To je samozřejmě základní pojem konvergence, ale v mnoha případech je příliš obecný a nestačí na dokazování některých užitečných tvrzení.

Podobné dokumenty
STEJNOMĚRNÁ KONVERGENCE

LEKCE10-RAD Otázky

17. Posloupnosti a řady funkcí

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ

11. Číselné a mocninné řady

1 Posloupnosti a řady.

Matematika III. Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská. Ústav matematiky

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

Přednáška 6, 6. listopadu 2013

Posloupnosti a jejich konvergence

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

INTEGRÁLY S PARAMETREM

Posloupnosti a jejich konvergence POSLOUPNOSTI

Petr Hasil. c Petr Hasil (MUNI) Nekonečné řady MA III (M3100) 1 / 183

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Posloupnosti a řady funkcí. študenti MFF 15. augusta 2008

MA2, M2. Kapitola 1. Funkční posloupnosti a řady. c 2009, analyza.kma.zcu.cz

STEJNOMĚRNÁ KONVERGENCE POSLOUPNOSTI A ŘADY FUNKCÍ

Kapitola 1. Funkční posloupnosti a řady

Zobecněný Riemannův integrál

OBECNOSTI KONVERGENCE V R N

PRIMITIVNÍ FUNKCE. Primitivní funkce primitivní funkce. geometrický popis integrály 1 integrály 2 spojité funkce konstrukce prim.

Kapitola 1. Úvod. 1.1 Značení. 1.2 Výroky - opakování. N... přirozená čísla (1, 2, 3,...). Q... racionální čísla ( p, kde p Z a q N) R...

Nekonečné číselné řady. January 21, 2015

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Požadavky k ústní části zkoušky Matematická analýza 1 ZS 2014/15

PRIMITIVNÍ FUNKCE DEFINICE A MOTIVACE

Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015

1 Topologie roviny a prostoru

Michal Fusek. 10. přednáška z AMA1. Ústav matematiky FEKT VUT, Michal Fusek 1 / 62

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

Použití derivací. V této části budou uvedena některá použití derivací. LEKCE08-PRU. Použití derivací. l Hospital

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

NEWTONŮV INTEGRÁL. V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Použití derivací L HOSPITALOVO PRAVIDLO POČÍTÁNÍ LIMIT. Monotónie. Konvexita. V této části budou uvedena některá použití derivací.

LIMITA A SPOJITOST FUNKCE

Nechť je číselná posloupnost. Pro všechna položme. Posloupnost nazýváme posloupnost částečných součtů řady.

V předchozích kapitolách byla popsána inverzní operace k derivování. Zatím nebylo jasné, k čemu tento nástroj slouží.

Matematická analýza III.

1. Posloupnosti čísel

Základy matematické analýzy

Limita posloupnosti, limita funkce, spojitost. May 26, 2018

f konverguje a g je omezená v (a, b), pak také konverguje integrál b a fg. Dirichletovo kritérium. Necht < a < b +, necht f : [a, b) R je funkce

Limita posloupnosti a funkce

Definice. Na množině R je dána relace ( R R), operace sčítání +, operace násobení a množina R obsahuje prvky 0 a 1 tak, že platí

Určete (v závislosti na parametru), zda daný integrál konverguje, respektive zda konverguje. dx = t 1/α 1 dt. sin x α dx =

2. přednáška 8. října 2007

Definice 1.1. Nechť je M množina. Funkci ρ : M M R nazveme metrikou, jestliže má následující vlastnosti:

Limita a spojitost funkce. 3.1 Úvod. Definice: [MA1-18:P3.1]

Funkce a základní pojmy popisující jejich chování

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ OBECNÉ VLASTNOSTI

K oddílu I.1 základní pojmy, normy, normované prostory

Funkcionální řady. January 13, 2016

Přednáška 6, 7. listopadu 2014

KOMPLEXNÍ ČÍSLA A FUNKCE MNOŽINA KOMPLEXNÍCH ČÍSEL C. Alternativní popis komplexních čísel

Úvod základy teorie zobrazení

i=1 Přímka a úsečka. Body, které leží na přímce procházející body a a b můžeme zapsat pomocí parametrické rovnice

16 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

TEORIE MÍRY V některých předchozích kapitolách jste se setkali s měřením velikostí množin a víte, jaké byly těžkosti s měřením množin i na reálné ose.

