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329第十讲 函数列与函数项级数一、知识结构 1、函数列收敛性（1）函数列收敛的概念和定义定义1 设 ,,,,21n f f f 是定义在同一数集E 上的函数，称为定义在E 上的函数列，记作}{n f 或n f ， ,3,2,1=n .定义2 设E x ∈0, 以0x 代入函数列,,,,21n f f f 的数列()()() ,,,,00201x f x f x f n . 如果数列)}({0x f n 收敛, 我们称函数列}{n f 在点0x 收敛,点0x 为函数列}{n f 的收敛点. 如果数列)}({0x f n 发散, 称函数列}{n f 在发散, 点0x 为函数列}{n f 的发散点.如果在数集E D ⊆上的每一点函数列 ,,,,21n f f f 都收敛, 则我们称函数列}{n f 在D 上收敛.记作)()(lim x f x f n n =∞→,D x ∈,)(x f 称为函数列}{n f 在D 上极限函数, 或称为函数列}{n f 在D 上收敛与)(x f .定义3(函数列)}({x f n 在D 上收敛于)(x f N -ε的定义) 对每一个固定的D x ∈0,对0>∀ε,存在正整数N ,当N n >时,有()()ε<-00x f x f n ,我们称函数列()}{x f n 在D 上收敛与)(x f ，记作)()(lim x f x f n n =∞→,D x ∈或)()(x f x f n →（∞→n ）,D x ∈.说明 ①对每一个固定的D x ∈0，都存在一个正整数N ，由于D 中一般有无限个0x ，所以就对应于无限个正整数N ，这无限个正整数N 中可能找到最小的，也可能找不到最小的.②定义中ε的大小一般既与N 的大小有关,又与D 上所选取的0x 大小有关.（2）函数列收敛的判定方法数列)}({0x f n 收敛的判定方法均可作为函数列收敛的判定方法.例如，函数列330)}({x f n 在D 上的柯西收敛准则.定理1 (函数列)}({x f n 在D 上收敛的柯西准则) 函数列)}({x f n 在D 上收敛的充要条件是:对每一个固定的D x ∈0,对0>∀ε,存在正整数N ,当N m n >,时,有()()ε<-00x f x f m n .定理2 (函数列)}({x f n 在D 上收敛的归结原则) )()(lim x f x f n n =∞→,D x ∈⇔对每一个固定的D x ∈0,当0lim x x m m =∞→时,有)()(lim )(lim lim 00x f x f x f n n m n m n ==∞→∞→∞→.2、函数列的一致收敛性（1）函数列一致收敛性的概念和定义如果上述定义3中的ε大小仅与N 的大小有关,与D 上所选取的0x 大小无关,则我们就得到函数列)}({x f n 在D 上一致收敛于)(x f .定义4(函数列)}({x f n 在D 上一致收敛于)(x f N -ε的定义) 对D x ∈∀,0>∀ε,∃正整数N ,当N n >时,有()()ε<-x f x f n ,我们称函数列}{n f 在D 上收敛与)(x f ,记作)(x f n −→−−→−)(x f ) (∞→n ,D x ∈.（2）函数列一致收敛性的判别法定理3 (函数列)}({x f n 在D 上一致收敛的柯西准则) 函数列)}({x f n 在D 上一致收敛的充要条件是:对D x ∈∀,对0>∀ε,存在正整数N ,当N m n >,时,有()()ε<-x f x f m n .定理4 函数列)}({x f n 在D 上一致收敛的充要条件是:0)()(sup lim =-∈∞→x f x f n Dx n .推论 设在数集D 上)(x f n →)(x f ) (∞→n .若存在数列D x n ⊂}{,使0 |)()(|→/-n n n x f x f ) (∞→n , 则函数列)}({x f n 在数集D 上非一致收敛.3、函数项级数及其一致收敛性 (1) 函数项级数及其和函数331定义5 设{})(x u n 是定义在数集E 上函数列，表达式∑∞=1)(n n x u ，E x ∈称为定义在E上的函数项级数.若E x ∈0,数列{})(0x u n 收敛,即极限∑=∞→∞→=nk kn n n x ux S 100)(lim)(lim 存在, 则称函数项级数∑∞=1)(n n x u (E x ∈)在点0x 收敛, 点0x 称为函数项级数∑∞=1)(n n x u (E x ∈)的收敛点.