函数项级数一致收敛的定义
函数项级数一致收敛判别(Word)
1.函数项级数定义定义 设(){}nu x 是定义在数集E 上的一个函数列表达式:()()()12......n u x u x u x ++++ x E ∈ (1)称为定义在E 上的函数项级数,简称为函数级数.记作为1()nn ux ∞=∑或()n u x ∑.1()()nn k k S x u x ==∑称为函数项级数(1)的部分和函数列.若0x E ∈函数项级数: ()()()10200......n u x u x u x ++++ (2) 收敛,即部分和001()()nn k k S x u x ==∑,当n →∞时,极限存在,则称级数(1)在点0x 收敛,0x 称为收敛点.级数(1)在D 上的每一点x 与其所对应的数项级数(2)的和()S x 构成一个定义在D 上的函数称为级数（1）的和函数，即lim ()()n n S x S x →∞=.2.函数项级数一致收敛的几种判别法判别法1 (函数项级数一致收敛的定义)设函数级数()1n n u x ∞=∑在区间D 收敛于和函数()S x ，若0,,,N N n N x D ε+∀>∃∈∀>∀∈有:()()()n n S x S x R x ε-=< 则称函数级数()1n n u x ∞=∑在区间D 上一致收敛或一致收于和函数()Sx .例1 证明函数项级数nn x∞=∑在区间 []1,1δδ-+-(其中01δ<<)一致收敛.证明 ∀()0,1x ∈有01()1knnn k x S x x x =-==-∑.1()lim ()1n n S x S x x→∞==-. 11()()()1111nn nn n x x x S x S x R x x x x x-∴-==-==----. 对∀[]1,1x δδ∈-+-,对∀ε>要使不等式(1)()()()1nnn n xS x S x R x xδεδ--==≤<-成立.从而要不等式(1)nδεδ-<解得ln ln(1)n εδδ>-.取ln ln(1)N εδδ⎡⎤=⎢⎥-⎣⎦.于是∀0ε>,存在ln ln(1)N N εδδ+⎡⎤=∈⎢⎥-⎣⎦,∀n N >∀[]1,1x δδ∈-+-有:()()()n n S x S x R x ε-=<成立.所以函数项级数nn x∞=∑在区间[]1,1δδ-+-(其中01δ<<)一致收敛.非一致收敛的定义设函数项级数()1n n u x ∞=∑在区间I 非一致收敛于和函数()S x ，若∀0oε>，∀N N +∈,0,o n N x I ∃>∃∈有：000()()n S x S x ε-≥成立.则称函数项级数()1n n u x ∞=∑在区间I 上非一致收敛或非一致收敛于()S x .例2 证明函数项级数nn x∞=∑在区间 ()1,1-非一致收敛.证明 01ε∃=，∀N N +∈，()00111,1x n ∃=-∈-有： 000000001(1)1()()()(1)11n n n n n S x S x R x n n n --===-≥ 00000111lim(1)(1)1n n n n N n n e n +→∞⎛⎫-=∃∈-≥ ⎪⎝⎭所以，使.即函数项级数0nn x∞=∑在()1,1-非一致收敛.函数项级数一致收敛的几何意义函数项级数()1n n u x ∞=∑在区间I 一致收敛于()S x 的几何意义是,不论给定的以曲线()()S x S x εε+-与为边界的带形区域怎样窄,总存在正整数N (通用的N ),n N ∀>,任意一个部分和()n S x 的图像都位于这个带形区间内(如图1).若函数项级数在某个区间不存在通用的N ,就是非一致收敛.判别法2 (确界判别法)函数项级数()1n n u x ∞=∑在数集D 上一致收敛于()S x 的充要条件：limsup ()limsup ()()0n n n n x Dx DR x S x S x →∞→∞∈∈=-=.证明 (⇒) 已知函数项级数()1n n u x ∞=∑在区间D 一致收敛于()S x .即0,,,N N n N x D ε+∀>∃∈∀>∀∈有: ()()n S x S x ε-<.从而()()sup n x DS x S x ε∈-≤,即limsup ()()0n n x DS x S x →∞∈-=. (⇐)已知limsup ()()0n n x DS x S x →∞∈-=,即0,,,N N n N x Dε+∀>∃∈∀>∀∈有()()sup n x DS x S x ε∈-<.从而x D ∀∈有()()n S x S x ε-<.即函数项级数()1n n u x ∞=∑在区间D 上一致收敛于()S x .例3 证明 函数项级数()()111n x n x n ∞=+++∑在()0,+∞内一致收敛.证明 ()()()111nn k S x x k x k ==+++∑1111n k x kx k =⎛⎫=- ⎪+++⎝⎭∑11111111...122311x x x x x n x n x n x n ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫=-+-++-+- ⎪ ⎪ ⎪ ⎪+++++-++++⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭1111x x n =-+++; ()0,x ∈+∞. ()()111lim lim111n n n S x S x x x n x →∞→∞==-=++++. 1lim sup ()()lim sup01n n n x Dx DS x S x x n →∞→∞∈∈∴-==++.所以函数级数()()111n x n x n ∞=+++∑在()0,+∞内一致收敛. 判别法3 (柯西一致收敛准则)函数级数()1n n u x ∞=∑在区间I 一致收敛0,,,,N N n N p N x I ε++⇔∀>∃∈∀>∀∈∀∈有：()()()12...n n n p u x u x u x ε++++++<.证明 必要性()⇒已知函数级数()1n n u x ∞=∑在区间I 一致收敛.设其和函数是()S x ，即0,,,,N N n N p N x I ε++∀>∃∈∀>∀∈∀∈有()()n S x S x ε-<也有()()n p S x S x ε+-<.于是()()()()12()n n n p n p n u x u x u x S x S x +++++++=-()()()()n p n S x S x S x S x +=-+-()()()()2n p n S x S x S x S x εεε+≤-+-<+=.充分性()⇐：已知0,,,,N N n N p N x I ε++∀>∃∈∀>∀∈∀∈，有:()()()()12()n n n p n p n u x u x u x S x S x ε+++++++=-<所以当P →+∞时上述不等式有:()()()n n S x S x R x ε-=≤即函数项级数()1n n u x ∞=∑在区间I 一致收敛.例4 讨论函数项级数111n n n x x n n +∞=⎛⎫- ⎪+⎝⎭∑在区间[]1,1-的一致收敛性. 解 应用柯西一致收敛准则[]1,1x ∀∈-即1,0x ε≤∀>，要使不等式()()12231223n n n n n p n x x x x S x S x n n n n +++++⎛⎫⎛⎫-=-+- ⎪ ⎪++++⎝⎭⎝⎭11n p n p x x n p n p ++-⎛⎫++- ⎪++-⎝⎭11111212n n p n n p x x x x n n n n ++++++=-≤+++++ 112111n n p n ε≤+<<++++ 成立，从不等式21n ε<+解得21n ε>-取21N ε⎡⎤=-⎢⎥⎣⎦于是0,ε∀>21,N ε⎡⎤∃=-⎢⎥⎣⎦[],,1,1n N p N x +∀>∀∈∀∈-，有()()n p n S x S x ε+-<，即函数级数111n n n x x nn +∞=⎛⎫- ⎪+⎝⎭∑在区间[]1,1-一致收敛.在这个例子中我们用确界判别法来也可以判断它的收敛性方法2 122311()()()()...()12231k k n n nn k x x x x x x x S x x kk n n ++=⎛⎫=-=-+-++- ⎪++⎝⎭∑ 11n x x n +=-+.lim ()()n n S x S x x →∞==故[][]11,11,11lim sup ()()lim suplim 011n n n n n x x x S x S x n n +→∞→∞→∞∈-∈--===++. 所以函数级数111n n n x x nn +∞=⎛⎫- ⎪+⎝⎭∑在区间[]1,1-一致收敛. 判别法4 (M 判别法)有函数项级数()1n n u x ∞=∑，I 是区间，若存在收敛的正项级数1,,nn an N ∞+=∀∈∑x I ∀∈，有()n n u x a ≤，则函数级数()1n n u x ∞=∑在区间I 一致收敛.证明 正项级数1nn a∞=∑收敛根据柯西一致收敛准则，即0,,,N N n N ε+∀>∃∈∀>p N +∀∈，有 12n n n p a a a ε+++++<由已知条件，x I ∀∈，有()()()12n n n p u x u x u x ++++++ ()()()12n n n p u x u x u x +++≤+++12n n n p a a a ε+++≤+++<即函数级数()1n n u x ∞=∑在区间I 一致收敛.例5 判断函数项级数1(1)!nn x n ∞=-∑在[],x r r ∈-上是否一致收敛.解∀[],x r r ∈-,有(1)!