Derivace funkce DERIVACE A SPOJITOST DERIVACE A KONSTRUKCE FUNKCÍ. Aritmetické operace

DERIVACE FUNKCE KOMPLEXNÍ PROMĚNNÉ

9. Vícerozměrná integrace

Matematická analýza pro informatiky I. Limita posloupnosti (I)

Texty k přednáškám z MMAN3: 3. Metrické prostory

9. Vícerozměrná integrace

MATEMATICKÁ ANALÝZA 1 - ZIMNÍ SEMESTR PŘEDNÁŠKA

1 Množiny, výroky a číselné obory

Petr Hasil. Prvákoviny c Petr Hasil (MUNI) Úvod do infinitezimálního počtu Prvákoviny / 57

10 Funkce více proměnných

Projekty - Úvod do funkcionální analýzy

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

Uzavřené a otevřené množiny

Bakalářská matematika I

Písemná zkouška z Matematiky II pro FSV vzor

Spojitost funkce. Spojitost je nejdůležitější obecná vlastnost funkcí. Umožňuje aproximace různých řešení.

Definice 7.1 Nechť je dán pravděpodobnostní prostor (Ω, A, P). Zobrazení. nebo ekvivalentně

Derivace funkce Otázky

f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. f(x) = (cos x) cosh x + 3x a nalezněte rovnici tečen ke grafu této funkce v bodech f(x) = (sin x) x2 + 3 cos x

Primitivní funkce a Riemann uv integrál Lineární algebra Taylor uv polynom Extrémy funkcí více prom ˇenných Matematika III Matematika III Program

1 Základní pojmy a vlastnosti Význačnéřady Základnívlastnostiřad... 3

(verze 12. května 2015)

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

Rovnice se separovanými proměnnými

+ 2y. a y = 1 x 2. du x = nxn 1 f(u) 2x n 3 yf (u)

Spojitost a limita funkce

Omezenost funkce. Definice. (shora, zdola) omezená na množině M D(f ) tuto vlastnost. nazývá se (shora, zdola) omezená tuto vlastnost má množina

Riemannův určitý integrál

Aplikovaná matematika I, NMAF071

Občas se používá značení f x (x 0, y 0 ), resp. f y (x 0, y 0 ). Parciální derivace f. rovnoběžného s osou y a z:

Jednou z nejdůležitějších funkcí, které se v matematice a jejích aplikacích používají je

Home. Obsah. Strana 1 MATEMATIKA. Fullscreen PRO LETECKÉ. Tisk OBORY II. Konec

MATEMATICKÁ ANALÝZA 1, NMMA101, ZIMNÍ SEMESTR POPIS PŘEDMĚTU A INFORMACE K ZÁPOČTU A KE ZKOUŠCE

Kapitola 2: Spojitost a limita funkce 1/20

Limita a spojitost LDF MENDELU

1 Báze a dimenze vektorového prostoru 1

Matematika pro informatiky

Bodová a stejnoměrná konvergence

10 Určitý integrál Riemannův integrál. Definice. Konečnou posloupnost {x j } n j=0 nazýváme dělením intervalu [a,b], jestliže platí

Matematika V. Dynamická optimalizace

I. Diferenciální rovnice. 3. Rovnici y = x+y+1. převeďte vhodnou transformací na rovnici homogenní (vzniklou

MATEMATIKA B 2. Integrální počet 1

Transkript:

STEJNOMĚRNÁ KONVERGENCE Zatím nebylo v těchto textech věnováno příliš pozornosti konvergenci funkcí, at jako limita posloupnosti nebo součet řady. Jinak byla posloupnosti funkcí nebo řady brána jako. To je samozřejmě základní pojem, ale v mnoha případech je příliš obecný a nestačí na dokazování některých užitečných tvrzení.