若E x ∈0,数列{})(0x u n 发散, 则称函数项级数∑∞=1)(n n x u (E x ∈)在点0x 发散, 点0x 称为函数项级数∑∞=1)(n n x u (E x ∈)的发散点. 函数项级数∑∞=1)(n n x u (E x ∈)收敛点的全体组成数集D 称为函数项级数∑∞=1)(n nx u(E x ∈)收敛域.表达式∑∞=∞→==1)()(lim )(n nn n x ux S x S (D x ∈)中的)(x S 称为函数项级数∑∞=1)(n n x u (D x ∈)的和函数,或称函数项级数∑∞=1)(n n x u 在D 上收敛于)(x S .定义6(函数项级数∑∞=1)(n nx u在D 上收敛于)(x S 的N -ε的定义) 令)()(1x ux S nk kn ∑==,对每一个固定的D x ∈0,对0>∀ε,存在正整数N ,当N n >时,有()()ε<-00x S x S n ,我们称函数项级数∑∞=1)(n nx u在D 上收敛于)(x S ，记作)()()(lim 1x S x ux S n nn n ==∑∞=∞→,D x ∈或)()(x S x S n →（∞→n ）,D x ∈或)()(1x S x unk k→∑=（∞→n ）,D x ∈.说明 ①对每一个固定的D x ∈0，都存在一个正整数N ，由于D 中一般有无限个0x ，332所以就对应于无限个正整数N ，这无限个正整数N 中可能找到最小的，也可能找不到最小的.②定义中ε的大小一般既与N 的大小有关,又与D 上所选取的0x 大小有关.(2)函数项级数∑∞=1)(n n x u 的一致收敛性如果上述定义6中的ε大小仅与N 的大小有关,与D 上所选取的0x 大小无关,则我们就得到函数项级数∑∞=1)(n n x u 在D 上一致收敛于)(x S .定义7(函数项级数∑∞=1)(n nx u在D 上一致收敛于)(x S 的N -ε的定义) 令)()(1x ux S nk kn ∑==,对D x ∈∀,0>∀ε,∃正整数N ,当N n >时,有()()ε<-x S x S n ,我们称函数项级数∑∞=1)(n nx u在D 上一致收敛于)(x S ,记作)(1x unk k∑=−→−−→−)(x S ) (∞→n ,D x ∈或)(x S n −→−−→−)(x S ) (∞→n ,D x ∈.(3) 函数项级数∑∞=1)(n n x u 的一致收敛性判别法定理5(Cauchy 准则) 级数∑)(x u n 在区间D 上一致收敛⇔N ,0∃>∀ε,,N n >∀N ∈∀p ,∈∀x D ⇒ ε<-+)()(x S x S n p n 或ε |)()()(|21<++++++x u x u x u p n n n .推论 级数∑)(x u n 在区间D 上一致收敛⇒n u )(x −→−−→−0 ) (∞→n .定理6 级数∑)(x u n 在区间D 上一致收敛于)(x S ⇔∞→n lim =∈|)(|sup x R n x D∞→n lim 0|)()(|sup =-∈x S x S n x D.定理7( Weierstrass 判别法，M-判别法)设级数∑)(x u n 定义在区间D 上,∑nM 是收敛的正项级数.当n 充分大时,对∈∀x D 有||)(x u n n M ≤,则∑在D 上一致收敛.333证明 , |)(| )( 1111∑∑∑∑==+=++=+=≤≤p i pi in p i i n i n p i i n MM x u x u 然后用Cauchy 准则.亦称此判别法为优级数判别法. 称满足该定理条件的正项级数∑nM是级数∑)(x un的一个优级数. 于是定理7可以叙述为: 若级数∑)(x u n 在区间D 上存在优级数,则级数∑)(x u n 在区间D 上一致收敛.应用时,常可试取|})({|sup x u Mn Dx n∈=.但应注意,级数∑)(x u n 在区间D 上不存在优级数⇒/级数∑)(x u n 在区间D 上非一致收敛.注意区分用这种控制方法判别函数列和函数项级数一致收敛性的区别所在. 定理8（Abel 判别法）设（ⅰ）级数∑)(x u n 在区间I 上收敛;（ⅱ）对每个∈x I ,数列)}({x v n 单调; （ⅲ） 函数列)}({x v n 在I 上一致有界, 即0 >∃M ,使对I ∈∀x 和n ∀,有M x v n |)(|≤. 则级数∑)()(x v x u n n 在区间I 上一致收敛 .定理9（Dirichlet 判别法） 设（ⅰ）级数∑)(x un的部分和函数列∑==nk kn x ux U 1)()(在区间I 上一致有界;（ⅱ） 对于每一个∈x I ,数列)}({x v n 单调;（ⅲ）在区间I 上函数列)}({x v n 一致收敛于零.则级数∑)()(x v x u n n 在区间I 上一致收敛.