Convergência uniforme

Na análise descreve a convergência uniforme a propriedade de uma sequência de funções , com alguém fora do argumento de função "velocidade" para uma função limite para convergir . Em contraste com a convergência ponto a ponto , o conceito de convergência uniforme permite que propriedades importantes das funções , como continuidade e integrabilidade de Riemann, sejam transferidas para a função limite .

história

O termo é geralmente atribuído a Karl Weierstrass na década de 1840 (primeiro em um artigo em 1841, mas que não foi publicado até 1894), que por sua vez o descobriu sugerido por seu professor Christoph Gudermann (1838), e ainda estava ausente no estrutura original de análise Augustin-Louis Cauchy . Isso levou a alguns erros no Cours d'Analyse de Cauchy de 1821, particularmente no chamado teorema da soma de Cauchy. Cauchy afirmou ter provado que uma série convergente de funções contínuas é contínua, mas Niels Henrik Abel logo depois deu um contra-exemplo em 1826 . Philipp Ludwig Seidel ( convergência infinitamente lenta ) e George Gabriel Stokes 1847 ( convergência infinitamente lenta , pontos com convergência não uniforme ) provaram independentemente que o teorema se aplica quando a convergência ponto a ponto é substituída por convergência uniforme (de acordo com o entendimento atual ). Seidel vinculado diretamente a Cauchy e Peter Gustav Lejeune Dirichlet , que deu exemplos de séries de Fourier que convergem para funções descontínuas. Stokes, por outro lado, não se referiu a Cauchy, mas a um ensaio sobre séries de poder por John Radford Young de 1846. Depois de Ivor Grattan-Guinness , o sueco Emanuel G. Björling (1846/47) pode ter se juntado aos dois como o originador do conceito. Houve também uma discussão ( Pierre Dugac 2003) se Cauchy conhecia e implicitamente usou o termo (e o relacionado de continuidade uniforme) em outro livro um pouco mais tarde, em 1823. Um grupo de historiadores da matemática e matemáticos, como Detlef Laugwitz e Abraham Robinson, mais tarde tentou salvar a prova de Cauchy, perseguindo a ideia de que Cauchy, que introduziu explicitamente pequenas quantidades em seu livro, usou uma forma de análise não padrão , que foi entretanto, não foi o caso com a maioria dos pesquisadores de Cauchy que falhou e foi tomado como um exemplo de uma interpretação forçada da história da matemática de um ponto de vista moderno. Em seu livro, Klaus Viertel chegou a um quadro mais diferenciado de um desenvolvimento apenas gradual dos conceitos de continuidade e convergência no sentido atual, mesmo no contexto da Escola Weierstrass, onde o conceito também foi sujeito a mudanças ao longo do tempo. No início do século 20 já havia vários desenvolvimentos adicionais do termo (quase-convergência em Godfrey Harold Hardy 1918, William Henry Young 1903, 1907).

definição

Uma sequência de funções é fornecida

,

que atribui uma função de valor real a cada número natural e uma função . Deixe tudo e ser definido no mesmo conjunto de definições . A sequência converge uniformemente para se e somente se

Considera-se aqui a diferença absoluta de e para todos do domínio da definição . O conjunto dessas diferenças é ilimitado ou tem um menor limite superior, um supremo . A convergência uniforme de contra significa que este supremo existe para quase todos e tende a zero quando tende ao infinito.

Esse fato também pode ser definido de forma diferente: todos os termos são como acima. Em seguida, converge uniformemente a se e somente se existe para todos um , de modo que para todos e para tudo se aplica:

exemplo

Que seja um número real. A sequência de funções converge para a função nula de maneira uniforme . Tem que ser mostrado que

.

Cada um está aumentando para não negativo e monótono , então e por causa disso vai contra .

A especificação da faixa de convergência é essencial aqui: a sequência ainda converge ponto a ponto para a função nula no intervalo de unidade aberto à direita , mas não mais uniformemente. Agora é verdade , então é particularmente

.

Comparação entre convergência uniforme e ponto-a-ponto

A escolha de com convergência uniforme depende apenas de. Em contraste, a convergência ponto-a-ponto depende de e de. Formulado para ambos os conceitos de convergência usando quantificadores, vê-se que eles estão na ordem de "introdução" e diferentes um do outro e, portanto, são a função de duas variáveis ​​(ver sublinhado):

convergência pontual: e
convergência uniforme:

d. . H, por obrigação convergência pontual para cada e cada número natural tipo, de tal forma que para todos é aplicável o seguinte: .