POSLOUPNOSTI A ŘADY FUNKCÍ Před uvedením různých konvergencí posloupností nebo řad funkcí je vhodné rozvést některé základní pojmy definované dříve. Není nutné se soustředit jen na funkce jedné proměnné a ani na reálné funkce. Ale ani není nutné probírat téma v úplně obecnosti. Zobrazení f z Euklidovského prostoru do Euklidovského prostoru dimenze m je m- tice (f 1,..., f m ) funkcí více proměnných s hodnotami v R. Protože základní vlastnosti funkce f jsou určeny vlastnostmi funkcí f i a v R m je po souřadnicích, stačí probírat případy reálných funkcí více proměnných R n R a omezit se na n 2. Nicméně, vzhledem k zjednodušení zápisu budou některé pojmy zavedeny nebo probírány obecněji. DEFINICE. Necht M je množina a pro n N je f n zobrazení M R. Posloupnost {f n } konverguje bodově na M k zobrazení f : M R, jestliže lim n f n (x) = f(x) pro každé x M, tj. ε x M k N n k ( f n (x) f(x) < ε ). Obvyklé značení je lim f n = f nebo f n f. Bodový součet řady zobrazení se může definovat jako bodová limita posloupnosti částečných součtů řady, nebo rovností ( fn ) (x) = fn (x) (ukažte, že se dostane tentýž pojem). Jak je obvyklé z teorie řad čísel, i řady funkcí nebo jejich součet se značí f n. VĚTA. Pro bodovou konvergenci na množině M platí:

1. lim n (f n + g n ) = lim n f n + lim n g n, má-li pravá strana smysl. 2. lim n (f n g n ) = lim n f n lim n g n, má-li pravá strana smysl. 3. lim n (f n /g n ) = lim n f n / lim n g n, má-li pravá strana smysl. DŮSLEDEK. n (af n + bg n ) = a n f n + b n g n, má-li pravá strana smysl, kde a, b jsou reálná čísla. 1 1 1

STEJNOMĚRNÁ KONVERGENCE Bodová limita posloupnosti spojitých funkcí nemusí být spojitá (například x n ) a jsou i další vlastnosti, které nemá. Je proto vhodné přidat nějakou další podmínku na konvergenci, aby se vyloučily ony špatné situace. Takovou jednoduchou podmínkou je stejnoměrnost : DEFINICE. Necht M je množina a pro n N je f n zobrazení M R. Posloupnost {f n } konverguje stejnoměrně na M k zobrazení f : M R, jestliže ε k N x M n k f n (x) f(x) < ε. Obvyklé značení je f n f. DEFINICE. Řada funkcí n f n konverguje na M stejnoměrně k funkci f, jestliže posloupnost částečných součtů { n f i } konverguje na M stejnoměrně k f. i=1 POZOROVÁNÍ. 1. Konverguje-li posloupnost {f n } k f stejnoměrně na M, konverguje na M k f i bodově. 2. (Bolzanova Cauchyova podmínka) Posloupnost {f n } konverguje na M stejnoměrně k nějaké funkci právě když platí: ε k N x M m, n k f n (x) f m (x) < ε.

3. Řada n f n konverguje na M stejnoměrně právě když platí: ε k N x M f n (x) < ε. n=k Poslední podmínka pro stejnoměrnou konvergenci řad lze též přepsat pomocí Bolzanovy Cauchyovy podmínky: ( ) m ε k N x M m > l > k f n (x) < ε. VĚTA. n=l

