Tue-05-11-2024 09:35
profe: Nicolás Sirolli- Mauro
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tags: Sucesiones y Series de funciones
Recordar:
Dadas F N , F : X → R , F N ⇉ F ⟺ ( ∀ E ) ∃ n 0 ∣ ∣ F N ( x ) − F ( x ) ∣ < E ∀ n ≥ n 0 , ∀ x ∈ X F_{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 F N , F : X → R , F N ⇉ F ⟺ ( ∀ E ) ∃ n 0 ∣ ∣ F N ( x ) − F ( x ) ∣ < E ∀ n ≥ n 0 , ∀ x ∈ X
⟺ ∀ E > 0 ∃ n 0 ∣ ∥ F N − F ∥ ∞ < E ∀ N ≥ n 0 ⟺ F N → F \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 ⟺ ∀ E > 0 ∃ n 0 ∣ ∥ F N − F ∥ ∞ < E ∀ N ≥ n 0 ⟺ F N → F en ( B ( x ) , ∥ ∥ ∞ ) (B(x),\left\| \right\|_\infty) ( B ( x ) , ∥ ∥ ∞ ) . F N − F ∈ B ( ) ∀ N ≫ 0 F_{N}-F\in B()\quad\forall N\gg 0 F N − F ∈ B ( ) ∀ N ≫ 0
E j e m p l o : Ejemplo: E j e m pl o :
X = R , F N ( x ) = x + 1 n , F ( x ) = x X=\mathbb{R},F_{N}(x)=x + \frac{1}{n},F(x)=x X = R , F N ( x ) = x + n 1 , F ( x ) = x
Así, F , F N ≠ B ( R ) F,F_{N}\neq B(\mathbb{R}) F , F N = B ( R ) para F N ( x ) − F ( x ) = 1 n F_{N}(x)-F(x)= \frac{1}{n} F N ( x ) − F ( x ) = n 1
Así, F N − F ∈ B ( R ) , ∥ F N − F ∥ ∞ = 1 N → 0 F_{N}-F\in B(\mathbb{R}),\left\| F_{N}-F \right\|_\infty= \frac{1}{N}\to0 F N − F ∈ B ( R ) , ∥ F N − F ∥ ∞ = N 1 → 0
En gral. nos interesa:
F ( x ) = ∑ n = 0 ∞ f n ( x ) = lim N → ∞ ∑ n = 0 N f n ( x ) = f N ( x ) F(x)=\sum_{n=0}^{\infty}f_{n} (x)=\lim_{ N \to \infty } \sum_{n=0}^{N} f_{n} (x)=f_{N}(x) F ( x ) = n = 0 ∑ ∞ f n ( x ) = N → ∞ lim n = 0 ∑ N f n ( x ) = f N ( x )
Series de funciones
E E E normado. Sea ( f n ) n ∈ N ⊆ E ( f_n )_{n \in \mathbb{N} }\subseteq E ( f n ) n ∈ N ⊆ E consideramos ( F N ) N ⊆ E (F_{N})_{N}\subseteq E ( F N ) N ⊆ E como
F N = ∑ n = 0 N f n F_{N}=\sum_{n=0}^N f_{n} F N = n = 0 ∑ N f n
Decimos que ∑ n ≥ 0 f n \sum_{n\geq 0}f_{n} ∑ n ≥ 0 f n converge a F ∈ E F\in E F ∈ E si F N → F F_{N}\to F F N → F en E E E .
Escribimos, en tal caso:
F = ∑ n ≥ 0 f n F=\sum_{n\geq 0}f_{n} F = n ≥ 0 ∑ f n
E j e m p l o Ejemplo E j e m pl o
Fijo 0 ≤ r < 1 0\leq r< 1 0 ≤ r < 1
E = C ( [ − r , r ] ) E=C([-r,r]) E = C ([ − r , r ]) con ∥ ∥ ∞ \left\| \right\|_\infty ∥ ∥ ∞
Tomof n ( x ) = x n f_{n}(x)=x^n f n ( x ) = x n
¿ ∃ F ∈ E \:\exists\:F\in E ∃ F ∈ E con F = ∑ n ≥ 0 f n F=\sum_{n\geq 0}f_{n} F = ∑ n ≥ 0 f n ?
