#18Sucesiones y Series de funciones

18 - Sucesiones de funciones II

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Tue-05-11-2024 09:35 profe: Nicolás Sirolli- Mauro status: tags: Sucesiones y Series de funciones

Recordar: Dadas FN,F:XR,FNF    (E)n0FN(x)F(x)<Enn0,xXF_{N},F:X\to \mathbb{R},F_{N}\rightrightarrows F\iff(\forall\mathcal{E})\quad \:\exists\:n_{0}\:|\:|F_{N}(x)-F(x)|<\mathcal{E}\quad\forall n\geq n_{0},\forall x \in X     E>0n0FNF<ENn0    FNF\iff \forall\mathcal{E}> 0\:\exists\:n_{0}\:|\:\left\| F_{N}-F \right\|_\infty<\mathcal{E}\quad\forall N\geq n_{0}\iff F_{N}\to F en (B(x),)(B(x),\left\| \right\|_\infty). FNFB()N0F_{N}-F\in B()\quad\forall N\gg 0


Ejemplo:Ejemplo:

X=R,FN(x)=x+1n,F(x)=xX=\mathbb{R},F_{N}(x)=x + \frac{1}{n},F(x)=x Así, F,FNB(R)F,F_{N}\neq B(\mathbb{R}) para FN(x)F(x)=1nF_{N}(x)-F(x)= \frac{1}{n} Así, FNFB(R),FNF=1N0F_{N}-F\in B(\mathbb{R}),\left\| F_{N}-F \right\|_\infty= \frac{1}{N}\to0


En gral. nos interesa:

F(x)=n=0fn(x)=limNn=0Nfn(x)=fN(x)F(x)=\sum_{n=0}^{\infty}f_{n} (x)=\lim_{ N \to \infty } \sum_{n=0}^{N} f_{n} (x)=f_{N}(x)

Series de funciones

EE normado. Sea (fn)nNE( f_n )_{n \in \mathbb{N} }\subseteq E consideramos (FN)NE(F_{N})_{N}\subseteq E como

FN=n=0NfnF_{N}=\sum_{n=0}^N f_{n}

Decimos que n0fn\sum_{n\geq 0}f_{n} converge a FEF\in E si FNFF_{N}\to F en EE. Escribimos, en tal caso:

F=n0fnF=\sum_{n\geq 0}f_{n}
EjemploEjemplo

Fijo 0r<10\leq r< 1 E=C([r,r])E=C([-r,r]) con \left\| \right\|_\infty Tomofn(x)=xnf_{n}(x)=x^n ¿FE\:\exists\:F\in E con F=n0fnF=\sum_{n\geq 0}f_{n}? En tal caso,

(x)F(x)=limNFN(x)=limN(n=0Nxn)(\forall x)F(x)=\lim_{ N \to \infty }F_{N}(x)=\lim_{ N \to \infty } \left( \sum_{n=0}^{N} x^n \right) limN1xN1x=11x=F(x)\lim_{ N \to \infty } \frac{1-x^N}{1-x}=\frac{1}{1-x}=F(x)

¿FNFF_{N}\rightrightarrows F?


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

E espacio normado, (fn)nNE. La serie nfn converge normalmente si nfnR0<+\begin{array}{l} \text{$E$ espacio normado, $( f_n )_{n \in \mathbb{N} }\subseteq E$. La serie $\sum_{n}f_{n}$ converge normalmente si $\sum_{n}\underbrace{\left\| f_{n} \right\|}_{\in \mathbb{R}_{\geq 0}}<+\infty$} \end{array}

Ejemplo(cont):Ejemplo(cont): fn(x)=xnrnx[r,r]|f_{n}(x)|=|x^n|\leq r^n\quad \forall x\in[-r,r]

Así, fnrn\left\| f_{n} \right\|_\infty\leq r^n (Es igual cuando x=rx=r) Luego nfnnrn=11r\sum_{n}\left\| f_{n} \right\|_\infty\leq \sum_{n}r^n=\frac{1}{1-r}


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

E Banach. Si nfn converge normalmente, entonces converge (en E\begin{array}{l} \text{$E$ Banach. Si $\sum_{n}f_{n}$ converge normalmente, entonces converge (en $E$) } \end{array}

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

Sea FN=n=0NfnF_{N}=\sum_{n=0}^{N}f_{n} Quiero ver que (FN)E(F_{N})\subseteq E converge. Basta ver que (FN)(F_{N}) es de Cauchy.

FNFMN+K=n=N+1N+Kfnn=N+1N+KfnnN+1fnN+0\left\| F_{N}-F_{\underbrace{M}_{N+K} } \right\| =\left\| \sum_{n=N+1}^{N+K} f_{n} \right\| \leq \sum_{n=N+1}^{N+K} \left\| f_{n} \right\| \leq \sum_{n\geq N+1}\left\| f_{n} \right\| \underset{N\to +\infty}{\to }0

Ejemplo(cont)Ejemplo \:(cont) n0xn=11x\sum_{n\geq 0}x^n=\frac{1}{1-x}

Más aún, la convergencia(de las sumas parciales) es uniforme en [r,r][-r,r] ¿La convergencia es uniforme en (1,1)(-1,1)? No:

11xn=0Nxn=xN1xx=(12)1/N121(12)1/N+\left\| \frac{1}{1-x}-\sum_{n=0}^{N} x^n \right\|_{\infty}=\left\| \frac{x^N}{1-x} \right\|_\infty \underset{x= { \left( \frac{1}{2} \right)}^{ 1/N}}{\geq } \frac{ \frac{1}{2}}{1- \left( \frac{1}{2} \right)^{1/N}}\to +\infty