1. Posloupnost {f n } konverguje na M stejnoměrně k funkci f právě když platí lim n sup f n (x) f(x) = 0. x M 2. Jestliže f n má na M majorantní stejnoměrně konvergentní řadu (tj., existuje stejnoměrně konvergentní řada g n na M taková, že f n (x) g n (x) pro každé n a každé x M), pak f n konverguje na M stejnoměrně. 3. Necht f n (x) c n pro každé x M a c n konverguje. Pak f n konverguje na M stejnoměrně. Poslední podmínka pro stejnoměrnou konvergenci se často nazývá Weierstrassovo kritérium. V kapitole o číselných řadách byly, kromě kritérií pro absolutní konvergenci, dvě další kritéria pro konvergenci, a to Dirichletovo a Abelovo (Leibnizovo kritérium je speciální případ Dirichletova kritéria). VĚTA. Necht {f n }, {g n } jsou dvě posloupnosti funkcí na intervalu I. Řada konverguje na I stejnoměrně, jestliže {f n } je monotónní a bud n=1 f n g n (a) f n konverguje stejnoměrně k 0, {g n } má stejně omezené částečné součty (Dirichlet) nebo (b) {f n } je omezená a řada g n konverguje stejnoměrně na I (Abel), n=1

DŮSLEDEK. (Leibniz) Necht {f n }, {g n } je posloupnost nezáporných funkcí na intervalu I. Řada ( 1) n f n konverguje na I stejnoměrně, pokud {f n } je monotónní a f n n=1 konverguje stejnoměrně k 0 na I. 2 2 2

VLASTNOSTI STEJNOMĚRNÉ KONVERGENCE Přestože lze následující tvrzení o i a limitách dokázat i pro funkce více proměnných, pro jednoduchost budou v této části uvažovány funkce jedné proměnné, tj. definiční obor M bude podmnožinou reálných čísel.

Spojitost VĚTA. Necht {f n } je posloupnost (stejnoměrně) spojitých funkcí na M, která na M konverguje stejnoměrně k funkci f. Potom je f (stejnoměrně) spojitá funkce na M. DŮSLEDEK. Necht řada f n (stejnoměrně) spojitých funkcí na M konverguje stejnoměrně k funkci f. Potom je f (stejnoměrně) spojitá na M. Existuje situace, kdy lze předchozí větu obrátit. Monotónní posloupnost funkcí f n je bud nerostoucí nebo neklesající posloupnost, tj, např. v prvním případě, pro každé x z definičního oboru funkcí f n je f n (x) f n+1 (x). VĚTA. (Dini) Necht posloupnost spojitých funkcí konverguje monotónně ke spojité funkci na kompaktní množině. Pak je tato. 3 3 3

Stejnoměrná a Pokud f n f a lim f n (x) = p n, nastává otázka, zda lim n p n = lim f(x), tj., zda lze x a x a přehodit lim lim f n (x) = lim lim f n (x). n x a x a n Jak ukazuje příklad f n (x) = x n na [0, 1] a a = 1, pro bodovou konvergenci tato záměna limit platit nemusí. VĚTA. Necht {f n } je posloupnost funkcí na M, která na M konverguje stejnoměrně k funkci f. Pro libovolný hromadný bod a množiny M platí existuje-li pravá strana. lim n lim f n (x) = lim lim f n (x), x a x a n

DŮSLEDEK. Necht řada f n spojitých funkcí na M konverguje stejnoměrně. Potom pro libovolný bod a I je lim f n(x) = lim f n (x), x a x a existuje-li jedna strana. n n 4 4 4

Stejnoměrná a Opět se dají najít jednoduché příklady, že nelze přehodit limitu a integraci u bodové. VĚTA. Necht {f n } je posloupnost funkcí na omezeném intervalu I v R, která na I konverguje stejnoměrně k funkci f. Je-li {F n } posloupnost primitivních funkcí k f n na I, která konverguje alespoň v jednom bodě z I, pak {F n } konverguje stejnoměrně k primitivní funkci k f na I. DŮSLEDEK. Necht f n je řada funkcí na omezeném intervalu I v R, která na I konverguje stejnoměrně k funkci f. Jsou-li F n primitivní funkce k f n na I takové, že řada Fn (x) konverguje alespoň v jednom bodě x z I, pak F n konverguje stejnoměrně k primitivní funkci k f na I. Předchozí větu a její důsledek lze použít pro určité y: VĚTA. Necht {f n } je posloupnost spojitých funkcí na omezeném intervalu I. 1. Jestliže {f n } konverguje na I stejnoměrně k funkci f. Pak pro libovolný interval [a, b] I platí b a f(x) dx = lim n b a f n (x) dx.