En tal caso,
( ∀ x ) F ( x ) = lim N → ∞ F N ( x ) = lim N → ∞ ( ∑ n = 0 N x n ) (\forall x)F(x)=\lim_{ N \to \infty }F_{N}(x)=\lim_{ N \to \infty } \left( \sum_{n=0}^{N} x^n \right) ( ∀ x ) F ( x ) = N → ∞ lim F N ( x ) = N → ∞ lim ( n = 0 ∑ N x n )
lim N → ∞ 1 − x N 1 − x = 1 1 − x = F ( x ) \lim_{ N \to \infty } \frac{1-x^N}{1-x}=\frac{1}{1-x}=F(x) N → ∞ lim 1 − x 1 − x N = 1 − x 1 = F ( x )
¿F N ⇉ F F_{N}\rightrightarrows F F N ⇉ F ?
Def. : {\color{Cyan} \text{Def. :} } Def. :
E espacio normado, ( f n ) n ∈ N ⊆ E . La serie ∑ n f n converge normalmente si ∑ n ∥ f n ∥ ⏟ ∈ R ≥ 0 < + ∞ \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} E espacio normado, ( f n ) n ∈ N ⊆ E . La serie ∑ n f n converge normalmente si ∑ n ∈ R ≥ 0 ∥ f n ∥ < + ∞
E j e m p l o ( c o n t ) : Ejemplo(cont): E j e m pl o ( co n t ) :
∣ f n ( x ) ∣ = ∣ x n ∣ ≤ r n ∀ x ∈ [ − r , r ] |f_{n}(x)|=|x^n|\leq r^n\quad \forall x\in[-r,r] ∣ f n ( x ) ∣ = ∣ x n ∣ ≤ r n ∀ x ∈ [ − r , r ]
Así, ∥ f n ∥ ∞ ≤ r n \left\| f_{n} \right\|_\infty\leq r^n ∥ f n ∥ ∞ ≤ r n (Es igual cuando x = r x=r x = r )
Luego ∑ n ∥ f n ∥ ∞ ≤ ∑ n r n = 1 1 − r \sum_{n}\left\| f_{n} \right\|_\infty\leq \sum_{n}r^n=\frac{1}{1-r} ∑ n ∥ f n ∥ ∞ ≤ ∑ n r n = 1 − r 1
Prop. : {\color{Orange} \text{Prop. :} } Prop. :
E Banach. Si ∑ n f n 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} E Banach. Si ∑ n f n converge normalmente, entonces converge (en E )
Dem: {\color{Orange} \text{Dem:} } Dem:
Sea F N = ∑ n = 0 N f n F_{N}=\sum_{n=0}^{N}f_{n} F N = ∑ n = 0 N f n
Quiero ver que ( F N ) ⊆ E (F_{N})\subseteq E ( F N ) ⊆ E converge.
Basta ver que ( F N ) (F_{N}) ( F N ) es de Cauchy.
∥ F N − F M ⏟ N + K ∥ = ∥ ∑ n = N + 1 N + K f n ∥ ≤ ∑ n = N + 1 N + K ∥ f n ∥ ≤ ∑ n ≥ N + 1 ∥ f n ∥ → N → + ∞ 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 F N − F N + K M = n = N + 1 ∑ N + K f n ≤ n = N + 1 ∑ N + K ∥ f n ∥ ≤ n ≥ N + 1 ∑ ∥ f n ∥ N → + ∞ → 0
E j e m p l o ( c o n t ) Ejemplo \:(cont) E j e m pl o ( co n t )
∑ n ≥ 0 x n = 1 1 − x \sum_{n\geq 0}x^n=\frac{1}{1-x} n ≥ 0 ∑ x n = 1 − x 1
Más aún, la convergencia(de las sumas parciales) es uniforme en [ − r , r ] [-r,r] [ − r , r ]
¿La convergencia es uniforme en ( − 1 , 1 ) (-1,1) ( − 1 , 1 ) ? No:
