函数序列与级数
逐项积分
把无穷和逐块积分再相加,是个诱人的做法:integral of (sum f_n) = sum of (integral of f_n)。这恰好是交换求和(部分和的极限)与积分(也是一种极限)的次序。这种交换是合法的——但需要某个假设,而一致收敛是允许它的一个干净假设。
定理(序列形式):若 f_n 在 [a, b] 上黎曼可积,且 f_n 在 [a, b] 上一致收敛到 f,则 f 黎曼可积,且 f_n 在 [a,b] 上的积分收敛到 f 的积分。级数形式:若 sum f_n 的部分和在 [a, b] 上一致收敛,且每个 f_n 可积,则 sum f_n 在 [a,b] 上的积分等于各 f_n 在 [a,b] 上积分之和。
为何一致收敛足够:|integral of f_n - integral of f| <= integral of |f_n - f| <= (b - a) 乘以 sup 关于 [a,b] 的 |f_n - f|,而右端随 n -> infinity 消失。诚实的提醒:这个假设不能随便丢掉。仅在逐点收敛下,积分可能不收敛到极限的积分——一个著名的失败,在更强大的勒贝格理论中由控制收敛定理与单调收敛定理修复。
在 |x| < 1 时于 [0, x] 上对几何级数 1/(1 - t) = sum_{n>=0} t^n 逐项积分。该级数在任意 r < 1 的 [-r, r] 上一致收敛,故积分给出 -log(1 - x) = sum_{n>=0} x^{n+1}/(n+1) = x + x^2/2 + x^3/3 + ……——这就是对数的幂级数,且是严格推导出来的。
对几何级数逐项积分得到对数级数。
另见