A convergência ponto a ponto decorre da convergência uniforme, mas não vice-versa. Por exemplo, a sequência de funções converge definida por

pointwise contra a função nula para cada um , mas não é uma sequência uniformemente convergente.

Descrição

Um dos seguintes termos é geralmente usado para a convergência uniforme de uma sequência de funções que luta contra

ou

ou

Convergência uniforme em um ponto

Diz-se que uma sequência de funções converge uniformemente para se

Se a validade da desigualdade para pelo menos um é exigida em vez de para todos , então a convergência é chamada de uniforme.seqüências uniformemente convergentes também são uniformemente convergentes. A convergência uniforme não implica convergência ponto-a-ponto.

Ser

  • a classe de sequências de funções uniformemente convergentes,
  • a classe de sequências de funções que convergem uniformemente em todos os pontos e
  • a classe de sequências de funções convergindo pontualmente em cada ponto.

Assim, aplica-se: .

A sequência de funções mencionada acima está em , portanto, ela converge igualmente em todos os pontos, mas não globalmente.

Um exemplo de sequência de funções de é definido por

A sequência de funções converge ponto a ponto para a função nula. Porque todo número racional está em todos aqueles que são iguais ou maiores que o denominador na representação completamente abreviada da fração . Por outro lado, sempre existem apenas números racionais finitos na interseção de um intervalo arbitrário . Portanto, para cada número sempre há (infinitamente muitos racionais) números cuja distância é muito pequena e que não estão dentro . Portanto, a sequência não converge uniformemente em nenhum ponto.

Inferências

Como já mencionado, o conceito de convergência uniforme permite afirmações sobre a função limite com base nas propriedades da sequência, o que não é possível com a convergência ponto a ponto. A seguir, as notações são as mesmas da definição acima, vamos ser um intervalo real . O resultado das seguintes sentenças :

continuidade

  • Que seja uma sequência de funções contínuas . Se converge uniformemente para , então é contínuo. Em vez de exigir convergência uniforme, também é suficiente assumir a convergência uniforme simples .
  • Let Ser uma seqüência de funções que converge pointwise. Todos eles também estão estáveis. é contínuo se e somente se for uniformemente convergente no ponto .
  • O conjunto de pontos de convergência uniforme e o conjunto de pontos de convergência uniforme de uma sequência de funções que converge ponto a ponto são, cada um, G δ conjuntos .
  • As sequências de funções uniformemente convergentes com um domínio compacto de definição são todas igualmente contínuas .
  • Let Ser um intervalo compacto e uma seqüência igualmente contínua. Se convergir ponto a ponto , também convergirá uniformemente.
  • Let Ser uma seqüência de funções com um domínio compacto . tem uma subseqüência uniformemente convergente se e somente se é uniformemente contínua e é limitada em todos os pontos por ( teorema de Arzelà-Ascoli ).

Diferenciabilidade

Não existe um resultado tão forte para a diferenciabilidade da função limite quanto para a continuidade. Que sejam diferenciáveis e uniformemente convergentes para . Em geral, a função limite não precisa nem mesmo ser diferenciável e, se for, sua derivada não precisa de forma alguma ser igual ao limite das derivadas da sequência. Por exemplo, B. a sequência de funções definida por uniformemente em direção a 0, mas não a sequência de derivadas .
Em geral, pode-se dizer: todos são diferenciáveis. Se ele converge em um ponto e a sequência de derivadas converge uniformemente contra , então converge ponto-a-ponto (mesmo localmente uniformemente) contra a e é diferenciável com a derivada .

Integrabilidade

Para a integral de Riemann em intervalos, integração e formação de valor limite podem ser trocadas com convergência uniforme:

Todos são (Riemann-) integráveis. Se converge uniformemente para , então Riemann é integrável, e a integral de é o limite das integrais de .

Um exemplo de uma sequência de funções ponto a ponto, mas não uniformemente convergente, em que a integral não pode ser trocada com o valor limite, é fornecida por esta sequência de funções: Para cada uma, a função é definida por

contínuo e, portanto, Riemann integrável. O seguinte se aplica ao integral

.

A sequência de funções converge ponto a ponto para a função nula para todos . Então é

A convergência ponto a ponto não é, portanto, suficiente para que o valor limite e o sinal integral sejam trocados.