∥ 1 1 − x − ∑ n = 0 N x n ∥ ∞ = ∥ x N 1 − x ∥ ∞ ≥ x = ( 1 2 ) 1 / N 1 2 1 − ( 1 2 ) 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 1 − x 1 − n = 0 ∑ N x n ∞ = 1 − x x N ∞ x = ( 2 1 ) 1/ N ≥ 1 − ( 2 1 ) 1/ N 2 1 → + ∞
Notar que ( 1 2 ) 1 / N → N → + ∞ 1 \left( \frac{1}{2} \right)^{1/N}\underset{N\to + \infty}{\to}1 ( 2 1 ) 1/ N N → + ∞ → 1
Y además:
1 1 − x ⏟ f − ∑ n = 0 N x n ⏟ g ∉ B ( [ − 1 , 1 ] ) \underbrace{\frac{1}{1-x}}_{f} -\underbrace{\sum_{n=0}^{N} x^n}_{g} \not\in \mathcal{B} ([-1,1]) f 1 − x 1 − g n = 0 ∑ N x n ∈ B ([ − 1 , 1 ])
De hecho, g ∈ B ( [ − 1 , 1 ] ) g\in B([-1,1]) g ∈ B ([ − 1 , 1 ]) pero f ∉ B ( [ − 1 , 1 ] ) f \not\in \mathcal{B}([-1,1]) f ∈ 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. :} } Def. :
Criterio de Weierstrass Sea f n : X → R . Supongamos que ∃ c n ≥ 0 tal que ∣ f n ( x ) ∣ ≤ c n ∀ x ∈ X , ∀ n ∈ N . Supongamos que: ∑ n ≥ 0 c n < + ∞ Entonces ∑ n ≥ 0 f n ( x ) converge uniformemente (y puntualmente) a una f : X → R , 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} Criterio de Weierstrass Sea f n : X → R . Supongamos que ∃ c n ≥ 0 tal que ∣ f n ( x ) ∣ ≤ c n ∀ x ∈ X , ∀ n ∈ N . Supongamos que: ∑ n ≥ 0 c n < + ∞ Entonces ∑ n ≥ 0 f n ( x ) converge uniformemente (y puntualmente) a una f : X → R , acotada.
Más aún, ∀ x : ∑ n ≥ 0 f n ( x ) \forall x:\sum_{n\geq 0}f_{n}(x) ∀ x : ∑ n ≥ 0 f n ( x ) converge absolutamente.(i.e., ∑ n ∣ f n ( x ) ∣ < + ∞ \sum_{n}|f_{n}(x)|<+\infty ∑ n ∣ f n ( x ) ∣ < + ∞ )
-->00:00
E j e m p l o ( c o n t ) : Ejemplo\:(cont): E j e m pl o ( co n t ) :
Sirve c n = r n c_{n}=r^n c n = r n
D e m : Dem: D e m :
∣ f n ( x ) ∣ ≤ c n ∀ x ⟹ ∥ f n ∥ ∞ ≤ c n |f_{n}(x)|\leq c_{n}\quad\forall x \implies\left\| f_{n} \right\|_\infty\leq c_{n} ∣ f n ( x ) ∣ ≤ c n ∀ x ⟹ ∥ f n ∥ ∞ ≤ c n
Luego,
∑ n ≥ 0 ∥ f n ∥ ∞ ≤ ∑ n ≥ 0 c n < + o o \sum_{n\geq 0}\left\| f_{n} \right\|_\infty \leq \sum_{n\geq 0}c_{n}<+oo n ≥ 0 ∑ ∥ f n ∥ ∞ ≤ n ≥ 0 ∑ c n < + oo
i.e. ∑ f n \sum f_{n} ∑ 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 □
E j e m p l o ( c o n t ) : Ejemplo\:(cont): E j e m pl o ( co n t ) :
∑ n ≥ 0 x n = 1 1 − x \sum_{n\geq 0}x^n=\frac{1}{1-x} n ≥ 0 ∑ x n = 1 − x 1
Unif. en [ − r , r ] ∀ r < 1 [-r,r]\quad\forall r<1 [ − r , r ] ∀ r < 1
Fijo t ∈ ( − 1 , 1 ) t\in(-1,1) t ∈ ( − 1 , 1 ) . Tomo r < 1 r<1 r < 1 con r > ∣ t ∣ r>|t| r > ∣ t ∣ . Trabajo en [ − r , r ] [-r,r] [ − r , r ] :
