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一致收敛与上确界范数

要求一个 N 同时对所有点都奏效。仅仅交换量词次序,就得到一致收敛,我们再把它干净地改写成上确界范数趋于零。

交换量词的次序

逐点收敛把对所有 x 放在存在 N 之外:对每个 x,有某个 N。一致收敛则把“对所有 x”挪到 N 选定之后。其定义为:对每个 epsilon > 0 存在 N,使得对一切 n >= N 与一切 x ∈ E 都有 |f_n(x) - f(x)| < epsilon。一个 N 必须同时服务整个定义域。

用上确界范数重新打包

“对所有 x,|f_n(x) - f(x)| < epsilon”恰好是对最坏点的一个界。定义上确界范数 ||g|| = sup over x in E of |g(x)|,即函数所达的最大高度(用上确界,故即便最大值不被取到也有定义)。于是一致收敛就是简洁的陈述 ||f_n - f|| -> 0:一个我们早已理解其趋零的数列。

  1. 先逐点计算 lim f_n(x),得到候选极限 f。
  2. 构造误差函数 e_n(x) = f_n(x) - f(x)。
  3. 计算 M_n = sup over x of |e_n(x)|——常借助微积分,找出误差最大处。
  4. 当且仅当 M_n -> 0 时收敛是一致的。若 M_n 不趋于 0,则只是逐点收敛。

演算:不肯消失的凸包

比较两个在 [0,1] 上有相同逐点极限 0 的序列。上述配方给出一行判定。第一个是上一篇的 x^n;第二个是一个移动的尖峰。估计 M_n 决定每种情形。

Sequence A:  f_n(x) = x^n on [0,1).  Pointwise limit f = 0.
  M_n = sup_{0<=x<1} |x^n - 0| = sup x^n = 1   (approached as x -> 1).
  M_n = 1 does NOT go to 0  =>  NOT uniform.  (matches Guide 1)

Sequence B:  g_n(x) = n x (1 - x)^n on [0,1].  Pointwise limit g = 0
  (for fixed x in (0,1], (1-x)^n -> 0 beats the factor n; g_n(0)=0).
  Maximize: g_n'(x) = 0 gives the peak near x = 1/(n+1),
  height  g_n(1/(n+1)) = n * (1/(n+1)) * (n/(n+1))^n
                       ~ (n/(n+1)) * e^{-1}  ->  1/e  ~ 0.368.
  M_n -> 1/e  != 0  =>  NOT uniform: a bump of fixed height 1/e
  slides toward 0 but never flattens.

Sequence C:  h_n(x) = x/n on [0,1].  Pointwise limit 0.
  M_n = sup |x/n| = 1/n -> 0  =>  UNIFORM.
M_n -> 0 即一致;固定高度的尖峰则不是。