(1)!n nx r n n ≤--. 令(1)!n n r a n =-,则11(1)!lim lim lim 0!n n n n n n na r n ra n r n ++→∞→∞→∞-===. 所以(1)!n r n -∑是收敛.由M 判别法函数项级数1(1)!nn x n ∞=-∑在[],x r r ∈-上一致收敛.例6 证明4211n xn x ∞++∑在R 一致收敛. 证：x R ∀∈，有()224221210n x n x n x-+=-≥所以24221n x n x ≤+，即242211n x n x ≤+.故242422212111122n x n x n x n n =⋅≤++已知优级级数2112n n ∞=⎛⎫⎪⎝⎭∑收敛，根据M 判别法.函数级数4211n xn x ∞++∑在R 中一致收敛. 注 M 判别法是判别函数项级数一致收敛的很简使得判别法.但是这个方法有很大的局限性,凡能用M 判别法函数项级数必是一致收敛,此函数项级数必然是绝对收敛;如果函数项级数是一致收敛,而非绝对收敛,即条件收敛,那么就不能使用M 判别法.判别法5 (狄利克雷判别法)若级数()()1nnn a x b x ∞=∑满足如下条件：(1)函数列(){}n a x 对每个x I ∈是单调的且在区间I 一致收敛于0. (2)函数级数()1n n b x ∞=∑的部分和函数列(){}n B x 在区间I 一致有界，则函数级数()()1nnn a x b x ∞=∑在I 一致收敛.证明 已知函数列(){}n a x 一致收敛于0即0,N N ε+∀>∃∈，n N ∀>，x I ∀∈有1n a ε+<.又已知函数级数()1n n b x ∞=∑的部分和函数列(){}n B x 在区间I 一致有界。
函数项级数收敛和一致收敛的判别
函数项级数收敛和一致收敛的判别函数项级数收敛和一致收敛的判别函数项级数是指将一列函数相加得到的级数，例如：$%sum%limits_{n=1}^%infty f_n(x)$。
如果该级数在某个区间内收敛，则称该级数在该区间内收敛，否则称该级数在该区间内发散。
函数项级数的收敛性可以分为点态收敛和一致收敛两种。
点态收敛是指对于每一个$x$，级数$%sum%limits_{n=1}^%inftyf_n(x)$都收敛，而一致收敛则是指存在一个收敛的函数$S(x)$，使得对于任意$%epsilon>0$，存在一个正整数$N$，使得当$n>N$时，对于所有$x$都有$|%sum%limits_{k=1}^n f_k(x)-S(x)|<%epsilon$。
下面将介绍函数项级数的一致收敛的判别方法：一、Weierstrass判别法Weierstrass判别法是判定函数项级数一致收敛的最常用方法之一。
其基本思想是将原函数项级数中的每一项$f_n(x)$都用一个上界函数$M_n(x)$来代替，并且要求这个上界函数满足以下两个条件：1. 对于任意$n$和$x$，都有$|f_n(x)|%leq M_n(x)$。
2. 上界函数$M_n(x)$的函数项级数$%sum%limits_{n=1}^%infty M_n(x)$在该区间内收敛。
如果满足上述条件，则原函数项级数在该区间内一致收敛。
二、Abel判别法Abel判别法是另一种判定函数项级数一致收敛的方法。
其基本思想是将原函数项级数表示为两个部分的乘积：$%sum%limits_{n=1}^%infty a_n(x)b_n(x)$，其中$a_n(x)=%sum%limits_{k=1}^n f_k(x)$，$b_n(x)$是一个单调有界函数。
如果满足以下两个条件，则原函数项级数在该区间内一致收敛：1. 函数$a_n(x)$在该区间内一致有界。
2. 函数$b_n(x)$在该区间内一致收敛到某个函数$B(x)$。
函数项级数一致收敛性判别及应用
函数项级数一致收敛性判别及应用函数项级数是由一系列函数的和组成的级数，通常用于描述函数的展开式或泰勒级数。
对于某些函数项级数，我们希望判断其在一定的条件下是否具有一致收敛性，这对于分析和解决问题具有很大的价值。
本文将介绍一些函数项级数一致收敛性的判别方法及其应用。
一、函数项级数收敛的定义设 $f_n$ 为定义在区间 $I$ 上的函数序列，如果存在函数 $f$ 使得$\lim_{n\to\infty}f_n(x)=f(x)$ 对于所有 $x\in I$ 成立，则称函数序列$\{f_n\}$ 在 $I$ 上逐点收敛于函数 $f$，并记为 $f_n\to f$（$n\to\infty$）。
二、Weierstrass 判别法Weierstrass 判别法是判断函数项级数一致收敛性的重要方法之一。
它通常用于非负函数项级数。
证明如下：设 $s_N(x)=\sum_{n=1}^{N}f_n(x)$ 为前 $N$ 项和函数，$s(x)=\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ 为级数的和函数。
由于 $|f_n(x)|\leq M_n$，所以对于 $m>n$，有 $|s_m(x)-s_n(x)|=|\sum_{k=n+1}^{m}f_k(x)|\leq\sum_{k=n+1}^{m}|f_k(x)|\leq \sum_{k=n+1}^{m}M_k$。
三、Abel 判别法1. 证明 Riemann 积分的线性性如果函数 $f(x)$ 和 $g(x)$ 在区间 $[a,b]$ 上 Riemann 可积，则它们的线性组合$\alpha f(x)+\beta g(x)$ 也在 $[a,b]$ 上 Riemann 可积，并且$$\int_a^b(\alpha f(x)+\beta g(x))dx=\alpha \int_a^bf(x)dx+\beta\int_a^bg(x)dx$$如果 $f(x)$ 和 $g(x)$ 在 $[a,b]$ 上一致连续，则它们的线性组合也在$[a,b]$ 上一致连续。
第七节函数项级数的一致收敛性幂级数的一致收敛性
第七节 函数项级数的一致收敛性内容分布图示★ 引例(讲义例1) ★ 一致收敛的概念★ 例2 ★ 例3 ★ 魏尔斯特拉斯判别法 ★ 例4 ★ 例5 一致收敛级数的基本性质 ★ 定理2★ 定理3★ 定理4幂级数的一致收敛性★ 定理5★ 定理6 ★ 内容小结★ 课堂练习★ 习题11—7 ★ 返回讲解注意：一、 一致收敛的概念：函数项级数在收敛域I 上收敛于和)(x s ，指的是它在I 上的每一点都收敛，即对任意给定的0>ε及收敛域上的每一点x ，总相应地存在自然数),(x N ε，使 得当N n >时，恒有ε<-|)()(|x s x s n .一般来说，这里的N 不仅与ε有关，而且与x 也有关. 如果对某个函数项级数能够找到这样的一个只与ε有关而不依赖于x 的自然数N ，则当N n >时，不等式ε<-|)()(|x s x s n 对于区间I 上每一点都成立，这类函数项级数就是所谓的一致收敛的级数.定义1 设函数项级数∑∞=1)(n n x u 在区间I 上收敛于和函数)(x s , 如果对任意给定的0>ε，都存在着一个与x 无关的自然数N , 使得当N n >时, 对区间I 上的一切x 恒有ε<-=|)()(||)(|x s x s x r n n ，则称该函数项级数在区间I 上一致收敛于和)(x s ，此时也称函数序列)}({x s n 在区间I 上一致收敛于)(x s .二、定理1（魏尔斯特拉斯判别法）如果函数项级数∑∞=1)(n n x u 在区间I 上满足条件：（1）);,3,2,1(|)(| =≤n a x u n n （2）正项级数∑∞=1n n a 收敛.则该函数项级数在区间I 上一致收敛. 三、 一致收敛级数的基本性质定理2 如果级数∑∞=1)(n n x u 的各项)(x u n 在区间],[b a 上都连续，且级数在区间],[b a 上一致收敛于),(x s 则)(x s 在],[b a 上也连续.定理3 设)(x u n ),3,2,1( =n 在],[b a 上连续，且级数∑∞=1)(n n x u 在区间],[b a 上一致收敛于)(x s ，则⎰xx dx x s 0)(存在，且级数∑∞=1)(n n x u 在],[b a 上可以逐项积分，即])([])([)(11∑⎰⎰∑⎰∞=∞===n xx n x x n n xxdx x u dx x u dx x s (7.2)其中,0b x x a ≤<≤ 且上式右端的级数在],[b a 上也一致收敛.定理4 如果级数∑∞=1)(n n x u 在区间],[b a 上收敛于和)(x s , 它的各项)(x u n 都有连续导数)(x u n'，并且级数∑∞='1)(n nx u 在],[b a 上一致收敛，则级数∑∞=1)(n n x u 在],[b a 上也一致收敛，且可 逐项求导，即有∑∑∞=∞='='⎪⎪⎭⎫⎝⎛='11)()()(n nn n x u x u x s (7.3) 四、 幂级数的一致收敛性定理5 如果幂级数∑∞=1n n n x a 的收敛半径为,0>R 则此级数在),(R R -内的任一闭区间],[b a 上一致收敛.定理6 如果幂级数∑∞=1n n n x a 的收敛半径为,0>R 则其和函数)(x s 在),(R R -内可导，且有逐项求导公式,)(111∑∑∞=-∞=='⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛='n n n n n n x na x a x s逐项求导后所得到的幂级数与原级数有相同的收敛半径.例题选讲：一致收敛的概念例1（讲义例1）考察函数项级数+-++-+-+-)()()(1232n n x x x x x x x的和函数的连续性.