Sea F N ( x ) = ∑ n = 0 N x n F_{N}(x)=\sum_{n=0}^{N}x^n F N ( x ) = ∑ n = 0 N x n y F ( x ) = 1 1 − x F(x)=\frac{1}{1-x} F ( x ) = 1 − x 1
F N ⇉ F F_{N}\rightrightarrows F F N ⇉ F en [ − r , r ] [-r,r] [ − r , r ]
luego
F N ⇉ F en { [ 0 , t ] t ≥ 0 [ t , 0 ] t < 0 \text{$F_{N}\rightrightarrows F$ en}\begin{cases}
[0,t] & t\geq 0 \\
[t,0] & t<0
\end{cases} F N ⇉ F en { [ 0 , t ] [ t , 0 ] t ≥ 0 t < 0
∫ 0 t F N ( x ) d x → ∫ 0 t F ( x ) d x \int_{0}^t F_{N}(x) \, dx \to \int_{0}^t F(x) \, dx ∫ 0 t F N ( x ) d x → ∫ 0 t F ( x ) d x
Es decir,
∫ 0 t 1 1 − x d x = lim N → ∞ ∫ ( ∑ n = 0 N x n ) d x = lim N → ∞ ∑ n = 0 N ∫ 0 t x n d x = lim N → ∞ ∑ n = 0 N t n + 1 n + 1 = ∑ n ≥ 0 t n + 1 n + 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} ∫ 0 t 1 − x 1 d x = N → ∞ lim ∫ ( n = 0 ∑ N x n ) d x = N → ∞ lim n = 0 ∑ N ∫ 0 t x n d x = N → ∞ lim n = 0 ∑ N n + 1 t n + 1 = n ≥ 0 ∑ n + 1 t n + 1
Es decir,
− ln ( 1 − t ) = ∑ n ≥ 0 t n + 1 n + 1 -\ln(1-t)=\sum_{n\geq 0}\frac{t^{n+1}}{n+1} − ln ( 1 − t ) = n ≥ 0 ∑ n + 1 t n + 1
O bien: (u = − t u=-t u = − t )
ln ( 1 + u ) = ∑ m ≥ 1 ( − 1 ) m . u m m \ln(1+u)=\sum_{m\geq 1}\frac{(-1)^m.u^m}{m} ln ( 1 + u ) = m ≥ 1 ∑ m ( − 1 ) m . u m
-->24:20
SI F N ′ ⇉ G F_{N}'\rightrightarrows G F N ′ ⇉ G en [ − r , r ] [-r,r] [ − r , r ] , entonces F ′ ( x ) = lim N → ∞ F N ′ ( x ) F'(x)=\lim_{ N \to \infty }F_{N}'(x) F ′ ( x ) = lim N → ∞ F N ′ ( x )
i.e.:
1 ( 1 − x ) 2 = lim N → ∞ ( ∑ n = 0 N x n ) ′ = lim N → ∞ ∑ n = 0 N n . x n − 1 = ∑ m ≥ 0 ( m + 1 ) . x m \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 ( 1 − x ) 2 1 = N → ∞ lim ( n = 0 ∑ N x n ) ′ = N → ∞ lim n = 0 ∑ N n . x n − 1 = m ≥ 0 ∑ ( m + 1 ) . x m
Notar:
F N ′ ( x ) = ∑ n = 0 N n . x n − 1 F_{N}'(x)=\sum_{n=0}^{N} n.x^{n-1} F N ′ ( x ) = n = 0 ∑ N n . x n − 1
Acotamos ∣ n . x n − 1 ∣ ≤ n . r n − 1 |n.x^{n-1}|\leq n.r^{n-1} ∣ n . x n − 1 ∣ ≤ n . r n − 1
∑ n ≥ 1 n . r n − 1 ⏟ a n < + ∞ \sum_{n\geq 1}\underbrace{n.r^{n-1}}_{a_{n} } <+\infty n ≥ 1 ∑ a n n . r n − 1 < + ∞
pues (D'Alembert)
lim n → ∞ a n + 1 a n = lim n → ∞ ( n + 1 ) . r n n . r n − 1 = lim n → ∞ ( n + 1 ) . r n = 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 n → ∞ lim a n a n + 1 = n → ∞ lim n . r n − 1 ( n + 1 ) . r n = n → ∞ lim n ( n + 1 ) . r = 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.