2. Jestliže f n konverguje na I stejnoměrně k funkci f. Pak pro libovolný interval [a, b] I platí b a f(x) dx = n b a f n (x) dx.

Stejnoměrná a VĚTA. Necht {f n } je posloupnost spojitých funkcí na omezeném intervalu I, která konverguje alespoň v jednom bodě z I a {f n} konverguje na I stejnoměrně k funkci g. Potom {f n } konverguje na I stejnoměrně k nějaké funkci f a f = g. 5 5 5

MOCNINNÉ ŘADY Speciální případ řad funkcí, tzv. mocninné řady, se probíral v kapitole o Taylorových řadách funkcí. Některé podrobnosti o mocninných řadách budou nyní uvedeny, další budou probrány v kapitolách o komplexních funkcích. Na rozdíl od probíraných Taylorových řad se obecné mocninné řady budou definovat v rovině (tj., pro komplexní čísla). DEFINICE. Mocninná řada je řada Bod z 0 se nazývá střed mocninné řady. VĚTA. Pro každou mocninnou řadu a n (z z 0 ) n, kde a n, z 0, z R 2. a n (z z 0 ) n existuje číslo ρ [0, + ] takové, že řada konverguje na množině {z; z z 0 < ρ} a diverguje na množině {z; z z 0 > ρ}. Platí ρ = (lim sup n a n ) 1.

Číslo ρ z předchozí věty se nazývá dané mocninné řady. Z důkazu věty vyplývá následující tvrzení: DŮSLEDEK. Je-li q (0, ρ), kde ρ je řady tato řada konverguje stejnoměrně a absolutně na množině {z; z z 0 q}. a n (z z 0 ) n, pak DŮSLEDEK. Součtem mocninné řady je funkce spojitá na množině {z; z z 0 < ρ}, kde ρ je řady. Protože konverguje stejnoměrně na uzavřených kruzích uvnitř kruhu, lze použít předchozí věty o integraci a derivaci řad. VĚTA. Necht a n (x x 0 ) n má součet f(x) na intervalu (x 0 ρ, x 0 + ρ), kde ρ je řady. Potom na intervalu (x 0 ρ, x 0 + ρ) platí 1. f (x) = na n (x x 0 ) n 1 a této řady je ρ. 2. n=1 a n n+1 (x x 0) n+1 je primitivní funkce k f a této řady je ρ. Z druhého tvrzení vyplývá, že pro (a, b) (x 0 ρ, x 0 + ρ) je b a n f(x) dx = n + 1 ((b x 0) n+1 (a x 0 ) n+1 ). a

DŮSLEDEK. Necht funkce f je na otevřeném intervalu I součtem mocninné řady. Pak f má všech řádů na I. DŮSLEDEK. Necht funkce f je na otevřeném intervalu I součtem mocninné řady a n (x x 0 ) n. Potom a n = f (n) (x 0 ) n! jsou Taylorovy koeficienty funkce f v bodě x 0. VĚTA. (Abel) Necht a n (x x 0 ) n má součet f(x) na intervalu (x 0 ρ, x 0 + ρ), kde ρ je řady. Tato konverguje v bodě x 0 + ρ (nebo x 0 ρ) právě když tato konverguje na [x 0, x 0 + ρ) (resp. na (x 0 ρ, x 0 ]) stejnoměrně. To nastane právě když konverguje x 0 ) n. (Obdobně pro ρ.) 6 6 6 6 a n ρ n ; tento součet se pak rovná lim x x 0 +ρ a n (x

