#17Sucesiones y Series de funciones

2025 - Teórica 17 - Sucesiones de funciones I

20 min de lectura

Thu-29-05-2025 18:01 profe: Natalia Accomazzo Scotti status: tags: Sucesiones y Series de funciones


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sean fn:XY,f:XY. Con X conjunto, (Y,d) espacio meˊtrico. Vamos a decir que (fn) converge puntualmente a f si fn(x)f(x)xX \begin{array}{l} \text{Sean $f_{n}:X\to Y,f:X\to Y.$ Con $X$ conjunto, $(Y,d')$ espacio métrico. }\\ \text{Vamos a decir que $(f_{n})$ converge puntualmente a $f$ si $f_{n}(x)\longrightarrow f(x)\qquad\forall x \in X$ } \end{array}

Equivalentemente xX,E>0n0Nsinn0    d(fn(x),f(x))<E\forall x \in X,\forall\mathcal{E}>0\:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|si\:n\geq n_{0}\implies d'(f_{n}(x),f(x))<\mathcal{E}


Ejemplos:Ejemplos:
  1. fn:RRfn(x)=nx+1nf_{n}:\mathbb{R}\to \mathbb{R}\bigm|f_{n}(x)=\frac{nx+1}{n}

f(x)=x,fn(x)f(x)f(x)=x,f_{n}(x)\longrightarrow f(x)

nx+1nx=nx+1nxn=1n<Esi nn0\left| \frac{nx+1}{n}-x \right| =\left| \frac{nx+1-nx}{n} \right| =\frac{1}{n}<\mathcal{E}\quad \text{si }n\geq n_{0}
  1. fn:[0,1][0,1]fn(x)=xnf_{n}:[0,1]\to[0,1]\bigm|f_{n}(x)=x^{n}
f(x)={0x<11ccf(x)=\begin{cases} 0 & x<1 \\ 1 & cc \end{cases}

TAREA: ver que fn(x)f(x)f_{n}(x)\to f(x)


Obs:Obs: (fn)(f_{n}) son todas continuas pero ff no lo es.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

fn,f:XYf_{n},f:X\to Y. Decimos que (fn)(f_{n}) converge uniformemente a ff si E>0n0N\forall\mathcal{E}>0 \:\exists\:n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|

d(fn(x),f(x))<ExX    supxXd(fn(x),f(x))<Ed'(f_{n}(x),f(x))<\mathcal{E}\quad \forall x \in X\iff \underset{ x \in X }{ sup }\:\left| d'(f_{n}(x),f(x)) \right| <\mathcal{E}

Notación: fnff_{n}\rightrightarrows f converge uniformemente. fnff_{n}\to f converge puntual.


Ejemplos:Ejemplos:
  1. fn(x)=nx+1n,f_{n}(x)=\frac{nx+1}{n}, f(x)=xf(x)=x fnff_{n}\rightrightarrows f
fn(x)f(x)=1n<ExR|f_{n}(x)-f(x)|= \frac{1}{n}<\mathcal{E}\quad \forall x \in \mathbb{R}
  1. fn(x)=xn,f_{n}(x)=x^{n},
f(x)={0x<11ccf(x)=\begin{cases} 0 & x<1 \\ 1 & cc \end{cases}

Sea E<1\mathcal{E}<1 nN,x[0,1]\forall n\in \mathbb{N},\:\exists\:x \in[0,1]

fn(x)f(x)E|f_{n}(x)-f(x)|\geq \mathcal{E}

Sea nN,n \in \mathbb{N},

xnE    xnE    E1/n<1|x^{n} |\geq \mathcal{E}\iff x\geq ^{n}\sqrt{ \mathcal{E} }\implies \mathcal{E}^{ 1/n} <1

pues E<1\mathcal{E}<1


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

Sean (X,d)(Y,d) espacios meˊtricos. fn,f:XY.(fn) continuas, fnf entonces f continua.\begin{array}{l} \text{Sean $(X,d)$, $(Y,d')$ espacios métricos. $f_{n},f:X\to Y$.}\\ \text{$(f_{n})$ continuas, $f_{n}\rightrightarrows f$ entonces $f$ continua.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }

d(f(x),f(y))d(f(x),fn(x))+d(fn(x),fn(y))+d(fn(y),f(y))d'(f(x),f(y))\leq d'(f(x),f_{n}(x))+d'(f_{n}(x),f_{n}(y))+d'(f_{n}(y),f(y))

