一致收敛判别法是判定函数列与函数项级数是否收敛的重要方法,其中比较著名的有柯西准则、魏尔斯特拉斯判别法以及阿贝尔判别法等,它们是数学分析中重要的理论基础。
设
是一列定义在同一数集E上的函数,称为定义在 上的函数列,简记为。
对于函数列,我们不仅要讨论它在哪些点上收敛,而更重要的是要研究极限函数所具有的解析性质。比如能否由函数列每项的连续性判断出极限函数的连续性。又如极限函数的导数和积分,是否分别是函数列每项导数或积分的极限。对这些问题的讨论,只要求函数列在数集D上的收敛是不够的,必须对它在D上的收敛性提出更高的要求才行,这就是以下所要讨论的一致收敛性问题。
定义1
设函数列 与函数 定义在同一数集D上,若对任给的正数 ,总存在某一正整数N,使得当 时,对一切 ,都有
则称函数列 在D上一致收敛于 ,记作
由定义可以看到,如果函数列 在D一致收敛,那么对于所给的 ,不管D上的哪一点 ,总存在公共的 (即N的选取仅与 有关,与 的取值无关),只要 ,都有
由此看到函数列 在D上一致收敛,必在D上的每一点都收敛。反之,在D上每一点都收敛的函数列 ,在D上不一定一致收敛。
定理1(函数列一致收敛的柯西准则)
函数列 在数集D上一致收敛的充要条件是:对任给正数 ,总存在正数N,使得当 时,对一切 ,都有
函数项级数及其一致收敛性
设 是定义在数集E上的一个函数列,表达式
称为定义在E上的函数项级数,简记为或。称
为函数项级数(2)的部分和函数列 。
若,数项级数
收敛,即部分和当时极限存在,则称级数(2)在点收敛,称为级数(2)的收敛点。若级数(4)发散,则称级数(2)在点发散。若级数(2)在E上某个子集D上每点都收敛,则称级数(2)在D上收敛。若D为级数(2)全体收敛点的集合,这时则称D为级数(2)的收敛域。级数(2)在D上每一点与其所对应的数项级数(4)的和构成一个定义在D上的函数,称为级数(2)的和函数,并写作
即
也就是说,函数项级数(2)的收敛性就是指它的部分和函数列(3)的收敛性。
定义2
设是函数项级数的部分和函数列。若在数集D上一致收敛于,则称在上一致收敛于。
定理2(一致收敛的柯西准则)
函数项级数在数集D上一致收敛的充要条件为:对任给的正数,总存在某正整数N,使得当时,对一切和一切正整数,都有
或
函数项级数的一致收敛性判别法
定理3(魏尔斯特拉斯判别法)
设函数项级数定义在数集D上, 为收敛的正项级数,若对一切,有
则函数项级数在D上一致收敛 。
下面讨论定义在区间上形如
的函数项级数的一致收敛性判别法,它与数项级数一样,也是基于阿贝尔分部求和公式。