(4) 一致收敛函数列极限函数的解析性质定理1（连续性）设在D 上n f −→−−→−)(x f ,且对∀n ,函数)(x f n 在D 上连续⇒)(x f 在D 上连续.证明 要证: 对∈∀0x D ,)(x f 在点0x 连续.即证:对0>∀ε,0>∃δ, 当|δ<-|0x x 时⇒ε<-|)()(|0x f x f .|)()(||)()(||)()(| |)()(|0000x f x f x f x f x f x f x f x f n n n n -+-+-≤-.334估计上式右端三项.由一致收敛, 第一、三两项可以任意小;而由函数)(x f n 在点0x 连续, 第二项|)()(|0x f x f n n -也可以任意小.所以, 对0>∀ε,0>∃δ, 当|δ<-|0x x 时,有ε<-|)()(|0x f x f推论 设在D 上)(x f n →)(x f .若)(x f 在D 上间断，则函数列{)(x f n }在D 上一致收敛和所有)(x f n 在D 上连续不能同时成立.注 定理1表明: 对于各项都连续且一致收敛的函数列{)(x f n },有)(lim lim )(lim lim 00x f x f n x x n n n x x →∞→∞→→=，即极限次序可换 .定理2（可积性） 若在区间] , [b a 上函数列{)(x f n }一致收敛,且每个)(x f n 在] , [b a 上连续.则有 ()⎰⎰∞→∞→=baban n n n dx x f dx x f )(lim)(lim .证明 设在] , [b a 上n f −→−−→−)(x f , 由Th1,函数)(x f 在区间] , [b a 上连续,因此可积. 我们要证 ⎰⎰=∞→baban n dx x f dx x f )()(lim . 注意到⎰⎰⎰-≤-ban baba n f f f f || , 可见只要ab x f x f n -<-ε|)()(|在] , [b a 上成立.注:定理的条件可减弱为:用条件“)(x f n 在] , [b a 上(R )可积”代替条件“)(x f n 在] , [b a 上连续”.证明可参阅 江泽坚著《数学分析》上册P 350.定理3（可微性） 设函数列{)(x f n }定义在区间] , [b a 上,在某个点∈0x ] , [b a 收敛.对n ∀, )(x f n 在] , [b a 上连续可导,且由导函数构成的函数列{)(x f n '}在] , [b a 上一致收敛, 则函数列{)(x f n }在区间] , [b a 上收敛,且有())(lim)(lim x f dxd x f dxdn n n n ∞→∞→=.证明 设)(0x f n →A ，) (∞→n . )(x f n '−→−−→−)(x g , ) (∞→n .对∈∀x ] , [b a ,注意到函数)(x g 连续和 )(x f n =⎰'+x x n n dt t f x f 0)()(0, 就有335⎰'+=∞→∞→∞→x x n n n n n n dt t f x f x f 0)(lim)(lim )( lim 0 （对第二项交换极限与积分次序）())()()(lim0x f dt t g A dt t f A x x xx n n ⎰⎰==+='+=∞→令估计⎰⎰--'+x x x x n n dt t g A dt t f x f 0)()()(0≤()⎰-'+-xx nn dtt g t f A x f 0)()()(0, 可证得)(x f n −→−−→−)(x f . )(x f '=='⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎰xx dt t g A 0)()(x g =∞→n lim =')(x f n ∞→n lim)(x f dx dn . 即()=∞→)(limx f dxdn n ∞→n lim)(x f dxdn . 亦即求导运算与极限运算次序可换.二、解证题方法例1 对定义在) , (∞+∞-内的等比函数列{})(x f n ,nn x x f =)(,用“N -ε”的定义验证其收敛域为] 1 , 1 (-, 且⎩⎨⎧=<===∞→∞→.1 , 1 , 1 || , 0 )(lim )(lim x x x f x x f nn n n解 因为对0>∀ε,()1,1-∈∀x ,⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∃1,ln ln x N ε,当N n >时,有ε<=-=-nnn xx x f x f 0)()(,所以()1,1-∈x 时, 有)(lim )(lim x f x x f nn n n ==∞→∞→.