Tengo que acotar esto. Sea n0Nnn0    n_{0}\in \mathbb{N}\bigm|n\geq n_{0}\implies

supzXd(fn(z),f(z))<E3\underset{ z \in X }{ sup }\: d'(f_{n}(z),f(z)) < \frac{\mathcal{E}}{3}

Como fn0f_{n_{0}} es continua entonces existe δ>0d(x,y)<δ    d(fn0(x),fn0(y))<E3\delta>0\bigm|d(x,y)<\delta\implies d'(f_{n_{0}}(x),f_{n_{0}}(y))<\frac{\mathcal{E}}{3} Entonces si d(x,y)<δd(x,y)<\delta

    d(f(x),f(y))<E\implies d'(f(x),f(y))<\mathcal{E} Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sean fn:XY,(Y,d) espacio meˊtrico.Decimos que (fn)nN es uniformemente de Cauchy si E>0n0n,mn0     supxXd(fn(x),fm(x))<E\begin{array}{l} \text{Sean $f_{n}:X\to Y,(Y,d')$ espacio métrico.}\\ \text{Decimos que $( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}$ es uniformemente de Cauchy si $\forall\mathcal{E}>0\:\exists\:n_{0}\bigm|n,m\geq n_{0}\implies$ }\\ \underset{ x \in X }{ sup }\: d'(f_{n}(x),f_{m}(x)) <\mathcal{E} \end{array}

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

Sean fn:XY uniformemente de Cauchy y completo. Entonces fnf \begin{array}{l} \text{Sean $f_{n}:X\to Y$ uniformemente de Cauchy y completo. Entonces $f_{n}\rightrightarrows f$ } \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Sea xX,(fn)nNY.x \in X,( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq Y. Luego (fn)nN( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es de Cauchy. Como YY es completo entonces converge. Defino f(x)=limnfn(x)f(x)=\underset{ n\to \infty }{ \lim }f_{n}(x) Sea E>0.\mathcal{E}>0. Sea n0n_{0} el de uniformemente de Cauchy. Si m,nn0    m,n\geq n_{0}\implies

supxXd(fn(x),fm(x))<E2\underset{ x \in X }{ sup }\:\:d'(f_{n}(x),f_{m}(x))<\frac{\mathcal{E}}{2}

Sea xXx \in X cualquiera. Sea nn0n\geq n_{0}

d(fn(x),f(x))d(fn(x),fm(x))+d(fm(x),f(x))d'(f_{n}(x),f(x))\leq d'(f_{n}(x),f_{m}(x))+d'(f_{m}(x),f(x))

Si mm es lo suficientemente grande. Es decir, tengo libertad en la elección de m.m. Para nn no lo tenia. Lo único que sé es que nn0n\geq n_{0} .

Elijo mmn0m\bigm|m\geq n_{0} y d(fm(x),f(x))<E2d'(f_{m}(x),f(x))<\frac{\mathcal{E}}{2} Así,

d(fn(x,f(x)))<E2+E2d'(f_{n}(x,f(x)))< \frac{\mathcal{E}}{2}+\frac{\mathcal{E}}{2}

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

B(X)={f:XR acotadas}B(X)=\{ f:X\to \mathbb{R}\text{ acotadas} \}

es un normado. f=supxXf(x)\lvert \lvert f \rvert\rvert_{\infty}=\underset{ x \in X }{ sup }\:\left| f(x) \right| Si (fn)nNB(x)( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq B(x) de Cauchy     (fn)nN\iff ( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} son uniformemente de Cauchy.

