geq 0} \end{array}

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

X espacio normado, Cb(X)={fB(X):fcontinua} es un espacio normado con  heredada de B(X).\begin{array}{l} \text{$X$ espacio normado, $C_{b}(X)=\{ f\in \mathcal{B}(X):f\:continua \}$ es un espacio normado}\\ \text{ con $\left\| \right\|_\infty$ heredada de $\mathcal{B}(X)$.} \end{array}

-->06:30


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

(fn)nNB(X),fB(X).fnf    fnf0\begin{array}{l} \text{$( f_n )_{n \in \mathbb{N} }\subseteq \mathcal{B}(X),f \in \mathcal{B}(X)$.}\\ \\ f_{n}\rightrightarrows f\iff \left\| f_{n}-f \right\|_\infty \to 0 \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

fnf    E>0n0nn0:fn(x)f(x)<ExXf_{n}\rightrightarrows f\iff\forall\mathcal{E}>0\:\exists\:n_{0}\forall n\geq n_{0}:|f_{n}(x)-f(x)|<\mathcal{E}\quad \forall x \in X

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

(fn)C([0,1]),fnf entonces: \begin{array}{l} \text{$(f_{n})\subseteq C([0,1]),f_{n}\rightrightarrows f$ entonces: } \end{array} f=limnfn\int f=\lim_{ n \to \infty }\int f_{n}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

Φ:(C([0,1]),)R\Phi:(C([0,1]),\left\| \right\|_\infty)\to \mathbb{R}

Φ(g)=01gdx es continua\Phi(g)=\int_{0}^1 g \, dx \text{ es continua}

Como f=limfnf=lim\:f_{n} en (C([0,1]),)(C([0,1]),\left\| \right\|_\infty)

Φ(f)=limΦ(fn)\Phi(f)=lim\:\Phi(f_{n}) \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

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

X espacio meˊtrico. Entonces Cb(X)B(X) es cerrado.\begin{array}{l} \text{$X$ espacio métrico. Entonces $C_{b}(X)\subseteq\mathcal{B}(X)$ es cerrado.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea (fn)nNCb(X),fB( f_n )_{n \in \mathbb{N} }\subseteq C_{b}(X),f \in\mathcal{B} con fnff_{n}\to f en \left\| \right\|_\infty. Como fnf,ff_{n}\rightrightarrows f,f es continua. Es decir, fCb(X)f \in C_{b}(X)

\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

Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

X espacio meˊtrico. Entonces:1. B(X) es Banach.2. Cb(X) es Banach.\begin{array}{l} \text{$X$ espacio métrico. Entonces:}\\ \text{1. $\mathcal{B}(X)$ es Banach.}\\ \text{2. $C_{b}(X)$ es Banach.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Por la propiedad anterior (1)    (2)(1)\implies(2) Veamos (2)    (1):(2)\implies(1): Sea (fn)B(X)(f_{n})\subseteq\mathcal{B}(X) de Cauchy. Veamos que (xX)(fn(x))R(\forall x \in X)(f_{n}(x))\subseteq \mathbb{R} es de Cauchy.

fn(x)fm(x)fnfm0 cuando n,m|f_{n}(x)-f_{m}(x)|\leq \left\| f_{n}-f_{m} \right\|_\infty \to 0 \text{ cuando }n,m\to \infty

Luego, como R\mathbb{R} completo.

xlimnfn(x)=:f(x)\forall x\:\exists\:\lim_{ n \to \infty } f_{n}(x)=:f(x)

Veamos que fB(X)f\in\mathcal{B}(X) y que

fnff_{n}\rightrightarrows f fn(x)fn(x)fn0(x)+fn0(x)fnfn0+fn01+fn0|f_{n}(x)|\leq |f_{n}(x)-f_{n_{0}}(x)|+|f_{n_{0}}(x)|\leq \left\| f_{n}-f_{n_{0}} \right\|_\infty +\left\| f_{n_{0}} \right\|_\infty \leq 1+\left\| f_{n_{0}} \right\|_\infty

Así, si n:n\to \infty:

f(x)1+fn0|f(x)|\leq 1+\left\| f_{n_{0}} \right\|_\infty

Luego ff está acotada.

Sea E>0\mathcal{E}>0. Tomo n0n_{0}

fnfmE2n,mn0\left\| f_{n}-f_{m} \right\|_\infty \leq \frac{\mathcal{E}}{2}\quad \forall n,m\geq n_{0}

Así, n,mn0:\forall n,m\geq n_{0}:

fn(x)fm(x)E2|f_{n}(x)-f_{m}(x)|\leq \frac{\mathcal{E}}{2}

Haciendo mm\to \infty

fn(x)f(x)E2x,nn0|f_{n}(x)-f(x)|\leq \frac{\mathcal{E}}{2}\quad \forall x,\forall n\geq n_{0}

Así,

fnfE2<Enn0\left\| f_{n}-f \right\|_\infty \leq \frac{\mathcal{E}}{2}<\mathcal{E}\quad \forall n\geq n_{0} \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

Citas y Comentarios

  1. Probar que lo siguiente es un espacio normado:
B(X)={f:XRconfacotada}\mathcal{B}(X)=\{ f:X\to \mathbb{R}\:con\: f\:acotada \}
  1. La próxima veremos series de funciones. Abbott 6.4

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