z kapitoly STEJNOMĚRNÁ KONVERGENCE

POSLOUPNOSTI A ŘADY FUNKCÍ Zobrazení f z Euklidovského prostoru do Euklidovského prostoru dimenze m je m- tice (f 1,..., f m ) funkcí více proměnných s hodnotami v R. Protože základní vlastnosti funkce f jsou určeny vlastnostmi funkcí f i a v R m je po souřadnicích, stačí probírat případy reálných funkcí více proměnných R n R a omezit se na n 2. DEFINICE. Necht M je množina a pro n N je f n zobrazení M R. Posloupnost {f n } konverguje bodově na M k zobrazení f : M R, jestliže lim n f n (x) = f(x) pro každé x M, tj. ε x M k N n k ( f n (x) f(x) < ε ). Obvyklé značení je lim f n = f nebo f n f. Bodový součet řady zobrazení se může definovat jako bodová limita posloupnosti částečných součtů řady, nebo rovností ( fn ) (x) = fn (x) (ukažte, že se dostane tentýž pojem). Jak je obvyklé z teorie řad čísel, i řady funkcí nebo jejich součet se značí f n. Bodová limita spojitých funkcí f n (x) = x n na intervalu [0, 1] není spojitá.

Bodovým limitám spojitých funkcí se říká funkce 1. Baireovy třídy. Funkce spojité jsou formálně 0.třídy.

STEJNOMĚRNÁ KONVERGENCE DEFINICE. Necht M je množina a pro n N je f n zobrazení M R. Posloupnost {f n } konverguje stejnoměrně na M k zobrazení f : M R, jestliže Obvyklé značení je f n f. ε k N x M n k f n (x) f(x) < ε. DEFINICE. Řada funkcí n f n konverguje na M stejnoměrně k funkci f, jestliže posloupnost částečných součtů { n f i } konverguje na M stejnoměrně k f. i=1 POZOROVÁNÍ. 1. Konverguje-li posloupnost {f n } k f stejnoměrně na M, konverguje na M k f i bodově. 2. (Bolzanova Cauchyova podmínka) Posloupnost {f n } konverguje na M stejnoměrně k nějaké funkci právě když platí: ε k N x M m, n k f n (x) f m (x) < ε. 3. Řada n f n konverguje na M stejnoměrně právě když platí: ε k N x M f n (x) < ε. n=k

Poslední podmínka pro stejnoměrnou konvergenci řad lze též přepsat pomocí Bolzanovy Cauchyovy podmínky: ( ) m ε k N x M m > l > k f n (x) < ε. n=l VĚTA. 1. (σ n podmínka.) Označme σ n = sup f n (x) f(x). x M Posloupnost {f n } konverguje na M stejnoměrně k funkci f právě když platí lim n σ n = 0.

2. (Majoranta.) Jestliže f n má na M majorantní stejnoměrně konvergentní řadu (tj., existuje stejnoměrně konvergentní řada g n na M taková, že f n (x) g n (x) pro každé n a každé x M), pak f n konverguje na M stejnoměrně. 3. (Weierstrass. M-test.) Necht f n (x) c n pro každé x M a c n konverguje. Pak f n konverguje na M stejnoměrně. VĚTA. Necht {f n }, {g n } jsou dvě posloupnosti funkcí na intervalu I. Řada konverguje na I stejnoměrně, jestliže {f n } je monotónní a bud n=1 f n g n (a) f n konverguje stejnoměrně k 0, {g n } má stejně omezené částečné součty (Dirichlet) nebo (b) {f n } je omezená a řada g n konverguje stejnoměrně na I (Abel), n=1 DŮSLEDEK. (Leibniz) Necht {f n }, {g n } je posloupnost nezáporných funkcí na intervalu I. Řada ( 1) n f n konverguje na I stejnoměrně, pokud {f n } je monotónní a f n n=1 konverguje stejnoměrně k 0 na I.

