函數序列與級數

逐項積分

把無窮和逐塊積分再相加,是個誘人的做法:integral of (sum f_n) = sum of (integral of f_n)。這恰好是交換求和(部分和的極限)與積分(也是一種極限)的次序。這種交換是合法的——但需要某個假設,而一致收斂是允許它的一個乾淨假設。

定理(序列形式):若 f_n 在 [a, b] 上黎曼可積,且 f_n 在 [a, b] 上一致收斂到 f,則 f 黎曼可積,且 f_n 在 [a,b] 上的積分收斂到 f 的積分。級數形式:若 sum f_n 的部分和在 [a, b] 上一致收斂,且每個 f_n 可積,則 sum f_n 在 [a,b] 上的積分等於各 f_n 在 [a,b] 上積分之和。

為何一致收斂足夠:|integral of f_n - integral of f| <= integral of |f_n - f| <= (b - a) 乘以 sup 關於 [a,b] 的 |f_n - f|,而右端隨 n -> infinity 消失。誠實的提醒:這個假設不能隨便丟掉。僅在逐點收斂下,積分可能不收斂到極限的積分——一個著名的失敗,在更強大的勒貝格理論中由控制收斂定理與單調收斂定理修復。

在 |x| < 1 時於 [0, x] 上對幾何級數 1/(1 - t) = sum_{n>=0} t^n 逐項積分。該級數在任意 r < 1 的 [-r, r] 上一致收斂,故積分給出 -log(1 - x) = sum_{n>=0} x^{n+1}/(n+1) = x + x^2/2 + x^3/3 + ……——這就是對數的冪級數,且是嚴格推導出來的。

對幾何級數逐項積分得到對數級數。