El teorema anterior me dice que fnf0\lvert \lvert f_{n}-f \rvert\rvert_{\infty}\to0 Para ver que (B(X),)(B(X),\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{\infty}) es completo (de Banach) me falta ver que fB(X)f \in B(X)

fffn+fn\lvert \lvert f \rvert\rvert_{\infty} \leq \lvert \lvert f-f_{n} \rvert\rvert_{\infty} +\lvert \lvert f_{n} \rvert\rvert_{\infty}

Si nffn1    n\bigm|\lvert \lvert f-f_{n} \rvert\rvert_{\infty}\leq1\implies

f1+fn<\lvert \lvert f \rvert\rvert_{\infty} \leq 1+\lvert \lvert f_{n} \rvert\rvert_{\infty} <\infty

Conclusión (B(x),)(B(x),\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{\infty}) es completo.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Teorema\begin{array}{l} \text{Teorema} \end{array}

Sea KK compacto.

C(K)={f:KR continuas}C(K)=\{ f:K\to \mathbb{R}\text{ continuas} \}

Es un normado con

f=supxKf(x)\lvert \lvert f \rvert\rvert_{\infty} =\underset{ x \in K }{ sup }\:\left| f(x) \right|

Obs:Obs:

(C(K),) es Banach\text{$(C(K),\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{\infty})$ es Banach}

(fn)nNC(K)( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq C(K) de Cauchy entonces son uniformemente de Cauchy     \implies converge uniformemente a ff. Como (fn)nN( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}} continuas     f\implies f es continua.

Acá solo usé que KK es compacto, para poder tomar norma infinito. bien podría no pedir compacidad y tomar el conjunto de funciones continuas y acotadas.


Pregunta: En el 1er teorema de hoy, si pedimos fn:XYf_{n}:X\to Y sean uniformemente continuas, fnf    ff_{n}\rightrightarrows f\implies f es uniformemente continua?


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

Sean fn,f:[a,b]R continuas. fnf. Entoncesabfn(t)dtabf(t)dt\begin{array}{l} \text{Sean $f_{n},f:[a,b]\to \mathbb{R}$ continuas. $f_{n}\rightrightarrows f$. Entonces}\\ \displaystyle \int _{a}^{b} f_{n}(t) \, dt\longrightarrow \int _{a}^{b} f(t) \, dt \end{array}

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

abfn(t)dtabf(t)dt=abfn(t)f(t)dtabfn(t)f(t)dt\left| \int _{a}^{b} f_{n}(t) \, dt-\int _{a}^{b} f(t) \, dt \right| =\left| \int _{a}^{b} f_{n}(t)-f(t) \, dt \right| \leq \int _{a}^{b} |f_{n}(t)-f(t)| \, dt\leq (ba)ffn0\leq (b-a)\cdot \lvert \lvert f-f_{n} \rvert\rvert_{\infty} \longrightarrow 0

Obs:Obs:

I:(C[a,b],)Rfabf(t)dt\begin{array}{c} \mathcal{I}:(C[a,b],\lvert \lvert \cdot \rvert\rvert_{\infty} )\to \mathbb{R} \\ \qquad \qquad \displaystyle f\mapsto \int _{a}^{b} f(t) \, dt \end{array}

Luego, I\mathcal{I} resulta ser un operador lineal continuo.


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

C1([a,b])={f:[a,b]R derivables y f continua.}\begin{array}{l} C^{1} ([a,b])=\{ f:[a,b]\to \mathbb{R}\text{ derivables y $f'$ continua.} \} \\ \end{array}

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

Sea (fn)nNC1([a,b])fnf puntualmente y fng. Entonces f es derivable y f=g.\begin{array}{l} \text{Sea $( f_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq C^{1}([a,b])$. $f_{n}\longrightarrow f$ puntualmente y $f_{n}'\rightrightarrows g.$}\\ \text{ Entonces $f$ es derivable y $f'=g$.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } gg continua pues fnf_{n}' con continuas. Por la propiedad anterior

abfn(t)dtabg(t)dt\int _{a}^{b} f_{n}'(t) \, dt\longrightarrow \int _{a}^{b} g(t) \, dt

Por teorema fundamental del cálculo

fn(t)fn(a)=abfn(t)dtf_{n}(t)-f_{n}(a)=\int _{a}^{b} f_{n}'(t) \, dt

Luego esto tiende a

f(x)=f(a)+axg(t)dtf(x)=f(a)+\int _{a}^{x} g(t) \, dt

Entonces por TFC. f=gf'=g

Q.E.D.\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \boxed{\text{Q.E.D.}} \quad \square

Citas y Comentarios

Temas relacionados