当1=x 时, 有)(11lim )1(lim x f f nn n n ===∞→∞→, 当1-=x 时, 即)1(lim n n f ∞→不存在.例2 )(x f n =nnx sin . 用“N -ε”定义验证在) , (∞+∞-内0)(lim =∞→x f n n .解对0>∀ε,), (∞+∞-∈∀x ,⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∃1,1εN ,当N n >时,有ε<≤=-=-nnnx nnx x f x f n 1sin 0sin )()(,即0)(lim =∞→x f n n .例3 考查以下函数列的收敛域与极限函数) (∞→n .336（1）)(x f n =xxx x nn n n --+-，R ∈x .（2） )(x f n =121+n x ，R ∈x .（3） 设 ,,,,21n r r r 为区间] 1 , 0 [上的全体有理数所成数列. 令 )(x f n =⎩⎨⎧≠∈=nn r r r x x r r r x ,,, ] 1 , 0 [ , 0,,,, , 12121 且，∈x ] 1 , 0 [.（4） )(x f n =2222xnxen -，R ∈x .（5） )(x f n =⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≤≤<≤-<≤--+ . 121 , 0 ,2121 ,42,210 ,4111x x x x x n n n n n n n解 （1）因为)(x f n =xxx x nn n n --+-，所以)(x f n →,sgn x R ∈x .（2）因为)(x f n =121+n x，所以)(x f n →,sgn x R ∈x .（3） 设 ,,,,21n r r r 为区间] 1 , 0 [上的全体有理数所成数列. 令 )(x f n =⎩⎨⎧≠∈=.,,, ] 1 , 0 [ , 0,,,, , 12121n n r r r x x r r r x 且)(x f n →)(x D , ∈x ] 1 , 0 [.（4）因为)(x f n =2222xnxen -，所以)(x f n →0,R ∈x .（5）因为)(x f n =⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≤≤<≤-<≤--+ . 121 , 0 ,2121 ,42,210 ,4111x x x x x n n n n n n n337所以)(x f n →0, ∈x ] 1 , 0 [, ) (∞→n .（ 注意⎰≡11)(dx x f n .）问题 若在数集D 上)(x f n →)(x f ,) (∞→n .试问:通项)(x f n 的解析性质是否必遗传给极限函数)(x f ?答案是否定的.上述例1、例3⑴⑵说明连续性未能遗传,而例3⑶说明可积性未能遗传.例3⑷⑸说明虽然可积性得到遗传, 但∞→n lim()⎰⎰∞→≠11)(lim)(dx x f dx x f n n n .用函数列的极限表示函数是函数表达的一种重要手段.特别是表达非初等函数的一种手段. 对这种函数, ∞→n lim )(x f n 就是其表达式.于是,由通项函数的解析性质研究极限函数的解析性质就显得十分重要. 那末, 在什么条件下通项函数的解析性质能遗传给极 限函数呢? 一个充分条件就是所谓“一致收敛”. 一致收敛是把逐点收敛加强为所谓“整体收敛”的结果.例4 nnx x f n sin )(=. 证明函数列)}({x f n 在R 内一致收敛.证明1 显然nnx x f n sin )(=收敛于0)(=x f .对0>∀ε,R x ∈∀,1,1>⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∃εN ,当N n >时,有ε<≤-=-nnnx x f x f n 10sin )()(. 所以函数列)}({x f n 在R 内一致收敛.证明2对0>∀ε,R x ∈∀, 01,2>⎥⎦⎤⎢⎣⎡=∃εN ,当Nm n >,时,有ε<+≤-=-mn mmx nnx x f x f m n 11sin sin )()(. 所以函数列)}({x f n 在R 内一致收敛.例5 )(x f n 2222xn xen -=. 证明在R 内 )(x f n →0, 但不一致收敛.338证明 显然有)(x f n →0, |)()(|x f x f n -= )(x f n 在点n x =n21处取得极大值022121→/=⎪⎭⎫ ⎝⎛-nen f n ,) (∞→n . 