Notar que (12)1/NN+1\left( \frac{1}{2} \right)^{1/N}\underset{N\to + \infty}{\to}1 Y además:

11xfn=0Nxng∉B([1,1])\underbrace{\frac{1}{1-x}}_{f} -\underbrace{\sum_{n=0}^{N} x^n}_{g} \not\in \mathcal{B} ([-1,1])

De hecho, gB([1,1])g\in B([-1,1]) pero f∉B([1,1])f \not\in \mathcal{B}([-1,1])

Si a una acotada le sumo una acotada debe quedar acotada. Y aca paso que la suma f+g no es acotada.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Criterio de WeierstrassSea fn:XR. Supongamos que cn0 tal que fn(x)cnxX,nN. Supongamos que:n0cn<+Entonces n0fn(x) converge uniformemente (y puntualmente) a una f:XR, acotada.\begin{array}{l} \textbf{Criterio de Weierstrass} \\ \text{Sea $f_{n}:X\to \mathbb{R}$. Supongamos que $\:\exists\:c_{n}\geq 0$ tal que $|f_{n}(x)|\leq c_{n}\quad\forall x \in X,\forall n\in \mathbb{N}$. Supongamos que:}\\ \sum_{n\geq 0}c_{n}<+\infty\\ \text{Entonces $\sum_{n\geq 0}f_{n}(x)$ converge uniformemente (y puntualmente) a una $f:X\to \mathbb{R}$, acotada.} \end{array}

Más aún, x:n0fn(x)\forall x:\sum_{n\geq 0}f_{n}(x) converge absolutamente.(i.e., nfn(x)<+\sum_{n}|f_{n}(x)|<+\infty) -->00:00


Ejemplo(cont):Ejemplo\:(cont):

Sirve cn=rnc_{n}=r^n

Dem:Dem: fn(x)cnx    fncn|f_{n}(x)|\leq c_{n}\quad\forall x \implies\left\| f_{n} \right\|_\infty\leq c_{n} Luego,

n0fnn0cn<+oo\sum_{n\geq 0}\left\| f_{n} \right\|_\infty \leq \sum_{n\geq 0}c_{n}<+oo

i.e. fn\sum f_{n} converge normalmente y listo.

\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 Ejemplo(cont):Ejemplo\:(cont): n0xn=11x\sum_{n\geq 0}x^n=\frac{1}{1-x}

Unif. en [r,r]r<1[-r,r]\quad\forall r<1 Fijo t(1,1)t\in(-1,1). Tomo r<1r<1 con r>tr>|t|. Trabajo en [r,r][-r,r]: Sea FN(x)=n=0NxnF_{N}(x)=\sum_{n=0}^{N}x^n y F(x)=11xF(x)=\frac{1}{1-x}

FNFF_{N}\rightrightarrows F en [r,r][-r,r] luego

FNF en{[0,t]t0[t,0]t<0\text{$F_{N}\rightrightarrows F$ en}\begin{cases} [0,t] & t\geq 0 \\ [t,0] & t<0 \end{cases} 0tFN(x)dx0tF(x)dx\int_{0}^t F_{N}(x) \, dx \to \int_{0}^t F(x) \, dx

Es decir,

0t11xdx=limN(n=0Nxn)dx=limNn=0N0txndx=limNn=0Ntn+1n+1=n0tn+1n+1\int_{0}^t \frac{1}{1-x} \, dx =\lim_{ N \to \infty } \int\left( \sum_{n=0}^{N} x^n \right)\:dx=\lim_{ N \to \infty } \sum_{n=0}^{N} \int_{0}^t x^n \, dx =\lim_{ N \to \infty } \sum_{n=0}^{N} \frac{t^{n+1}}{n+1}=\sum_{n\geq 0}\frac{t^{n+1}}{n+1}

Es decir,

ln(1t)=n0tn+1n+1-\ln(1-t)=\sum_{n\geq 0}\frac{t^{n+1}}{n+1}

O bien: (u=tu=-t)

ln(1+u)=m1(1)m.umm\ln(1+u)=\sum_{m\geq 1}\frac{(-1)^m.u^m}{m}

-->24:20 SI FNGF_{N}'\rightrightarrows G en [r,r][-r,r], entonces F(x)=limNFN(x)F'(x)=\lim_{ N \to \infty }F_{N}'(x) i.e.:

1(1x)2=limN(n=0Nxn)=limNn=0Nn.xn1=m0(m+1).xm\frac{1}{(1-x)^{2}}=\lim_{ N \to \infty } \left( \sum_{n=0}^{N} x^n \right)'=\lim_{ N \to \infty } \sum_{n=0}^{N} n.x^{n-1}=\sum_{m\geq 0}(m+1).x^m

Notar:

FN(x)=n=0Nn.xn1F_{N}'(x)=\sum_{n=0}^{N} n.x^{n-1}

Acotamos n.xn1n.rn1|n.x^{n-1}|\leq n.r^{n-1}

n1n.rn1an<+\sum_{n\geq 1}\underbrace{n.r^{n-1}}_{a_{n} } <+\infty

pues (D'Alembert)

limnan+1an=limn(n+1).rnn.rn1=limn(n+1).rn=r<1\lim_{ n \to \infty } \frac{a_{n+1} }{a_{n} }=\lim_{ n \to \infty } \frac{(n+1).r^n}{n.r^{n-1}}=\lim_{ n \to \infty } \frac{(n+1).r}{n}=r<1

Citas y Comentarios

La normal implica la absoluta. D'Alembert implica Cauchy. Jueves borrón y cuenta nueva. Veremos teoría de la integración moderna. Ref: Franks, cap II.

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