本例表明，即使函数项级数的每一项都在[a , b ]上连续，并且级数在[a , b ]上收敛，但其和函数却不一定在[a , b ]上连续；同样也可举例说明，函数项级数的每一项的导数及积分所成的级数的和也不一定等于它们的和函数的导数及积分. 那么在什么条件下，我们才能够从级数每一项的连续性得出它的和函数的连续性，从级数的每一项的导数及积分所成的级数之和得出原级数的和函数的导数及积分呢? 要回答这个问题，就需要引入函数项级数的一致收敛性概念.例2（讲义例2）研究级数∑∞=+⎪⎪⎭⎫⎝⎛+-111n n n n x n x 在区间]1,1[-上的一致收敛性.例3（讲义例3）研究级数∑∞=-0)1(n n x x 在区间[0,1]上的一致收敛性.例4（讲义例4）证明级数++++22222sin 22sin 1sin nx n x x 在),(+∞-∞上一致收敛.例5（讲义例5）判别级数∑∞=+1241n x n x在),(+∞-∞上一致收敛. 课堂练习1. 研究级数+⎪⎭⎫ ⎝⎛-+-+++⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+++111112111n x n x x x x 在区间),0[+∞上的一致收敛性.魏尔斯特拉斯（Weierstrass, Karl Wilhelm ，1815~1897)魏尔斯特拉斯德国数学家，1815年10月31日生于德国威斯特伐利亚地区的奥斯登费尔特；1897年2月19日卒于柏林。
函数项级数一致收敛性判别及应用
函数项级数一致收敛性判别及应用函数项级数是指由函数组成的序列求和的过程，它在数学中具有重要的应用。
函数项级数一致收敛性判别及应用是函数序列求和过程中的一个重要问题，它涉及到函数项级数的收敛性和应用方面。
本文将介绍函数项级数一致收敛性的判别方法和应用，让读者对这个重要的数学问题有一个更深入的了解。
我们来介绍一下函数项级数一致收敛性的概念。
函数项级数的一致收敛性是指函数项级数在定义域上一致收敛。
在数学中，一致收敛是指序列或者函数在某个范围内均匀收敛。
对于函数项级数来说，一致收敛性意味着在整个定义域上，序列的收敛性都是均匀的，而不是局部的。
一致收敛性是函数项级数的重要性质，它在微积分、实分析和复分析等领域都有广泛的应用。
要判断函数项级数是否一致收敛，有一些常用的判别法则，下面我们将介绍其中的几种。
首先是Weierstrass判别法。
Weierstrass判别法是判断函数项级数一致收敛性的常用方法之一，它要求被求和的函数的绝对值在定义域上有一个上界，而且这个上界在定义域上是一致的。
具体而言，如果对于函数项级数中的每一个函数f(x)都存在一个数M，使得|f(x)|≤M对于定义域D中的所有x都成立，那么函数项级数就一致收敛。
Cauchy判别法也是判断函数项级数一致收敛的一种方法。
Cauchy判别法是根据函数项级数的收敛性和余项来判断一致收敛性的，它要求余项趋于零，即对于任意的ε>0，存在一个正整数N，当n和m都大于N时，|Rn- Rm|<ε成立。
如果余项满足这个条件，那么函数项级数就一致收敛。
我们要介绍的是Abel判别法。
Abel判别法适用于交错级数，它要求函数项级数的前n项和收敛，并且有界，而且收敛序列是单调递减的，这时交错级数就是一致收敛的。
这三种判别法则是判断函数项级数一致收敛性的常用方法，在实际应用中非常有用。
函数项级数一致收敛性的判别法则是实际问题的抽象和理论总结，它在实际应用中有广泛的用途。
为什么函数项级数内闭一致收敛
为什么函数项级数内闭一致收敛文章题目：探究函数项级数内闭一致收敛的原因在数学分析领域中，函数项级数内闭一致收敛是一个重要的概念。
它不仅在数学理论中有着重要的地位，也在实际问题的研究中发挥着重要作用。
本文将从函数项级数内闭一致收敛的定义和特性入手，探讨其原因，并对其在数学和科学研究中的应用进行分析。
一、函数项级数内闭一致收敛的定义和特性1. 函数项级数的定义函数项级数即由一系列函数组成的级数，形式为∑(n=1到∞)fn(x)，其中每一项fn(x)都是定义在某个区间上的函数。
2. 内闭一致收敛的定义对于给定函数项级数∑(n=1到∞)fn(x)，如果对任意ε>0，存在自然数N，使得当m≥n≥N时，有|∑(k=n到m)fn(x)|<ε对任意x∈E都成立，那么称该函数项级数在E上内闭一致收敛。
3. 特性函数项级数内闭一致收敛的特性包括一致收敛、极限函数连续等。
具体而言，内闭一致收敛意味着极限函数的存在，并且该极限函数在区间上连续。
二、函数项级数内闭一致收敛的原因探究在深入探究函数项级数内闭一致收敛的原因时，我们可以从以下几个方面入手：1. 函数项级数内闭一致收敛的几何解释函数项级数内闭一致收敛可以被解释为一个区间上的一致收敛。
这意味着，对于每一个ε>0，存在N，使得当m≥n≥N时，函数项级数的部分和与其极限函数之差小于ε，从而函数项级数在该区间上表现出较强的稳定性。
2. 一致收敛性质的影响一致收敛性质保证了在给定区间上的整体收敛性，这使得函数项级数的极限函数存在并且在该区间上连续。
这与点wise收敛不同，点wise收敛只能保证每个点上的收敛性，无法保证极限函数的连续性。
3. 函数项级数内闭一致收敛的充分条件内闭一致收敛的充分条件之一是Cauchy准则。
对于给定的ε>0，存在N，使得当m≥n≥N时，有|∑(k=n到m)fn(x)|<ε，这保证了函数项级数的部分和随着n的增大而趋向一个极限值，从而使得函数项级数内闭一致收敛。
函数项级数一致收敛性判别及应用
函数项级数一致收敛性判别及应用函数项级数的一致收敛性是数学分析中的重要概念，对于研究函数项级数的性质和应用具有重要意义。
本文将从一致收敛性的定义开始，介绍一致收敛性的判别定理和具体的应用，希望读者通过本文的了解和学习，能够更好地理解和应用函数项级数的一致收敛性。
一、一致收敛性的定义在介绍一致收敛性的判别定理和应用之前，我们首先来了解一下一致收敛性的定义。
对于一般的数项级数来说，我们只需要关注级数的部分和序列是否收敛即可。
但对于函数项级数来说，因为级数的每一项都是函数，所以我们不仅需要考察级数的部分和序列的收敛性，还需要考察函数序列在定义域上的收敛性。
设对于定义在区间上的函数序列，对于给定的，如果对于任意，都存在一个自然数，使得当时，有∣∣fn(x)−f(x)∣∣<ε那么我们称函数序列在区间上一致收敛于函数，并记作。
换句话说，对于一致收敛的函数序列而言，不仅级数的部分和序列收敛于函数，且对于每一个自然数，其函数项序列在整个区间上都趋向于函数。
二、一致收敛性的判别定理对于函数项级数的一致收敛性，我们有一些判别定理可以帮助我们进行判断。
这里我们简要介绍几个重要的判别定理：1. 魏尔斯特拉斯判别定理（Weierstrass判别定理）魏尔斯特拉斯判别定理是判别函数项级数一致收敛性的重要定理之一。
该定理表述如下：若对于区间上的函数序列，存在一个数项级数使得对于任意和有∣∣fn(x)−an∣∣<bn，则级数在区间上一致收敛。
通过以上判别定理的介绍，我们可以看到，判别函数项级数一致收敛性的方法有多种多样，我们可以根据具体的情况选择不同的方法来进行判断，更好地理解和应用函数项级数的一致收敛性。
三、一致收敛性的应用函数项级数的一致收敛性不仅在理论上具有重要意义，而且在实际问题中也有着广泛的应用。
下面我们将介绍一些函数项级数一致收敛性在实际问题中的应用。
1. 函数项级数的积分和微分操作在实际问题中，我们经常会遇到需要对函数项级数进行积分和微分操作的情况。
函数项级数一致收敛性判别及应用
函数项级数一致收敛性判别及应用【摘要】本文主要讨论了函数项级数的一致收敛性判别及其应用。
首先介绍了一致收敛性判别定理，然后探讨了函数项级数在实际问题中的应用。
接着列举了几个常见的一致收敛性判别法则，帮助读者更好地理解一致收敛性。
通过应用举例，展示了函数项级数一致收敛性在数学和工程领域的实际应用。
最后讨论了函数项级数一致收敛性的收敛区域，为读者进一步深入研究提供了指导。
通过本文的学习，读者可以更好地理解函数项级数的一致收敛性及其实际应用，为相关领域的研究和应用提供了理论支持。
【关键词】函数项级数、一致收敛性、判别定理、应用、常见法则、收敛区域、举例、总结1. 引言1.1 引言函数项级数一致收敛性是函数分析中一个重要的概念，它涉及到函数序列在整个定义域上的一致收敛性问题。
在实际应用中，我们常常需要判断函数项级数是否一致收敛，以及在一致收敛的条件下如何进行求和。
掌握函数项级数一致收敛性的判别方法和应用是非常必要的。
在本文中，我们将深入探讨函数项级数的一致收敛性判别定理以及其应用。
我们将介绍一致收敛性的判别定理，包括一些常见的判别法则，以及如何判断函数项级数在整个定义域上的一致收敛性。
接着，我们将讨论函数项级数一致收敛性在实际问题中的应用，通过具体的示例来说明如何利用一致收敛性来求出函数项级数的和函数。
我们将讨论函数项级数一致收敛性的收敛区域，即函数序列的收敛性对应的区域范围。
通过本文的学习，读者将能够更加深入地理解函数项级数的一致收敛性及其在实际问题中的应用。
希望本文能够帮助读者更好地理解函数分析中关于一致收敛性的重要概念，进而提高对函数序列和级数问题的认识和应用能力。
2. 正文2.1 一致收敛性判别定理一致收敛性是函数项级数收敛性中的重要性质，它在分析数学中有着广泛的应用。
一致收敛性判别定理是判断函数项级数是否一致收敛的重要工具。
在实际问题中，我们经常需要判断一个函数项级数是否一致收敛，以确保我们得到的结果是可靠的。
一般函数项级数的一致收敛定理
一般函数项级数的一致收敛定理
一般函数项级数的一致收敛定理是描述级数性质的重要定理。
它是20世纪初德国数学家德勒尔定理的一个推广。