VLASTNOSTI STEJNOMĚRNÉ KONVERGENCE

Spojitost VĚTA. Necht {f n } je posloupnost (stejnoměrně) spojitých funkcí na M, která na M konverguje stejnoměrně k funkci f. Potom je f (stejnoměrně) spojitá funkce na M. DŮSLEDEK. Necht řada f n (stejnoměrně) spojitých funkcí na M konverguje stejnoměrně k funkci f. Potom je f (stejnoměrně) spojitá na M. Pro monotónní funkce lze větu obrátit. Monotónní posloupnost funkcí f n je bud nerostoucí nebo neklesající posloupnost, tj, např. v prvním případě, pro každé x z definičního oboru funkcí f n je f n (x) f n+1 (x). VĚTA. (Dini) Necht posloupnost spojitých funkcí konverguje monotónně ke spojité funkci na kompaktní množině. Pak je tato.

Stejnoměrná a Pokud f n f a lim f n (x) = p n, nastává otázka, zda lim n p n = lim f(x), tj., zda lze x a x a přehodit lim lim f n (x) = lim lim f n (x). n x a x a n Jak ukazuje příklad f n (x) = x n na [0, 1] a a = 1, pro bodovou konvergenci tato záměna limit platit nemusí. VĚTA. Necht {f n } je posloupnost funkcí na M, která na M konverguje stejnoměrně k funkci f. Pro libovolný hromadný bod a množiny M platí existuje-li pravá strana. lim n lim f n (x) = lim lim f n (x), x a x a n

DŮSLEDEK. Necht řada f n spojitých funkcí na M konverguje stejnoměrně. Potom pro libovolný bod a I je lim f n(x) = lim f n (x), x a x a existuje-li jedna strana. n n

Stejnoměrná a Opět se dají najít jednoduché příklady, že nelze přehodit limitu a integraci u bodové. Například f n (x) = (n + 1)x n na [0, 1). VĚTA. Necht {f n } je posloupnost funkcí na omezeném intervalu I v R, která na I konverguje stejnoměrně k funkci f. Je-li {F n } posloupnost primitivních funkcí k f n na I, která konverguje alespoň v jednom bodě z I, pak {F n } konverguje stejnoměrně k primitivní funkci k f na I. DŮSLEDEK. Necht f n je řada funkcí na omezeném intervalu I v R, která na I konverguje stejnoměrně k funkci f. Jsou-li F n primitivní funkce k f n na I takové, že řada Fn (x) konverguje alespoň v jednom bodě x z I, pak F n konverguje stejnoměrně k primitivní funkci k f na I. VĚTA. Necht {f n } je posloupnost spojitých funkcí na omezeném intervalu I. 1. Jestliže {f n } konverguje na I stejnoměrně k funkci f. Pak pro libovolný interval [a, b] I platí b a f(x) dx = lim n b a f n (x) dx. 2. Jestliže f n konverguje na I stejnoměrně k funkci f. Pak pro libovolný interval [a, b] I platí b a f(x) dx = n b a f n (x) dx.

Stejnoměrná a VĚTA. Necht {f n } je posloupnost spojitých funkcí na omezeném intervalu I, která konverguje alespoň v jednom bodě z I a {f n} konverguje na I stejnoměrně k funkci g. Potom {f n } konverguje na I stejnoměrně k nějaké funkci f a f = g. Příklad. Porovnejte na [0, 1] konvergenci f n (x) = x n, g n (x) = x n x n+1, h n (x) = x n x 2n. Příklad. (Trik nx.) Pro danou funkci g(x) zkoumejte chování f n (x) = g(nx). Příklad. (Trik x/n.) Pro danou funkci g(x) zkoumejte chování f n (x) = g(x/n). Příklad. (Trik x n.) Pro danou funkci g(x) zkoumejte chování f n (x) = g(x n ). Příklad. (Trik n x.) Pro danou funkci g(x) zkoumejte chování f n (x) = g( n x).

