ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 02.04.2021

Просмотров: 364

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

 

21 

.

3

)

(

,

3

)

(

ε

γ

ε

ϕ

<

<

x

x

n

n

 

Кроме того, из известного свойства пределов конечных сумм

 

следует, что

 

( )

n

n

k

k

n

k

k

x

x

n

x

x

C

c

x

u

x

f

=

=

=

=

=

1

1

0

0

lim

)

(

lim

.

 

Поэтому  найдется  такое  число 

0

>

δ

,  что  для  всех  точек 

х

,  одновременно 

принадлежащих множеству 

D

 

и 

δ

 

окрестности точки 

х

0

, будет выполняться 

неравенство

 

.

3

)

(

ε

<

n

n

C

x

f

 

Тогда, при указанных значениях 

х

, будет выполняться неравенство

 

ε

ε

ε

ε

γ

ϕ

γ

ϕ

=

+

+

<

+

+

+

=

3

3

3

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

n

n

n

n

n

n

n

n

x

C

x

f

C

x

x

f

C

x

f

Теорема доказана

.

  

 

Теорема  (о  почленном  переходе  к  пределу  для  функциональной 

последовательности). 

Пусть выполнены следующие условия.

 

1) 

;

),

(

)

(

D

x

x

f

x

f

n

→

→

 

2) 

.

)

(

lim

,

3

,

2

,

1

0

R

C

x

f

n

n

n

x

x

=

=

 

Тогда  существуют  оба  конечных  предела 

),

(

lim

0

x

f

x

x

n

n

C

lim

,  которые 

равны между собой, то есть справедливо равенство

 

).

(

lim

lim

)

(

lim

lim

0

0

x

f

x

f

n

x

x

n

n

n

x

x

=

 

Следствие.

 

Пусть 

каждая 

из 

функций 

,

,

3

,

2

,

1

),

(

=

n

x

u

n

определена  на  множестве  D

 

и  непрерывна  в  точке 

D

x

0

,  а  функциональный  ряд 

=

1

)

(

n

n

x

u

(последовательность  {

f

n

(x)} 


background image

 

22 

сходится  равномерно  на  множестве  D.  Тогда  его  сумма  (предельная 
функция последовательности) является непрерывной в точке х

0

 

функцией.

 

 

Почленное интегрирование функциональных рядов и 

последовательностей

 

Теорема. 

Пусть функции 

,

,

3

,

2

,

1

),

(

=

n

x

u

n

 

интегрируемы по Риману на 

отрезке  [

a;b

]  и  составленный  из  них  функциональный  ряд 

=

1

)

(

n

n

x

u

 

(функциональная  последовательность  {

f

n

(x)})  сходится  равномерно  на 

отрезке  [

a;b

].  Тогда  сумма  f(x)

 

этого  ряда  (предельная  функция 

последовательности) также будет интегрируемой по Риману на отрезке 

[a;b

] и при этом справедливо равенство

 

∫ ∑

∑ ∫

=

=

=

=

b

a

b

a n

n

b

a

n

n

dx

x

u

dx

x

u

dx

x

f

1

1

)

(

)

(

)

(

 

.

)

(

lim

)

(

lim

)

(



=

=

b

a

b

a

n

n

b

a

n

n

dx

x

f

dx

x

f

dx

x

f

 

Доказательство.

 

Докажем  сначала  интегрируемость  функции   

f(x). 

Зафиксируем  произвольно  малое  число 

0

>

ε

.

 

Поскольку  функции 

u

n

(x)

 

интегрируемы  на  отрезке  [

a;b

вместе

 

со  всеми  частичными  суммами 

=

=

n

q

k

k

n

x

u

x

f

)

(

)

(

найдется  такое

 

разбиение 

p

i

i

x

1

}

{

=

=

τ

,  при  котором  будут 

справедливы неравенства

 

2

)

(

)

(

)

(

1

)

(

)

(

ε

τ

τ

<

=

=

p

i

i

n

i

n

i

n

n

x

m

M

f

s

f

S

где 

 

)

(

inf

),

(

sup

]

,

[

)

(

]

,

[

)

(

1

1

x

f

m

x

f

M

n

x

x

n

i

n

x

x

n

i

i

i

i

i

=

=


background image

 

23 

=

=

=

=

p

i

i

n

i

n

p

i

i

n

i

n

x

m

f

s

x

M

f

S

1

)

(

1

)

(

)

(

,

)

(

τ

τ

Пусть далее 

 

)

(

inf

),

(

sup

]

,

[

]

,

[

1

1

x

f

m

x

f

M

i

i

i

i

x

x

i

x

x

i

=

=

=

=

=

=

p

i

i

i

p

i

i

i

x

m

f

s

x

M

f

S

1

1

)

(

,

)

(

τ

τ

 

В силу равномерной сходимости ряда найдется такой номер 

N

0

, что для всех

 

номеров 

n>N

0

 

во всех точках отрезка [

a;b

]

 

 

будут выполняться неравенства

 

,

)

(

4

)

(

)

(

a

b

x

f

x

f

n

<

ε

 

или, что то же самое,

 

.