该定理宣称：若给定任意正数ε，N是一个自然数（N≥0），S1，S2，…，SN是一组实数，对所有的大于N的正整数 K，大于等于1的任意正整数 n，使得
| Sn+1 + Sn+2 + ... + SK | < ε
则有：级数 s1 + s2 + ... + sin + ... 是一致收敛的。
一般函数项级数的一致收敛定理在数学上有着广泛的应用，它说明了我们研究问题时，用较多的项来做近似计算，但只需要前N项即可获得较好结果。
这使得有时候，我们可以忽略某一级项以达成十分接近精确结果的情况，从而省去不必要的繁琐工作。
该定理的理论价值也十分重要，它说明级数的可收敛性具有一定的弹性，即若给定任意正数ε，只要部分项和小于ε，则整个级数一致收敛。
因此，一般函数项级数的一致收敛定理对于深入理解数学过程具有重要的意义。
它不仅极大拓展了数学应用的领域和范围，而且有助于揭示一般级数性质的特点，指出某种特定条件下级数一致收敛所必需的规律，从而指导许多数学推理及应用研究。
函数项级数一致收敛的定义
函数项级数一致收敛的定义函数项级数的一致收敛是数学分析中的一个重要概念。
在介绍一致收敛之前，我们首先需要了解函数项级数的定义。
一个函数项级数可以表示为：$$sum_{n=1}^{infty} f_n(x) = f_1(x) + f_2(x) + f_3(x) + ldots $$其中，$f_n(x)$是一个函数序列，$x$是自变量。
现在，我们来定义函数项级数的一致收敛：一个函数项级数$sum_{n=1}^{infty} f_n(x)$在定义域上一致收敛，如果对于任意给定的正数$varepsilon$，存在一个自然数$N$，使得当$n>N$时，对于所有的$x$，都有以下不等式成立：$$|f_1(x) + f_2(x) + ldots + f_n(x) - S(x)| < varepsilon $$其中，$S(x)$是该级数的和函数。
换句话说，对于给定的正数$varepsilon$，存在一个自然数$N$，使得当$n>N$时，级数的部分和函数$S_n(x) = f_1(x) + f_2(x) + ldots + f_n(x)$和和函数$S(x)$之间的差值小于$varepsilon$，对于所有的$x$。
一致收敛的概念可以理解为函数项级数在整个定义域上的收敛性是相同的，不会因为$x$的取值的不同而改变。
与之相对的，如果对于某个$x$，级数的部分和函数和和函数之间的差值无法保证小于给定的正数$varepsilon$，那么我们称该函数项级数在该点处不一致收敛。
一致收敛的概念在数学分析中有着重要的应用。
例如，一致收敛级数的和函数在定义域上一定是连续的。
此外，一致收敛级数还具有逐项积分和逐项求导的性质，可以对级数与函数的积分和导数进行交换。
总之，函数项级数的一致收敛是指级数的部分和函数与和函数之间的差值可以在整个定义域上被控制在任意给定的范围内。
这个概念在数学分析中有着广泛的应用，并且在研究级数的性质和求解问题时起着重要的作用。
关于函数项级数一致收敛的判别法探讨 -毕业论文
【标题】关于函数项级数一致收敛的判别法探讨【作者】余成亮【关键词】函数项级数一致收敛判别法【指导老师】陈波涛【专业】数学与应用数学【正文】1 引言一致收敛是函数项级数的一个重要性质，有效地判别函数项级数的一致收敛对进一步研究函数项级数的性质起着重要作用。
判别函数项级数的一致收敛时，通常用到柯西准则、魏尔斯特拉斯判别法、阿贝尔判别法、狄利克雷判别法、莱布尼兹函数项级数一致收敛判别法或者直接根据一致收敛的定义进行判别。
而本文在给出这些判别法的同时并对函数项级数一致收敛的定义、柯西判别法、魏尔斯特拉斯判别法、阿贝尔判别法、莱布尼兹判别法加以补充和推广，从而给判别函数项级数一致收敛提供了便利。
２函数项级数及其一致收敛性判别定理设{u (x)}是定义在数集E上的一个函数列，表达式u (x)+ u (x)+ u (x)+ …，x E （2－1）称为定义在E上的函数项级数，简记为或．称S (x)= ，x E，n=1,2…（２－2）为函数项级数（1）的部分和函数列。
若X E，数项级数u (x )+ u ( x )+ u ( x )+ …（２－3）收敛，即部分和S ( x )= 当n 时极限存在，则称级数（２－1）在点x 收敛，x 称为级数（２－1）的收敛点，若级数（２－3）发散，则称级数（２－1）在点x 发散，若奇数（２－1）在E的某个子集D上每点都收敛，则称级数（２－1）在D上收敛，若D为级数（２－1）全体收敛点的集合，这时则称D为级数（２－1）的收敛域．函数项级数（２－1）的一致收敛性定义如下：2.1函数项级数的一致收敛性定义[1]定义 1设{ S (x)}是函数项级数的部分和函数列，若{ S (x)}在数集D上一致收敛于函数S (x)，则称函数项级数在D上一致收敛于函数S (x)，或称在D上一致收敛．推论1(必要条件)函数项级数在数集D上一致收敛,则函数列{ }在D上一致收敛于零．由于函数项级数的一致收敛性是由它的部分和函数列来确定，所以由前段中有关函数列一致收敛的定理，可推出下列相应的有关函数项级数的定理：2.2一致收敛的柯西准则定理1（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n>N当时，对一切x D和一切正整数P，都有|S (x)-S (x)|<或| u (x)+ u ( x)+ u ( x)| <此定理中当P=1时，得到函数项级数一致收敛的一个必要条件．推论函数项级数在数集D上一致收敛的必要条件是函数列在D上一致收敛于零．设函数项级数在D上的和为，称为函数项级数的余项．定理1是函数项级数的一致收敛判别法，判别函数项级数的一致收敛性除了根据定义或定理1外，有些级数还可根据级数各项的特性来判别．2.3魏尔斯特拉斯判别法定理2(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x D，有（２－4）则函数项级数在D上一致收敛．证由假设正项级数收敛，根据数项级数的柯西准则，任给正数，存在某正整数N，使得n>N当及任何正整数P，有又由（２－4）式对一切x D有．根据函数项级数一致收敛的柯西准则，级数在D上一致收敛．定理2也称为M判别法或优级数判别法，当级数与级数在区间[a,b]上成立关系式（２－4）时。
函数项级数的一致收敛性及基本性质
问题 对什么级数，能从每一项的连续性得出和 函数的连续性，从每一项的导数及积分所成的级 数之和得出原来级数的和函数的导数及积分呢？
二、函数项级数的一致收敛性
定义 设有函数项级数 un ( x) ．如果对于任意 n1
n1
于是 nqn1 0 (n ),
故数列 nqn1有界，必有M 0 ，使得
nqn1 1 M x1
(n 1,2,)
又 0 x1 R，级数
an
xn 1
收敛，
n1
由比较审敛法即得级数 nan xn1 收敛． n1 由定理 4，级数 nan xn1 在( R, R)内的任意 n1
闭区间[ a,b ]上一致连续，
逐项积分即得 an xn , n1
因逐项积分所得级数的收敛半径不会缩小，
所以 R R, 于是 R R.
即 nan xn1 与 an xn 的收敛半径相同．
n1
n1
四、小结
1、函数项级数一致收敛的定义； 2、一致收敛级数的判别法——魏尔斯特拉斯 判别法； 3、一致收敛级数的基本性质； 4、幂级数的一致收敛性．
练习题
一、已知函数序列 sn
sin
x n
(n
1,2,3,)
在
(,)
上收敛于 0．
1.问 N ( , x) 取多大,能使当 n N 时, sn ( x) 与其极限 之差的绝对值小于正数 ;
2. 证明sn ( x) 在任一有限区间[a, b] 上一致收敛．
二、按定义讨论级数
n1
(1)n1
x2 (1 x2
由于N 只依赖于 而于 x0 , x 无关，
函数项级数一致收敛性判别及应用
函数项级数一致收敛性判别及应用一、前言函数项级数是数学中重要的研究对象之一，其研究内容包含了级数的一切，而函数的性质使得函数项级数的研究更加复杂。
本文主要讨论函数项级数的一致收敛性判别及其应用。
二、一致收敛性定义及判别定义：对于一列函数 $f(x)$ 的级数：$f_1(x)+f_2(x)+...+f_n(x)+...$，如果当$n→∞$ 的时候，级数 $f_1(x)+f_2(x)+...+f_n(x)+...$ 的部分和 $S_n(x)$ 对于 x ∈D 讨论存在极限，即 $\lim_{n→∞} S_n(x)=S(x)$，则称函数项级数：$\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ 在域 D 上一致收敛于 S(x)。
S(x)称为函数项级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ 的和函数。
函数项级数的Cauchy准则：函数项级数 $\displaystyle\sum_{n=1}^{\infty}f_n(x)$ 在区间 I 上一致收敛的充分必要条件为：对于任意的 $\epsilon>0$，存在正整数 N 和任意的 n,m>N，使得当$x∈I$ 时，$|f_n(x)+...+f_m(x)|≤\epsilon$.总结：定义、定理和准则都给我们对函数项级数一致收敛性的一个综合的认识，通过这些理论知识，我们下面可以看到函数项级数在实际应用中的一些具体应用。
三、函数项级数的应用函数项级数在数学和物理学等方面有广泛的应用，例如傅里叶级数、泰勒级数、泊松方程和热传导方程等。
下面我们主要介绍函数项级数在傅里叶级数中的应用。
傅里叶级数是标准基函数与一般函数之间的线性组合，可以看作是将一个周期为T的函数展开为不同频率的正弦函数和余弦函数的和。