DEFINICE. Mocninná řada je řada MOCNINNÉ ŘADY Bod z 0 se nazývá střed mocninné řady. a n (z z 0 ) n, kde a n, z 0, z R 2. VĚTA. Pro každou mocninnou řadu a n (z z 0 ) n existuje číslo ρ [0, + ] takové, že řada konverguje na množině {z; z z 0 < ρ} a diverguje na množině {z; z z 0 > ρ}. Platí ρ = (lim sup n a n ) 1. Číslo ρ z předchozí věty se nazývá dané mocninné řady. DŮSLEDEK. Je-li q (0, ρ), kde ρ je řady tato řada konverguje stejnoměrně a absolutně na množině {z; z z 0 q}. a n (z z 0 ) n, pak

DŮSLEDEK. Součtem mocninné řady je funkce spojitá na množině {z; z z 0 < ρ}, kde ρ je řady. VĚTA. Necht a n (x x 0 ) n má součet f(x) na intervalu (x 0 ρ, x 0 +ρ), kde ρ je řady. Potom na intervalu (x 0 ρ, x 0 + ρ) platí 1. f (x) = na n (x x 0 ) n 1 a této řady je ρ. 2. n=1 a n n+1 (x x 0) n+1 je primitivní funkce k f a této řady je ρ. Z druhého tvrzení vyplývá, že pro (a, b) (x 0 ρ, x 0 + ρ) je b a n f(x) dx = n + 1 ((b x 0) n+1 (a x 0 ) n+1 ). a DŮSLEDEK. Necht funkce f je na otevřeném intervalu I součtem mocninné řady. Pak f má všech řádů na I. DŮSLEDEK. Necht funkce f je na otevřeném intervalu I součtem mocninné řady a n (x x 0 ) n. Potom a n = f (n) (x 0 ) n!

jsou Taylorovy koeficienty funkce f v bodě x 0. VĚTA. (Abel) Necht a n (x x 0 ) n má součet f(x) na intervalu (x 0 ρ, x 0 + ρ), kde ρ je řady. Tato konverguje v bodě x 0 + ρ (nebo x 0 ρ) právě když tato konverguje na [x 0, x 0 + ρ) (resp. na (x 0 ρ, x 0 ]) stejnoměrně. To nastane právě když konverguje x 0 ) n. (Obdobně pro ρ.) a n ρ n ; tento součet se pak rovná Příklad. Pomocí mocninných řad sečtěte (tam, kde to jde) x n n. Příklad. Pomocí mocninných řad sečtěte (tam, kde to jde) (n + 1)x n. lim x x 0 +ρ a n (x Příklad. Najděte Taylorovu řadu arctg x pomocí rozvoje. Příklad. Najděte Taylorovu řadu log(x + 1) pomocí rozvoje. Pomocí Abelovy věty o limitě mocninných řad ukažte, že Taylorův rozvoj funkce log(x + 1) je platný i pro x = 1. Příklad. Sečtěte následující řadu + n=1 ( 1) n 2n + 3.

Řešení. Nejprve si uvědomme, že podle Dirichlet-Abelova kriteria z řada konverguje. Budeme uvažovat řadu + ( 1) n S(x) = 2n + 3 x2n+3, pro x (0, 1). Derivací této řady získáme řadu kterou již snadno sečteme. S (x) = + n=2 + n=1 n=1 Pro primitivní funkce tedy platí rovnost ( 1) n x 2n+2 = + n=2 ( 1) n (x 2 ) n, ( 1) n (x 2 ) n = 1 + x 2 + 1 1 + x 2 S(x) = x + 1 3 x3 + arctan x. Podle Abelovy věty je hledaný součet roven limitě lim x 1 S(x) = 1 + 1 + π 4 = π 4. Příklad. Spočtěte s přesností 10 3 následující 1 0 e x2 dx.

Řešení. Protože neznáme primitivní funkci k e x2, využijeme teorie mocninných řad. 1 0 e x2 dx = 1 0 + ( 1) n x 2n n! dx. 1 0 + Protože například dostáváme výsledek ( 1) n x 2n n! + n=11 dx = + 1 + 1 (2n + 1)n! 1 0 0 e x2 dx. = n=11 ( 1) n x 2n 10 n! dx = + 1 2 n = 2 10 < 10 3, ( 1) n (2n + 1)n!. ( 1) n (2n + 1)n!.