Teorema de Dini

Se houver um compacto intervalo e uma sequência monótona de funções contínuas (isto é ≥ ou ≤ para cada e cada ) que converge apontar-aconselhável uma função igualmente contínua , então também converge uniformemente.

Generalizações

Convergência uniforme de sequências complexas de funções

definição

A convergência uniforme para sequências de funções complexas é definida exatamente da mesma maneira que no caso de sequências de funções reais. Uma sequência de funções

significa contra

uniformemente convergente se

Convergência uniforme de cordas

é chamado cordal uniformemente convergente se

no qual

é o termo para espaçamento de cordas.

Ser

  • a classe de sequências de funções que são uniformemente convergentes,
  • a classe de sequências de funções convergindo uniformemente em cordais e
  • a classe das sequências de função convergentes pontuais para uma função limitada interna.

Se aplica

propriedades

Semelhante à convergência uniforme de sequências de funções reais , o valor limite uniforme também pode ser intercambiado com o diferencial ou a integral da curva em complexos .

Convergência uniforme μ-quase em todos os lugares

A convergência uniforme µ-quase em todos os lugares é uma modificação teórica da convergência uniforme. Exige apenas convergência uniforme em quase todos os pontos. Assim, em um conjunto zero , não precisa haver nenhuma convergência uniforme ou mesmo nenhuma convergência. A convergência uniforme corresponde à convergência na p-ésima média para o caso limítrofe e pode, portanto, ser embutida na teoria dos espaços Lp através das normas integrais correspondentes por meio do supremo essencial . Fala-se então da convergência em .

Convergência quase uniforme

Como a convergência uniforme μ-quase em todos os lugares, a convergência quase uniforme é uma variante teórica medida da convergência uniforme. Ela exige que haja convergência uniforme no complemento de um conjunto de medidas arbitrariamente pequenas. Este é um aperto real da convergência uniforme µ - quase em todos os lugares.

Convergência uniforme em espaços métricos

Seja uma quantidade, um espaço métrico e uma sequência de funções. Esta sequência de funções é uniformemente convergente para , se toda uma fá-lo

se aplica.

Convergência uniforme em espaços uniformes

De forma totalmente análoga, a convergência uniforme de funções pode definir em um espaço uniforme com um sistema de vizinhanças : um filtro (ou mais geralmente uma base de filtro ) no conjunto de funções para uma quantidade converge para uma função , se para cada vizinhança existe um , então

.

Veja também

literatura

  • Klaus Viertel: História da Convergência Uniforme . Springer 2014

Links da web

Evidência individual

  1. St. Goebbels, St. Ritter: Compreensão e aplicação da matemática - do básico à série de Fourier e transformação de Laplace. Spektrum, Heidelberg 2011. ISBN 978-3-8274-2761-8 , pp. 360-369.
  2. ^ Anton Deitmar: Análise . 2ª Edição. Springer Spectrum, Tübingen, p. 147 .
  3. Seidel: Nota sobre uma propriedade da série que representa funções descontínuas . In: Treatises of the Mathem.-Physikalische Class of the Royal Bavarian Academy of Sciences , Volume 5, 1847, pp. 381-394. Reeditado por Heinrich Liebmann em 1900 na série Ostwalds Klassiker com um ensaio de Dirichlet (1837).
  4. ^ Stokes: Sobre os valores críticos das somas das séries periódicas . 1847. Em: Stokes, Mathematical and Physical Papers , Volume 1, Cambridge UP, 1880, p. 237, archive.org
  5. Isso é posto em dúvida no livro de Klaus Viertel, assim como a conclusão de Alfred Pringsheim na Encyclopedia of Mathematical Sciences (1899). Cauchy teria definido nitidamente o termo convergência uniforme em 1853 e o teria considerado independente de Seidel e Stokes.
  6. Klaus Viertel: História da Convergência Uniforme . Springer, 2014
  7. a b c H. Heuser: Textbook of Analysis. BG Teubner, Stuttgart 1984, ISBN 3-519-22221-3 , Parte 1, XIII., 103., 106.
  8. ^ V. Zorich: Analysis II. Springer, 2007, ISBN 978-3-540-46231-6 .
  9. a b c F. Hausdorff: Fundamentos da teoria dos conjuntos. 1914, Chelsea Publishing Co., New York 1949, cap. IX, § 4.