)

(

4

)

(

)

(

)

(

4

)

(

a

b

x

f

x

f

a

b

x

f

n

n

+

<

<

ε

ε

 

Переходя  в  этих  неравенствах  к  точным  граням  на  каждом  отрезке 
разбиения, получим

 

.

)

(

4

)

(

4

,

)

(

4

)

(

4

],

;

[

,

)

(

4

)

(

)

(

4

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

a

b

M

m

a

b

m

a

b

M

M

a

b

m

b

a

x

a

b

M

x

f

a

b

m

n

i

i

n

i

n

i

i

n

i

n

i

n

i

+

+

+

<

<

ε

ε

ε

ε

ε

ε

 

Последние два неравенства равносильны системе неравенств

 




+

+

.

)

(

4

)

(

4

,

)

(

4

)

(

4

)

(

)

(

)

(

)

(

a

b

m

m

a

b

M

a

b

M

M

a

b

m

n

i

i

n

i

n

i

i

n

i

ε

ε

ε

ε

 

Складывая эти неравенства, получим

 

.

,

,

2

,

1

,

)

(

2

)

(

)

(

p

i

a

b

m

M

m

M

n

i

n

i

i

i

=

+

ε

 


background image

 

24 

Умножая каждое из этих неравенств на 

i

x

 

и суммируя по 

i

, получим

 

=

+

=

=

=

i

p

i

p

i

n

i

n

i

i

i

i

x

a

b

m

M

x

m

M

f

s

f

S

ε

τ

τ

1

1

)

(

)

(

)

)

(

2

)

((

)

(

)

(

)

(

 

.

2

)

(

)

(

ε

ε

τ

τ

<

+

=

n

n

f

s

f

S

 

Таким  образом,  для  произвольно  малого 

0

>

ε

 

можно  подобрать  такое 

разбиение, что разность между верхней и нижней суммами Дарбу функции 

f(x)

 

для  этого  разбиения  окажется  меньше

 

ε

.  Отсюда  следует 

интегрируемость функции 

f(x)

 

на отрезке [

a;b

]. 

Докажем теперь вторую часть теоремы.

 

Пусть

 

)

(

)

(

)

(

x

r

x

f

x

f

n

n

+

=

.  

Проинтегрируем это равенство по отрезку [

a;b

]. Получим:

 

=

+

=

b

a

n

k

b

a

n

b

a

k

dx

x

r

dx

x

u

dx

x

f

1

.

)

(

)

(

)

(

 

Теперь достаточно показать, что 

 

.

0

)

(

lim

0

=

dx

x

r

b

a

n

n

 

Зафиксируем 

0

>

ε

.  В  силу  равномерной  сходимости  ряда  его  остатки 

равномерно  сходятся  к  нулю.  Поэтому  найдется  такой  номер 

N

0

,  что  при 

n>N

0

 

будет выполняться неравенство

 

a

b

x

r

n

<

ε

)

(

 

для всех 

]

;

[

b

a

x

. Тогда для таких значений 

n

 

мы будем иметь:

 

.

|

)

(

|

)

(

ε

ε

=

<

dx

a

b

dx

x

r

dx

x

r

b

a

b

a

n

b

a

n

 

Отсюда и следует утверждение теоремы. 

 

Теорема доказана

 

 


background image

 

25 

Почленное дифференцирование функциональных последовательностей 

и рядов.

 

 

Теорема

Пусть  функции 

(

)

,

,

3

,

2

,

1

,

)

(

)

(

=

n

x

f

x

u

n

n

 

определены

  

на  отрезке  [

a;b

]  и  имеют  на  этом  отрезке  конечные  производные 

)

)

(

(

)

(

x

f

x

u

n

n

Пусть, 

кроме 

того, 

функциональный 

ряд 

=

1

)

(

n

n

x

u

(функциональная  последовательность 

)}

(

{

x

f

n

 

сходится  хотя  бы  в 

одной  точке 

]

;

[

0

b

a

x

,  а  функциональный  ряд 

=

1

)

(

n

n

x

u

,  составленный  из 

производных  (функциональная  последовательность 

)}

(

{

x

f

n

,  составленная 

из производных) равномерно сходится на отрезке [

a;b

]. Тогда справедливы 

следующие утверждения:

 

1)  функциональный  ряд 

=

1

)

(

n

n

x

u

 

(функциональная  последовательность 

)}

(

{

x

f

n

 

равномерно сходится на отрезке [

a;b]; 

2)  его  сумма  (предельная  функция  последовательности)  f(x)  имеет 
конечную  производную  в  каждой  точке  отрезка  [

a;b

],  выражаемую 

равенством

 

=

=

=

=

1

1

)

(

)

(

)

(

n

n

n

n

x

u

x

u

dx

d

x

f

 

.

)

(

lim

)

(

lim

)

(

=

=

dx

x

df

x

f

dx

d

x

f

n

n

n

n

 

 

Доказательство.

  

Зафиксировав номера 

n

 

и 

m

, рассмотрим функцию

 

+

+

=

=

m

n

n

k

k

nm

x

u

x

U

1

).

(

)

(