由推论2 , )}({x f n 不一致收敛.例6 221)(xn xx S n +=. 证明在) , (∞+∞-内)(x S n −→−−→−0 ) (∞→n .证明 易见 ∞→n lim .0)()(==x S x S n 而nnx x n n xn x x S x S n 21)(1||2211|||)()(|222≤+⋅=+=-在) , (∞+∞-内成立.例7 对定义在区间] 1 , 0 [上的函数列⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧≤<=≤<-≤≤=. 11 , 0), , 2 , 1 ( , 121 ,22,210 , 2)(22x n n n x n x n n n x x n x f n证明∞→n lim )(x f n =0, 但在] 1 , 0 [上不一致收敛.证明 10≤<x 时,只要1->x n ,就有)(x f n =0.因此,在] 1 , 0 (上有)(x f =∞→n l i m )(x f n =0. 0)0(=n f ⇒)0(f =∞→n lim)0(n f =0.于是, 在] 1 , 0 [上有)(x f =∞→n lim )(x f n =0.但由于021|)()(|max ]1,0[→/=⎪⎭⎫ ⎝⎛=-∈n n f x f x f n n x ,) (∞→n ,因此, 该函数列在] 1 , 0 [上不一致收敛.例8 )(x f n =12sin2+n x . 考查函数列)}({x f n 在下列区间上的一致收敛性:（1）)0( , ] , [>-l l l ; （2）) , 0 [∞+.339例9 定义在) , (∞+∞-内的函数项级数(称为几何级数)+++++=∑∞=nn nx x x x201的部分和函数列为) 1 ( 11)(≠--=x xxx S nn , 收敛域为) 1 , 1 (-.例10 几何级数∑∞=0n n x 在区间] , [a a -)10(<<a 上一致收敛；但在) 1 , 1(-内非一致收敛.证明 在区间] , [a a -上,有 011sup|)()(|sup ],[],[→-=--=---aaaxx S x S nna a n a a ) (∞→n ⇒∑一致收敛;而在区间) 1 , 1(-内, 取∈+=1n n x n ) 1 , 1(-, 有∞→⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+-⎪⎭⎫⎝⎛+≥-=----1)1,1()1,1(1111 1sup |)()(|sup n nnn n n n nn n n x x x S x S ,) (∞→n ⇒∑非一致收敛.亦可由通项nn x x u =)(在区间) 1 , 1(-内非一致收敛于零⇒∑非一致收敛.几何级数∑∞=0n n x 虽然在区间) 1 , 1(-内非一致收敛,但在包含于) 1 , 1(-内的任何闭区间上却一致收敛. 我们称这种情况为“闭一致收敛”.因此,我们说几何级数∑∞=0n n x 在区间) 1 , 1(-内闭一致收敛.例11 判断函数项级数 ∑∞=in nnx 2sin 和 ∑∞=in nnx 2cos 在R 内的一致收敛性.340例12 设) , 2 , 1 ( )( =n x u n 是区间] , [b a 上的单调函数. 试证明:若级数∑)(a un与∑)(b u n 都绝对收敛, 则级数∑)(x u n 在区间] , [b a 上绝对并一致收敛 .简证 ,留为作业. |)(||)(| |)(|b u a u x u n n n +≤.…… 例13 判断函数项级数∑++-1)() 1(n nn nn x 在区间] 1 , 0 [上的一致收敛性.解 记nn nn n x x v nx u ⎪⎭⎫ ⎝⎛+=-=1)( , ) 1()(. 则有ⅰ> 级数∑)(x u n 收敛; ⅱ> 对每个∈x ] 1 , 0 [, )(x v n ↗；ⅲ>e n x x v nn ≤⎪⎭⎫ ⎝⎛+=1|)(| 对∀∈x ] 1 , 0 [和n ∀成立.由Abel 判别法, ∑在区间] 1 , 0 [上一致收敛.例14 设数列}{n a 单调收敛于零.试证明: 级数∑nx a n cos 在区间] 2 , [απα-)0(πα<<上一致收敛.证明 由前面例4，在] 2 , [απα-上有212sin2121|2sin|21212sin2) 21sin(|cos |1+≤+≤-+=∑=αx x xn kx nk .可见级数∑nx cos 的部分和函数列在区间] 2 , [απα-上一致有界.