傅里叶级数的求解过程主要分为两步：第一步确定基函数，第二步利用基函数求解待定系数。
假设一个周期函数$f(x)$可以表示为完备正弦函数和余弦函数的和，表示为：$$f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}[a_n\cos(\frac{n\pix}{l})+b_n\sin(\frac{n\pi x}{l})]$$其中 $a_0$，$a_n$ 和 $b_n$ 分别为待定系数，$l$为周期。
浅析收敛与一致收敛性
㊀㊀㊀㊀㊀１５６㊀浅析收敛与一致收敛性浅析收敛与一致收敛性Һ岳红云㊀（河南工业大学理学院，河南㊀郑州㊀４５０００１）㊀㊀ʌ摘要ɔ函数项级数是研究函数的重要工具，收敛与一致收敛性是数学分析中函数的重要性质之一，本文主要通过定义和例题浅析函数项级数的收敛与一致收敛性的联系与不同，从而应用函数项级数的一致收敛性，解释和函数与函数项分析性质的一致性问题，举例说明具有重要的实际应用．ʌ关键词ɔ收敛性；一致收敛性；比较；应用ʌ基金项目ɔ１．河南工业大学２０１９年本科教育教学改革研究与实践项目：基于信息化教学环境下 高等数学Ｂ（二） 课程的混合式教学研究与实践．项目号：ＪＸＹＪ－Ｋ２０１９４５；２．高等学校大学数学教学与研究发展中心２０２０年教学改革项目：以学为中心的高等数学课程混合式教学模式改革的研究与实践．项目号：ＣＭＣ２０２００２０３．一㊁引言在数学分析中，收敛性是函数的重要性质之一，收敛与一致收敛性在数学中的应用极为广泛，函数表达的一种方法是用函数项级数表示，这种方法是表示非初等函数的重要方法．函数项级数不仅可以表示函数，还是研究函数性质以及进行数值计算的重要工具，想要通过函数项级数研究它所表示的函数的重要性质：和函数的连续㊁可积和可微性，就不能只考虑其收敛性，还要考虑更强的收敛性 一致收敛性，一致收敛是确保和函数连续的重要条件，同时也是保障和函数可积和可微不可或缺的条件．下面将从函数项级数的收敛与一致收敛性的定义研究它们的联系与不同．二㊁收敛与一致收敛性的定义１．函数项级数收敛的定义若对∀ｘɪＸ，ｌｉｍｎңɕＳｎ（ｘ）＝Ｓ（ｘ）成立，其中Ｓｎ（ｘ）为ðɕｎ＝１Ｕｎ（ｘ）的前ｎ项和函数，则称函数项级数ðɕｎ＝１Ｕｎ（ｘ）在区间Ｘ上收敛于Ｓ（ｘ），并称Ｓ（ｘ）为其和函数．我们知道，有限个连续函数的和仍为连续函数，对于可导和可积也有类似的性质．如果遇到的是无穷多个函数之和，也就是函数项级数，当函数项级数的每一项在某区间上连续㊁可导㊁可积时，它的和函数在该区间上是否连续㊁可导㊁可积？那么在什么条件下，才有其和在该区间上连续㊁可导㊁可积？要回答这些问题，需要引入一致收敛．２．函数项级数一致收敛的定义设函数项级数ðɕｎ＝１Ｕｎ（ｘ）在区间Ｘ上收敛于和函数Ｓ（ｘ），前ｎ项和函数为Ｓｎ（ｘ）．如果对任意的ε＞０，有正整数Ｎ＝Ｎε()，满足当ｎ＞Ｎ时，∀ｘɪＸ，有Ｓ（ｘ）－Ｓｎ（ｘ）＜ε，则称函数项级数ðɕｎ＝１Ｕｎ（ｘ）在区间Ｘ上一致收敛于和函数Ｓ（ｘ），或称ðɕｎ＝１Ｕｎ（ｘ）在Ｘ上一致收敛．注记：函数项级数非一致收敛的定义设函数项级数ðɕｎ＝１Ｕｎ（ｘ）在区间Ｘ上收敛于和函数Ｓ（ｘ），前ｎ项和函数为Ｓｎ（ｘ）．如果对某个ε０＞０，对于任意正整数Ｎ＝Ｎ（ε），总存在正整数ｎ０满足当ｎ０＞Ｎ时，∃ｘ０ɪＸ，有Ｓ（ｘ０）－Ｓｎ（ｘ０）ȡε０，则称函数项级数ðɕｎ＝１Ｕｎ（ｘ）在区间Ｘ上非一致收敛．三㊁例题例１㊀讨论ðɕｎ＝０ｘｎ在［－ｒ，ｒ］（０＜ｒ＜１）上的收敛性与一致收敛性．解㊀由题知ðɕｎ＝０ｘｎ是几何级数，公比为ｘ，其前ｎ项和函数Ｓｎ（ｘ）＝１＋ｘ＋ｘ２＋ ＋ｘｎ－１＝１－ｘｎ１－ｘ，则当－１＜ｘ＜１时，ｌｉｍｎңɕＳｎ（ｘ）＝１１－ｘ，故函数项级数在［－ｒ，ｒ］（０＜ｒ＜１）上收敛于１１－ｘ．对任给的ε＞０，要使１１－ｘ－ðｎ－１ｋ＝０ｘｋ＝ｘｎ１－ｘ＜ε（－ｒɤｘɤｒ（０＜ｒ＜１）），只要ｒｎ１－ｒ＜ε，即只要ｎ＞ｌｎ（１－ｒ）εｌｎｒ，故可取Ｎ＝ｌｎ（１－ｒ）εｌｎｒ[]，则对任给的ε＞０，当ｎ＞Ｎ时，Ｎ为正整数，－ｒɤｘɤｒ（０＜ｒ＜１）时，有１１－ｘ－ðｎ－１ｋ＝０ｘｋ＜ε，㊀㊀㊀１５７㊀㊀根据定义，得级数ðɕｎ＝０ｘｎ在［－ｒ，ｒ］上一致收敛于１１－ｘ．例２㊀讨论ðɕｎ＝０ｘｎ在（－１，１）上的收敛性与一致收敛性．解㊀由等比级数的求和公式及函数项级数收敛性的定义可知，函数项级数ðɕｎ＝０ｘｎ在（－１，１）上收敛于１１－ｘ．取ε０＝１ｅ，对任意的正整数Ｎ，总存在ｎ０＝Ｎ＋１＞Ｎ及ｘ０＝ＮＮ＋１ɪ（－１，１），总有１１－ｘ０－ðｎ０－１ｋ＝０ｘｋ＝｜ｘ０｜ｎ０１－ｘ０＝Ｎ１＋１Ｎ()Ｎ＞ε０成立，由定义可知，ðɕｎ＝０ｘｎ在（－１，１）上非一致收敛．注记：①通过上例可以发现，函数项级数ðɕｎ＝０ｘｎ在［－ｒ，ｒ］（０＜ｒ＜１）上一致收敛，而在（－１，１）上却非一致收敛，原因是在［－ｒ，ｒ］（０＜ｒ＜１）之外的（－１，１）上找不到通用的自然数Ｎ，使得函数项级数与其和函数的距离可以任意小，从而函数项级数在此区间上非一致收敛．②利用定义判定一致收敛性时，需要求出和函数，如果和函数不易求得，此时要判别函数项级数在某区间上的一致收敛性就需要根据函数项级数自身的特点，换用其他方法，比如柯西一致收敛准则㊁维尔斯塔拉斯判别法等．四㊁结论通过收敛与一致收敛的定义和例题可以发现，函数项级数ðɕｎ＝０ｘｎ在（－１，１）上收敛，而在（－１，１）上非一致收敛，原因就是逐点收敛与均匀收敛的差别：函数项级数在（－１，１）上每一点处与某个常数的距离都可以任意小，所以每一点都是收敛的，而在（－１，１）上找不到通用的自然数Ｎ，使得在区间（－１，１）上每一点处函数项级数与其和函数的距离可以任意小（尽管它在［－ｒ，ｒ］（０＜ｒ＜１）上是一致收敛的，但在［－ｒ，ｒ］（０＜ｒ＜１）之外的（－１，１）上找不到通用的自然数Ｎ），也就是不存在共同的收敛速度，从而函数项级数在区间（－１，１）上非一致收敛．这说明虽然同为收敛，但一致收敛的要求更高，它要求级数在某个范围内有共同的㊁一致的收敛速度．所以对函数项级数来说，收敛只要求对其定义域内的某一个点，函数项级数的部分和与和函数从某个正整数开始，以后的各项是无限接近的，在不同收敛点选取的正整数可以不相同，也就是收敛速度可以不同，所以收敛点与收敛点之间没有必然的联系，此时收敛性只是数列的收敛性，不涉及函数的分析性质，所以在收敛的条件下，函数项的性质与其和函数的性质之间没有必然的联系；一致收敛是指函数项级数在某个范围内有共同的收敛速度，收敛点与收敛点之间相互关联㊁相互制约，保证收敛速度的一致性是函数项级数在一个区间上收敛的整体体现，涉及函数的分析性质，所以在一致收敛的条件下，考查函数项性质与其和函数性质之间的关系时，就会得到 如果函数项级数在某个点集上一致收敛，并且函数项各项在点集上连续，那么和函数也在该点集上连续 的结论，所以在较高的一致收敛条件下，应用函数项级数的一致收敛性就可以利用函数项的性质得到和函数的分析性质．五㊁应用应用函数项级数的一致收敛性，可以研究和函数的连续性，比如，说明函数ｆ（ｘ）＝ðɕｎ＝１１ｎ２ｅ－ｘ２ｎ２在［０，＋ɕ）上连续时，根据函数项级数的每一项都在［０，＋ɕ）上连续，函数项级数又在［０，＋ɕ）上一致收敛，所以和函数就在［０，＋ɕ）上连续．应用函数项级数的一致收敛性，还可以求幂级数的和函数，从而可以产生很多应用，比如近似计算函数值㊁定义初等超越函数，还是表示非初等函数的重要方法．例如，函数ｆ（ｘ）＝ｅ－ｘ２在Ｒ上连续，它在Ｒ上存在原函数，但它的原函数是非初等函数，所以无法表示成有限形式，又因为函数可以展开成幂级数，所以它的原函数就可以表示为幂级数的和函数．ｅ－ｘ２＝１－ｘ２１！＋ｘ４２！－ ＋（－１）ｎｘ２ｎｎ！＋ ＝ðɕｎ＝０（－１）ｎｘ２ｎｎ！，因为它在任意闭区间上都一致收敛，于是，∀ｘɪＲ，它的原函数可表示为Ｆ（ｘ）＝ʏｘ０ｅ－ｔ２ｄｔ＝ʏｘ０ðɕｎ＝０（－１）ｎｔ２ｎｎ！{}ｄｔ＝ðɕｎ＝０（－１）ｎʏｘ０ｔ２ｎｎ！ｄｔ＝ðɕｎ＝０（－１）ｎｘ２ｎ＋１ｎ！（２ｎ＋１）．ʌ参考文献ɔ［１］刘玉琏，傅沛仁．数学分析讲义：第三版［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．［２］段会卿．函数项级数一致收敛的几个判别法［Ｊ］．科技资讯，２０１１（１８）：１７６．［３］武忠祥．工科数学分析基础教学辅导书［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００６，９．。
函数项级数的一致收敛性及一致收敛级数的基本性质
y S(x)
y Sn (x)
I
x
定理(柯西收敛原理)
un ( x)在I上一致收敛于S( x) 0, N ( ) N ,
n1
当n N ( )时, x I ,p N , un1( x) un p( x) .
推论 若 un ( x)在I上一致收敛，则 {un( x)}在I上一致 n1
即 0, N ( x0 , ) 0,当n N ( x0 , )时, | fn ( x0 ) f ( x0 ) |
定义 设 fn(x)在点集I上逐点收敛于f (x)，且对
任意 0, 存在与x无关N ( ), 使得当n N时, 对一
切x I , 都有 fn(x) f (x) , 则称 fn(x)在I上一
>
N
时有
rn (x) (0 x )
这说明级数在 [0, +∞) 上一致收敛于 S(x) 1 . x 1
余项 rn (x) 一致收敛于 0
几何解释 : (如图)
0, N N , 当n > N 时, S(x) Sn (x) 表示 曲线 y Sn (x) 总位于曲线 y S(x) 与y S(x)
之间.
y S(x)
y S(x)
例.
求证fn ( x)
1
x n2
x2
在(, )上一致收敛.
