函数序列与级数

一致收敛

逐点收敛允许每个点按自己的节奏走;一致收敛却要求它们齐步前进。想象在极限函数 f 周围画一条半宽为 epsilon 的管子。一致收敛是说:从某个下标 N 起,f_n 的整张图像都落在那根管子里——定义域上没有任何一点被允许探出去。一个界、一个 N,整个定义域一齐满足。

确切地说:f_n 在 E 上一致收敛到 f,是指对每个 epsilon > 0,都存在 N(仅依赖于 epsilon,而不依赖于 x),使得当 n >= N 时对所有 x 属于 E 都有 |f_n(x) - f(x)| < epsilon。等价地,关于 x 取上确界的 sup |f_n(x) - f(x)| 随 n -> infinity 趋于 0。这个度量最坏情形差距的单一数值,就是 f_n - f 的上确界范数。

一致收敛是分析学的主力假设,因为它把良好性质传递给极限:连续函数的一致极限仍连续,可以逐项积分,并且(在导数满足额外假设时)可以逐项微分。代价是它确实比逐点收敛更强,即便逐点收敛完美成立,一致收敛也可能失败。

取 [0,1] 上的 f_n(x) = x^n。逐点极限不连续,故它不可能是连续函数的一致极限;事实上对每个 n,在 [0,1) 上 sup |x^n - 0| = 1,永不缩小。但在固定的 a < 1 的区间 [0, a] 上,sup |x^n| = a^n -> 0,于是 f_n 在那里一致收敛到 0。同一个序列,在较小的集上一致收敛,在整个集上则不然。

一致性依赖于定义域:x^n 在 [0,a](a<1)上一致,但在 [0,1) 上不一致。

快速判否:若 sup |f_n(x) - f(x)| 不趋于 0,则收敛不是一致的。这一个计算就能立刻解决大多数课本例子。