证明： x (, ),
lim
n
fn ( x)
x
lim
n
1
n2
x
2
0, 逐点收敛于f ( x)
函数项级数一致收敛性
函数项级数一致收敛性有关问题的讨论函数项级数是微积分的主要内容之一，是数学分析研究的重点．用函数项级数(或函数列)来表示(或定义)一个函数，判断其一致收敛性是关键．从函数项级数一致收敛的定义及性质出发，下面主要讨论函数项级数(或函数列)一致收敛性的判别及其应用．1 函数项级数一致收敛的相关定义定义1.1[]1(31)P 设函数列{})(x S n 是函数项级数∑∞=1)(n nx u的部分和函数列，若,0>∀ε 存在正整数)(εN ，当n >)(εN 时，不等式∑=-nk kx S x u1)()(=)()(x S x S n -<ε对I 上一切x 都成立，则称∑∞=1)(n nx u在I 上一致收敛于()S x ．一致收敛的定义还可以用下面的方式来表达： 定义1.1[]2(67)'P 函数列{})(x S n (或∑∞=1)(n nx u)在I 上一致收敛于()S x⇔∞→n lim Ix ∈sup )(x R n =0)()(sup lim =-∈∞→x S x S n Ix n ，其中)(x R n =()()n S x S x -称为函数项级数∑∞=1)(n nx u的余项．定义1.2 函数列{})(x S n 在I 上非一致收敛于()S x⇔00>∃ε，0>∀N ，N n >∃0，I x ∈∃0，使得)()(000x S x S n -≥0ε．定义 1.3 函数列{})(x S n 在区间()b a ,内的任一闭区间上一致收敛时，称{})(x S n 在区间()b a ,内闭一致收敛．2 一致收敛函数项级数的性质[]3(417430)P -定理2.1（逐项取极限） 设级数∑∞=1)(n nx u在0x 的某个空心邻域0U (0x )={}δ<-<||0:0x x x 内一致收敛，0lim x x →()n n u x c =．则∑∞=1n nc收敛，且limx x →∑∞=1)(n nx u=∑∞=→1)(lim 0n n x x x u =∑∞=1n n c ． （1）定理2.2（连续性） 若)(x u n 在区间I 上连续(1,2,n =⋅⋅⋅)，∑∞=1)(n nx u在I 上一致收敛，则()S x≡∑∞=1)(n n x u 在I 上连续．定理2.2' 若)(x u n 在(,)a b 内连续(1,2,n =⋅⋅⋅)，∑∞=1)(n nx u在(,)a b 内闭一致收敛，则()S x ≡∑∞=1)(n nx u在(,)a b 内连续．定理2.3（逐项求导） 若级数∑∞=1)(n nx u区间I 上满足以下三条：（1）级数∑∞=1)(n nx u在I 上收敛(或验证在I 上至少有一个收敛点)；（2）)(x u n 在I 上有连续导数(1,2,n =⋅⋅⋅)； （3）1()n n u x ∞='∑在I 上一致收敛(或在I 的任一内闭区间上一致收敛)，则∑∞=1)(n nx u区间I 上可微，且可逐项求导，即在I 上有d dx∑∞=1)(n n x u =1()n n d u x dx ∞=⎛⎫⎪⎝⎭∑ （2） 定理2.4（逐项求积分） 若级数∑∞=1)(n nx u的各项连续，并且此级数在[,]a b 上一致收敛，则有11()()b bn n aan n u x dx u x dx ∞∞===∑∑⎰⎰（3）一般地，若当∞→n 时，()0bn aR x dx →⎰，则上式为真．3 一致收敛性的判断判别一致收敛的方法有多种，下面将分别进行介绍和讨论．3.1 利用一致收敛的定义通常称定义1.1为“N -ε法”，定义1.2为“确界法”，从中还可以得到一种更简便的方法“放大法”：若,0n n N α+∀∈∃>，使得)(,)()(I x x S x S n n ∈∀≤-α，且n →∞时，0n α→，则n →∞时，()n S x 在I 上一致收敛于()S x ．例1 讨论级数2321()()()n n u x x xx x x ∞==+-+-+⋅⋅⋅∑在下列区间的一致收敛性．(1)210≤≤x ， (2)10≤≤x ． 解 令nnk k n x x u S ==∑=1)(，则001;()lim ()1 1.nn x S x S x x →∞≤<⎧==⎨=⎩ （1）当210≤≤x 时，()0S x =． ,0>∀ε若)()(x S x S n -=ε<⎪⎭⎫⎝⎛≤nn x 21，只要2ln 1lnε>n ，取1ln[]ln 2N ε=，则当N n >时，∀]21,0[∈x 均有)()(x S x S n -=0)(-x S n <ε． 因此∑∞=1)(n nx u 在]21,0[上一致收敛于零． （2）方法1 取0ε，使2100<<ε，不论n 多大，只要取nx 21=，就有)21()21(n n n S S -=021ε>．因此，∑∞=1)(n nx u在[0,1]上收敛而非一致收敛．方法2 01;()()()11.nn n x x R x S x S x x ⎧≤<=-=⎨=⎩故01sup ()1n x R x ≤≤≡．因此，∑∞=1)(n nx u在[0,1]上非一致收敛．注意在(1)中找N 的方法与技巧，对()()n S x S x -适当放大时，应使N 与x 无关，只与ε有关． 例2 设101()()n n i if x f x nn -==+∑，1,2,n =⋅⋅⋅，其中()f x 为连续函数，证明序列{}()n f x 在任何有限闭区间[,]a b 上一致收敛．证 记{}()n f x 的极限函数为()F x ，则111101()lim ()()()()(01;0,1,,1).i n n x x i n i n xn x i i n i i F x f x f t dt f t dt f x nn n i n θθ+--++→∞+======++<<=⋅⋅⋅-∑∑⎰⎰由于()f x 在[,1]a b +上连续，故在[,1]a b +上一致连续，即,0>∀ε()0δδε∃=>，使对于',''[,1]x x a b ∀∈+，只要当'''x x δ-<时，就有(')('')f x f x ε-<．取1[]1N δ=+，则当,n N a x b >≤≤时，有()11()()[,1][,1]0,1,,1i i i i i i x x x a b x a b i n n n n n N n n nθθδ++-+<<<+∈+++∈+=⋅⋅⋅-且，.于是110011()()()().n n i n i i i i F x f x f x f x n n n n nθεε--==-≤++-+<=∑∑因此{}()n f x 在[,]a b 上一致收敛于()f x ．例3 试证：221(1)nn n n x∞=-+∑在(,)-∞+∞内一致收敛． 证 易知(,)x ∀∈-∞+∞，当n 充分大时，22n n x ⎧⎫⎨⎬+⎩⎭单调减且趋于0．故该级数为莱布尼茨型级数．则有2211()0(1)1n n R x n x n +≤≤→+++ ()n →+∞所以级数 221(1)nn n n x ∞=-+∑在(,)-∞+∞内一致收敛． 3.2 柯西准则判断一致收敛性[]5(31)P定理3.2（一致收敛的柯西准则） 函数项级数1()n n u x ∞=∑ (部分和函数列()nSx )在I 上一致收敛的充分必要条件为：,0>∀ε总存在正整数N =)(εN ，使N n >时，不等式12()()()n n n p u x u x u x +++++⋅⋅⋅+<ε )()((x S x S n p n -+<)ε对任意的正整数p 和I 上任意的x 都成立．当1=p 时得到函数项级数一致收敛的必要条件．推论 函数项级数1()n n u x ∞=∑在数集I 上一致收敛⇒函数列{})(x un在I 上一致收敛于零，即,0>∀ε+∈∃N N ，当n N >时，I x ∈∀都有)(x u n <ε．例4 设{}()n u x 为[,]a b 上的可导函数列，且在[,]a b 上1()nk k u x C ='≤∑，C 是不依赖与x 和n的正数．证明：若1()n n u x ∞=∑在[,]a b 上收敛，则必为一致收敛．证 0ε∀>，取m 充分大，将[,]a b m 等分，使得4b a m Cε-<．顺次以12,,,m x x x ⋅⋅⋅表示各小区间段的中点．由已知得，∑∞=1)(n i nx u收敛⇒()0,,,i i i i N N x n N εε∀>∃=>时，有1()2n pk i k n u x ε+=+<∑，()p N +∀∈．令12max{,,,}m N N N N =⋅⋅⋅，则[,]x a b ∀∈（不妨设x 位于第i 个小区间段，{}1,2,,i m ∈⋅⋅⋅），于是11111()()(())()()iin p n pn p n pn pxxkkikkikx x k n k n k n k n k n u x u x u t dt u x u t dt +++++=+=+=+=+=+''=+≤+∑∑∑∑∑⎰⎰2.222i C x x εεεε<+-≤+=原命题得证．注意：在证明过程中对1()n pkk n u x +=+∑进行变形时，有一个重要方法可利用—阿贝尔变换．3.3 判别函数项级数一致收敛性的常用方法判别函数项级数一致收敛性除根据定义和柯西准则外，还可以根据级数各项的特性来判别，常用以下判别法．3.3.1 Weierstrass 判别法 定理3.3.1 (Weierstrass 判别法)[]1(32)P 设函数项级数1()n n u x ∞=∑定义在数集I 上，1nn M∞=∑为收敛的正项级数，若对一切x I ∈，有(),n n u x M ≤1,2,n =⋅⋅⋅，则函数项级数1()n n u x ∞=∑在I 上一致收敛．其中1nn M∞=∑称为1()n n u x ∞=∑的优级数，因此该定理也称为优级数判别法．求优级数的方法有多种，主要有以下方法：（1）观察法； 例5 证明：21cos n nxn ∞=∑在x <+∞时一致收敛． 提示：22cos 1nx n n≤可证． （2）找出()n u x 的最大值法； 例6 证明21(1)nn xx ∞=-∑在[0,1]上一致收敛．提示：求出通项()n u x 的最大值点（求导法），2nx n =+时． （3）利用已知不等式法； 例7 讨论5211n nxn x∞=+∑在区间x <+∞上的一致收敛性． 解 当x <+∞时，552212n x n x +≥，于是，3522112nx n x n ≤+．又因31212n n ∞=∑收敛，故级数 5211n nxn x∞=+∑在(,)-∞+∞上一致收敛． （4）利用某些已知公式进行变形，等等． 例8 证明21nxn x e∞-=∑在(0,)+∞内一致收敛．证 利用泰勒公式，2212nxn x e nx =+++⋅⋅⋅ ()x R ∈．从而 222222222122nxx x x en x n x nnx -=<=+++⋅⋅⋅(0)x >． 而级数212n n∞=∑一致收敛，因此由优级数判别法可知原级数在(0,)+∞内一致收敛．3.3.2 Abel 判别法和Dirichlet 判别法对级数1()nn u x ∞=∑，若()n u x =()()n na xb x ．定理3.3.2 (Abel 判别法)[]1(33)P 设（1）()1n n a x ∞=∑在区间I 上一致收敛；（2）对于每一个x I ∈，{}()n b x 是单调的；（3）{}()n b x 在I 上一致有界，即对一切x I ∈和n N +∈，存在正数M ，使得()n b x M ≤，则级数1()n n u x ∞=∑在I 上一致收敛．定理3.3.3 (Dirichlet 判别法)[]1(34)P 设（1）()1n n a x ∞=∑的部分和函数列1()()nnk k Sx a x ==∑(1,2,)n =⋅⋅⋅在I 上一致有界；（2）对于每一个x I ∈，{}()n b x 是单调的； （3）在I 上，()0n b x →→，()n →∞，则级数1()nn ux ∞=∑在I 上一致收敛．例9讨论1n ∞=在区间0x <<+∞上的一致收敛性．解(1)n -=．由于1(1)n n ∞=-∑收敛，且与x 无关，故它对x 而言是一对于每一个(0,)x ∈+∞1≤．因此由Abel 判别法可知原级数在(0,)+∞上一致收敛．例10讨论(1)211)n n n -∞=10x ≤上的一致收敛性．解(1)21(1)2k k nk -=-≤∑，记()n b x =．>，故()nb x≤→(10)x≤，故()nb x单调一致地趋于零．因此，由Dirichlet判别法知，级数在[10,10]-上一致收敛．例11 证明21(1)sin1nnnxx nxx∞=--∑在1(,1)2内一致收敛．证原级数=11(1)sin11nn nnx xnxx x∞=-⋅+-∑．其中11n x+对任意1(,1)2x∈关于n单调，且一致有界：111n x≤+．下面考察级数1(1)sin1nnnx xnxx∞=--∑．因为111sin2sin sin22sin2n nk kxkx kxx===∑∑1111[cos()cos()]222sin2nkk x k xx==--+∑1cos cos()112212sin sin sin224xx nxx-+=≤≤1((,1),1,2,)2x n∈=⋅⋅⋅所以1sinnkkx=∑在1(,1)2内一致有界．而21(1)1,(,1)112n nn nx x xxx x x x--=∈-+++⋅⋅⋅+关于n单减，又2111001n nn nx xx x x nx n--≤≤<→+++⋅⋅⋅+1(,1)2x∈．所以(1)1nnx xx--在1(,1)2上单减一致收敛于0．由Dirichlet判别法可知，级数1(1)sin1nnnx xnxx∞=--∑在1(,1)2内一致收敛．则由Abel判别法可知原级数在1(,1)2上一致收敛．3.3.3 Dini定理定理3.3.4(Dini定理)[]3(407)P设()0nu x≥，在[,]a b上连续，1,2,n=⋅⋅⋅．又1()nnu x∞=∑在[,]a b上收敛于连续函数()f x ，则1()n n u x ∞=∑在[,]a b 上一致收敛于()f x ．证 （反证法） 若1()n n u x ∞=∑在[,]a b 上非一致收敛，则00ε∃>，使得0,,[,]N N n N x a b +∀∈∃>∃∈，有00()n R x ε≥．取1N =，知11n ∃>，1[,]x a b ∃∈使110()n R x ε≥，令1N n =知21n n ∃>，2[,]x a b ∃∈ ，使220()n R x ε≥，如此下去，我们得到{}n 的子序列12k n n n <<⋅⋅⋅<<⋅⋅⋅使得0()k n k R x ε≥(1,2,)k =⋅⋅⋅ （1） 利用致密性原理，在有界数列{}k x 里，存在收敛子列{}0[,]j k x x a b →∈ ()j →+∞，因()n R x 单减(关于n )，所以m N +∀∈，当jk n m >时，有0()()j k j jm k n k R x R x ε≥≥ （因式（1）） 由于()()()m m R x f x S x ≡-连续，所以j →+∞时，对0()j m k R x ε≥取极限，知 00()m R x ε≥， ()m N +∀∈， 与1()n n u x ∞=∑在[,]a b 上收敛矛盾．证毕．注意：Dini 定理在和函数便于求得的情况下应用比较方便．例12 证明函数列1(),(1,2,)(1)n x nnf x n xe n==⋅⋅⋅++在区间[0,1]上一致收敛．证 当n →∞时，(1)n x x e n +→，且(1)(1,2,),n x xn e n+=⋅⋅⋅都在[0,1]上连续，故由Dini 定理可知函数列(1)n x n ⎧⎫+⎨⎬⎩⎭在[0,1]上一致收敛于xe ．由于(1)1111e (1)(1)(1)x n x nx x xn x n n n xe e n x x e e e n n ++---=+⎡⎤+++++⎢⎥⎣⎦(1)1xn x n x e e n ≤+-+- 1(1)1xnn x e e n =-++-在[0,1]上一致收敛于0()n →∞．又11xe+，11nx nx e n ⎛⎫++ ⎪⎝⎭(1,2)n =⋅⋅⋅在[0,1]上连续，因此，在[0,1]上，当n →∞时，原函数列一致收敛于11xe+． 3.4 一致有界与等度连续 定义3.4.1{}()n f x 在I 上一致有界，是指：,0>∃M 对一切I x ∈，都有()(1,2,n f x M n ≤=)⋅⋅⋅成立．例13[]3(410)P 设{}()n f x 在区间[0,1]上一致有界，试证存在一个子序列，在[0,1]的一切有理点收敛．证 我们知道[0,1]的全体有理点可以排成一个数列{}n a ．因{}()n f x 一致有界，故{}1()n f a 是有界数列．由致密性原理知其中存在收敛的子序列．为了便于叙述，记此收敛的子序列为{}1,1()n f a ，于是{}{}1,()()n n f x f x ⊂在1x a =处收敛．同理，因{}1,2()nfa 是有界数列，又必存在收敛子列{}2,2()n f a ．即{}{}2,1,()()n n f x f x ⊂，{}2,()n f x 在12,x a a =处都收敛．如此不断地进行下去，不断地在子序列里取子序列，使{},()k n f x 在12,,,k x a a a =⋅⋅⋅处收敛，于是得到一串子序列：1,11,21,31,2,12,22,32,3,13,23,33,,1,2,3,(),(),(),,(),(),(),(),,(),(),(),(),,(),(),(),(),,(),n n n n n n n n f x f x f x f x f x f x f x f x f x f x f x f x f x f x f x f x ⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅最后能用上表对角线元素组成一个子序列{},()n n f x ，即1,12,23,3(),(),(),f x f x f x ,⋅⋅⋅,(),n n f x ⋅⋅⋅易知此序列在点(1,2,)i a i =⋅⋅⋅上收敛．事实上，{}(1,2,)i a i ∀∈⋅⋅⋅，已知上面的子序列中第i 个子序列在i a 处收敛，而,1,1(),()i i i i f x f x ++⋅⋅⋅是第i 个子序列的子序列，故{},()n n f x 在i a 点上收敛．由此知{},()n n f x 在{}12,,,,n a a a ⋅⋅⋅⋅⋅⋅上收敛．定义 3.4.2 设Ω是区间I 上定义的函数族，Ω上的函数在I 上等度连续，是指：0ε∀>，0δ∃>，当12x x I ∈，且12x x δ<－时有12()()()f x f x f ε-<∀∈Ω．特别，I 上定义的函数序列{}()n f x ，在I 上等度连续，是指：0,0εδ∀>∃>，当12x x I∈，且12x x δ<－时有12()()()n n f x f x n N ε+-<∀∈．例14 设函数序列()n f x 在区间[,]a b 上等度连续的，且有()0,1,2,n f x n ≥=⋅⋅⋅．试证：若在[,]a b 上有()()n f x f x →()n →∞，则在[,]a b 上有()()n f x f x →→()n →∞．证 因{}n f 等度连续，0,0εδ∀>∃>，当12x x I ∈，且12x x δ<－时有12()()2n n f x f x ε-<，令∞→n 取极限可得εε<≤-2)()(21x f x f ．此即表明)(x f 在I 上一致连续，从而()f x 连续．由Dini 定理知，在[,]a b 上，()()n f x f x →→()n →∞．4 函数项级数非一致收敛的判断这里也给出几种巧证函数项级数非一致收敛的方法，这些方法为一些教科书所忽视，但对判别函数项级数非一致收敛却十分有用．4.1 利用定义法判别（见例1用“N ε-法”） 4.2 利用柯西准则法判别由函数项级数一致收敛的柯西准则，可以得到以下命题． 命题 4.2.1 ()1n n u x ∞=∑在区间I 上非一致收敛⇔00,,,,,N N n N x I p N ε++∃>∀∈∃>∃∈∃∈有1().n pkk n u x ε+=+≥∑（证明略）特别，当n →∞时，若通项n u 在区间I 上非一致收敛于0，则函数项级数()nu x ∑在区间I 上非一致收敛．根据函数列一致收敛的概念，又有以下命题．命题 4.2.2 若函数项级数1()nn ux ∞=∑在区间I 上逐点收敛，且在区间I 中存在一点列{}n x ，使lim ()0n n n u x →∞≠，则函数项级数1()n n u x ∞=∑区间I 上非一致收敛．（证明略） 例15 证明级数1sin n nxn ∞=∑在0x =的邻域内非一致收敛．分析 要证片段01sin n pk n kx k ε+=+≥∑（某个事先给定的正数）．取p n =，又在[,]42ππ上恒有sin sin 4x π≥，则只要使[,]42kx ππ∈，就有2211sin 11sin sin 424nn k n k n kx k k ππ=+=+≥⋅≥∑∑． 为此，取4n x x nπ==，因为12n k n +≤≤，所以(1)244442n k n nnnπππππ<+≤⋅≤⋅=，即[,]442k n πππ⋅∈．则n N +∀∈，有2220111sin()sinsin 144sin 24nnnnk n k n k n k kx n k kk πππε=+=+=+⋅=≥>==∑∑∑因此可取0ε=（证明略） 例16 证明：11(1)x n n x e n n ∞=⎡⎤-+⎢⎥⎣⎦∑在(0,)+∞上非一致收敛． 证 因为n N +∀∈，当x →+∞时，易知1(1)x n x e n n ⎡⎤-+⎢⎥⎣⎦→∞． 所以对任意(0,)x ∈+∞，当n →∞时，通项1(1)x n x e n n ⎡⎤-+⎢⎥⎣⎦非一致收敛于0． 所以原级数在(0,)+∞非一致收敛．例17 讨论级数112sin3n n n x∞=∑在(0,)+∞上的一致收敛性． 解 显然原级数在(0,)+∞上逐点收敛，取2(0,)3nn n x =∈+∞，1,2,n =⋅⋅⋅，有1()2sin1()2n n n nu x n =→→∞，故原级数在(0,)+∞上非一致收敛． 4.3 利用一致收敛函数列的性质判别[8](3637)P -一致收敛函数列的性质：设各项连续的函数列{})(x S n 在区间上一致收敛于)(x S ，则对任何以)(00I x x ∈为极限的数列{}n x ，都有 )()(lim 0x S x S n n =∞→．由上性质可得如下命题： 命题4.3.1 若连续的函数项级数1()n n u x ∞=∑（记1()()nnk k Sx u x ==∑）在区间I 上逐点收敛于)(x S ，且{}0,:n x I x I ∃∈∃⊂ 0lim n n x x →∞=有0lim ()()n n n S x S x →∞≠，则函数项级数1()nn ux ∞=∑在区间I 上非一致收敛于)(x S ．（证明略）例18 讨论函数项级数1sin ([0,1))pn nxp n ∞=∈∑在[0,]π上的一致收敛性． 解 由Dirichlet 判别法易知该级数在区间[0,]π上逐点收敛，设其和函数为()S x ，则(0)0S =．取1[0,](1,2,)n x n nπ=∈=⋅⋅⋅，则0()n x n →→∞，而11111sinsin sin 1()sin n nn n nknp k k k k k k k kk n n n u x k k n n n ======≥≥=∑∑∑∑∑所以 10111lim ()lim sin sin 0(0)nn k n n n k k ku x xdx S n n →∞→∞==≥=>=∑∑⎰．故原级数在[0,]π上非一致收敛．4.4 利用和函数的连续性质及端点发散性判别 命题4.4.1 若连续函数项级数1()nn ux ∞=∑在区间I 上逐点收敛于和函数)(x S ，且0x I ∃∈，)(x S 在0x 处不连续，则函数项级数1()nn ux ∞=∑在区间I 上非一致收敛于)(x S ．（证明略）命题4.4.2[9](63)P 若函数项级数1()nn ux ∞=∑在区间(,]a b （或(,)a +∞）上逐点收敛，但在左端点x a =处发散，n N +∀∈，()n u x 在左端点x a =（右）连续，则函数项级数1()n n u x ∞=∑在区间(,]a b（或(,)a +∞）上非一致收敛．证 用反证法． 假设函数项级数1()nn ux ∞=∑在区间(,]a b （或(,)a +∞）上一致收敛．即0,,,(,]N N n N x a b ε+∀>∃∈∀>∀∈或(,)a +∞，有12()()()n n n p u x u x u x ε+++++⋅⋅⋅+<．又因n N +∈，()n u x 在左端点x a =（右）连续，令x a →（或a +），对上式两端取极限，得12()()()n n n p u a u a u a ε+++++⋅⋅⋅+≤则级数收敛，与已知矛盾，故函数项级数1()n n u x ∞=∑在区间(,]a b （或(,)a +∞）上非一致收敛．例19 讨论函数项级数1nxn ne∞-=∑在区间为(0,)+∞上的一致收敛性．解 易知函数项级数1nxn ne∞-=∑在区间(0,)+∞上逐点收敛，且每一项都在0x =处连续，而函数项级数1nxn ne∞-=∑在0x =处发散，故该函数项级数在(0,)+∞上非一致收敛．该题还可利用其它方法判别，但相比较而言此方法更为简便． 例20 讨论0(1)nn x x∞=-∑在区间01x ≤≤上的一致收敛性．解 10()(1)(1)1nnkk n n k k S x x xx x x +===-=-=-∑∑．于是101;()lim ()0 1.n n x S x S x x →∞≤<⎧==⎨=⎩取0ε，使0102ε<<，不论n多么大，只要取x = ，就有011122n S S ε-=-=>因此，级数(1)nn x x∞=-∑在[0,1]上收敛而非一致收敛．5 综合应用例21[]4(368)P证明级数2312(1)x nn e n∞=+-∑在任何有界区间[,]a b 上一致收敛．证 [,]x a b ∀∈，12(1)nn n∞=-∑，且余项()()23221()0()111cn e R x n n n n ≤≤+→→∞+++ {}(max ,)c a b =， 故 [,]lim sup ()0n n x a b R x →∞∈=．所以级数12(1)nn n∞=-∑[,]a b 上一致收敛．例22 证明：级数(1)1(1)nxn x n nxen xe ∞---=⎡⎤--⎣⎦∑在闭区间01x ≤≤上收敛但非一致收敛，而它的和在此区间上是连续函数．证 考虑部分和(1)1()(1)nkx k x nxn k S x kxe k xe nxe ----=⎡⎤=--=⎣⎦∑，显然在[0,1]上其极限函数()S x 存在（即级数的和）且连续：()lim ()0n n S x S x →∞==．但此级数在[0,1]上非一致收敛．用反证法．若不然，则对任给的0ε>，存在数()N N ε=，使当n N ≥时，对于[0,1]上的一切x 值，均有()()n S x S x ε-<．今取1012e ε-=，应有11()()2n S x S x e --<．取01x x n ==，则也应有11()()2n S x S x e --<，但另一方面，却有10000()()()n n S x S x S x eε--==>，矛盾．证毕．例23[]4(385)P 证明函数11()x n f x n ∞==∑在(1,)+∞无穷次可微． 证 （1）先证()f x 在(1,)+∞上可微．任取0(1,)x ∈+∞，则0δ∃>使得00112x x δδ<+≤<+<∞．在0[1,2]x δδ++上，考察111ln ()x x n n nn n∞∞=='=-∑∑．由于01ln ln 0,[1,2]x n n x x n n δδδ+≤≤∈++ 而121ln lim 0n n n n δδ++→∞⋅=．由比较判别法知11ln n n nδ∞+=∑收敛．从而函数项级数1ln x n nn ∞=-∑在0[1,2]x δδ++一致收敛．故函数()f x 在0[1,2]x δδ++上可微且111ln ()()x x n n n f x n n ∞∞==''==-∑∑，则001ln ()x n nf x n∞='=-∑．由0(1,)x ∈+∞的任意性，()f x 在(1,)+∞上可微，且1ln ()x n nf x n ∞='=-∑． （2）再证对任意自然数k ，均有 ()1(1)ln ()k k k xn nfx n ∞=-=∑． 事实上，当1k =时，由（1）知结论成立．假设m k =时结论成立，则当1m k =+时，考察: 1111(1)ln (1)ln ()k k k k x xn n n nn n ++∞∞==--'=∑∑． 由于1111(1)ln ln k k k x n n n n δ++++-≤，0[1,2]x x δδ∈++．而1121ln lim 0k n n n n δδ+++→∞⋅=．故级数111ln k n n nδ+∞+=∑收敛，从而函数项级数1(1)ln ()k k xn nn ∞=-'∑在0[1,2]x δδ++一致收敛，故函数()()k f x 在0[1,2]x δδ++可微，且 11()'11(1)ln (1)ln (())()k k k k k x xn n n nfx n n ++∞∞==--'==∑∑． 由以上证明可知函数()f x 在(1,)+∞无穷次可微．通过以上对函数项级数（函数列）一致收敛非一致收敛相关问题的讨论，希望能对这部分内容的学习提供一些参考．。
函数项级数的一致收敛
rn ( x ) =
对 X 上一切 x 都成立，则称 {S n ( x )} 在 X 上一致 一致 收敛于 收敛 S (x) 一致收敛的定义还可以用下面的方式来表达：
∞ ∑ u n ( x) n =1
k = n +1
∑
∞
uk (x) < ε
）
定义2 定义 设 S n − S = sup S n ( x) − S ( x) 如果
但
lim ∫ S n ( x)dx ≠ ∫ S n ( x)dx
n →∞ 0 0
1
1
这就提出了一个问题：设级数 ∑ u ( x) 在 X 上收敛于 S (x)
n =1 n
∞
又设级数的每一项 un (x) 在 X 上连续。对于求导和求积， 也有类似的问题，要回答这些问题，必须引进非常重要 的概念：一致收敛 一致收敛
ε > 0 可得 N ( N 是一个仅与 ε 有关的确定的项数,它与
[a, b] 上的 x 无关),使
1 S N ( x ) − S ( x ) < ( a ≤ x ≤ b) 3 对 [a, b] 上任一点 x0 ,显然也有 S N ( x) − S ( x) < 1 3 再由 S N (x) 在点 x0 连续性,可得 η > 0 ,使 x − a < η 时 1 S N ( x) − S ( x) < 3
n =1
∞ d ∞ d ∑ un ( x ) = ∑ dxun ( x ) dx n=1 n =1
四、一致收敛级数的判别方法 定例7 定例 若对充分大的 n ，恒有实数 an ，使得 un ( x ) ≤ an 对 X 上任意的 x 都成立，并且数项级数 ∑ an收敛，则
函数项级数的一致收敛
∑M
n =1
∞
n
, ∀n ∈ N + , 以及 ∀x ∈ D ,
∑M
n =1
∞
n
收 敛 . 根 据 常 数 项 级 数 的 Cauchy 收 敛 原 理 ,
∀ε > 0, ∃N (ε ) ∈ N + , 使得 ∀n, p ∈ N + , 当 n > N ( x ) 时, 恒有 M n +1 + M n +2 + + M n+ p < ε .
充分性 设不等式(3)成立. 由数列的 Cauchy 收敛原理, 对于任意固定的 x ∈ D , 部分
和数列 {Sn ( x )} 收敛 , 即级数的 (2) 的部分和函数 {Sn } 在 D 上处处收敛 , 设其极限函数为
S : D → R . 在不等式(3)中令 p → ∞ , 便得: 当 n > N (ε ) 时, ∀x ∈ D ,
恒有
| Sn ( x ) − S ( x ) | < ε ,
则称级数（2）在 D 上一致收敛于 S . 例 2. 证明: 函数项级数
∞ x ⎡ x x ⎤ + − ∑ 2 2 2 2 2 ⎥ ⎢ 1+ x 1 + ( n − 1) x ⎦ n =2 ⎣ 1 + n x
在区间 [0,1] 上一致收敛于 S = 0. 证 由于该级数的部分和函数列为 S n ( x ) =
ε
3
+
ε
3
+
ε
3
= ε.
∑ u ( x ) 在 I 上一致收
n =1 n
∞
∫
证
x
a
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函数项级数一致收敛的定义
函数项级数指的是形如$\sum_{n=1}^{\infty} f_n(x)$的无穷级数，其中$f_n(x)$表示一个与自变量$x$有关的函数序列。
一个函数项级数的一致收敛性是指当自变量$x$在其中一个区间$I$上时，函数项级数的部分和函数序列$\{S(x,N)\}$在该区间上一致收敛。
具体地说，给定函数项级数$\sum_{n=1}^{\infty} f_n(x)$，它的部分和函数序列定义为$S(x,N)=\sum_{n=1}^{N} f_n(x)$。
那么函数项级数的一致收敛定义如下：
对于任意给定的正数$\varepsilon$，存在一个正整数$N_0$，当$n>N_0$时，对于任意$x\in I$，都有$，S(x,n)-S(x,N_0)，
<\varepsilon$。
换句话说，对于任意的正数$\varepsilon$，存在一个正整数$N_0$，当$n>N_0$时，级数的部分和与部分和函数之间的距离都小于
$\varepsilon$，也就是说，在该区间$I$上，级数的每一项与级数的和之间的误差都可以无限接近于零。
要理解函数项级数一致收敛的定义，我们可以通过与其他类型的收敛进行比较。
首先，如果函数项级数在其中一点$x_0$处点态收敛，即级数的部分和序列$\{S(x_0,N)\}$收敛到其中一实数$L$，但这个$L$可能依赖于$x_0$，则我们无法将这个级数称为一致收敛的。
因为一致收敛要求对于任意的$x\in I$，部分和函数序列都收敛到同一个极限，也就是说，部分和函数序列不依赖于$x$。
类似地，如果部分和函数序列在其中一个区间上都是逐点收敛的，并且对于每个$x$都收敛到不同的极限，则也不能称为一致收敛。
一致收敛的概念可以看作是逐点收敛的一个强化版。
因为在逐点收敛中，对于每个$x\in I$，都要存在一个正整数$N_0(x)$使得当
$n>N_0(x)$时，$，S(x,n)-S(x,N_0(x))，<\varepsilon$，这样的
$N_0(x)$依赖于$x$。
而在一致收敛中，我们要求存在一个整数$N_0$，使
得当$n>N_0$时，对于任意$x\in I$，都有$，S(x,n)-S(x,N_0)，
<\varepsilon$，也就是说，$N_0$对于区间上的所有$x$都是统一的，不
依赖于$x$。
一致收敛的重要性在于它可以使我们更灵活地进行极限运算。
具体地说，当一个函数项级数在一些区间上一致收敛时，我们可以交换“级数求和”和“求极限”的次序，也就是说可以将求和与求极限的运算交换位置。
这使得我们可以更容易地处理函数项级数的性质和进行求和的计算。
总结起来，函数项级数的一致收敛性是指级数的部分和函数序列在定
义区间上对于任意的$x$都收敛到同一个极限，而不依赖于$x$。
一致收敛
的重要性在于它使我们能够更方便地进行极限运算和求和计算。