取nx x u n cos )(=,n n a x v =)(就有级数∑)(x u n 的部分和函数列在区间] 2 , [απα-上一致有界, 而函数列)}({x v n 对每一个∈x ] 2 , [απα-单调且一致收敛于零.由Dirichlet 判别法,级数∑nx a n cos 在区间] 2 , [απα-上一致收敛.其实,在数列}{n a 单调收敛于零的条件下,级数∑nx ancos 在不包含) , 2 , 1 , 0 ( 2 ±±=k k π的任何区间上都一致收敛.341例15 证明函数)(x f =∑∞=-1n nxne在区间) , 0 (∞+内连续.证明 (先证∑∞=-1n nxne在区间) , 0 (∞+内闭一致收敛.)对+∞<<<∀b a 0，有nanxnene--≤≤0，∈x ] , [b a ；又∑+∞<-nane⇒∑∞=-1n nxne在] , [b a 一致收敛.( 次证对∈∀0x ) , 0 (∞+,)(x f 在点0x 连续 ) 对∈∀0x ) , 0 (∞+, 由上段讨论,∑∞=-1n nxne在区间] 2 , 2[00x x 上一致收敛;又函数nxne-连续⇒)(x f 在区间]2 , 2[00x x 上连续⇒ )(x f 在点0x 连续. 由点0x 的任意性,)(x f 在区间) , 0 (∞+内连续.例16 =)(x S ∑∞=-11n n nn x, ∈x ] 1 , 1 [-. 计算积分 ⎰xdt t S 0)(.解显然∑∞=-11n n nn x一致收敛. 则∑∑∑⎰⎰∑⎰∞=∞=-∞=-∞=-====1212111011)(n nn xn n xn xn n xnnxnntdt nn tdt nntdt t S .练习[1](北京理工大学2008年) 证明：xy y x f cos ),(=在2R 内不一致收敛.证明：取πn x n ='，2='ny ，4ππ+=''n x n ，2=''n y ，因为+∞=''+∞='∞→∞→nn n n x x lim ,lim ，所以122c o s 2c o s l i m ),(),(l i m =⎪⎭⎫ ⎝⎛+-=''''-''+∞→+∞→πππn n y x f y x f n nn n n n ，进而()n n n n y x y x f c os ),(=在2R 内不一致收敛，再有归结原则知，xy y x f cos ),(=在2R 内不一致收敛.[2](山东师范大学2010年) 试确定函数项级数111(1)n xn n∞+=-∑的收敛域，并讨论其和函数在定义域内的连续性与可微性.342解: （1）收敛域 令xn nx u 1)(=，则当0>x 时，{})(x u n 单调递减，并且0)(lim =∞→x u n n ，所以由交错级数收敛的莱布尼兹判别法，则交错级数111(1)n xn n∞+=-∑收敛.进而级数111(1)n xn n∞+=-∑的收敛域为()+∞,0，并设111(1)()n xn S x n∞+=-=∑.（2）连续性 因为)(1)1()2(1)1()1(1)1(lim )()1()()1()()1(lim 13212312=+-+++-++-=-++-+-++++∞→+++++++∞→xp n xn xn n p n p n n n n n n p n n n x u x u x u ，其中p 为常数，()+∞∈,0x ，所以函数项级数111(1)n xn n∞+=-∑在()+∞,0内一致收敛.又因为)()1(1x u n n +-在()+∞,0内连续，所以和函数)(x S 在()+∞,0内连续，即函数项级数111(1)n xn n∞+=-∑在()+∞,0内连续.（3）可微性因为函数项级数111111ln ln (1)(1)(1)n n nx xxn n n n n n nn+∞+∞+∞++==='-⎛⎫-=-=- ⎪⎝⎭∑∑∑在()+∞,0内一致收敛，原因如下： ()()()23112131lim(1)()(1)()(1)()ln(1)11lim (1)(1)(1)(1)(2)()0n n n p n n n p n n n n p xxxn u x u x u x n n n n p +++++++→∞++++→∞'''-+-++-+=-+-++-+++= ，343并且函数项级数111(1)n xn n∞+=-∑的每一项11(1)n xn+-的导数ln (1)nxn n-在()+∞,0内连续，所以和函数111()(1)n xn S x n∞+==-∑在()+∞,0内可微，并且111111ln ln ()(1)(1)(1)n n nx xxn n n n n S x n nn+∞+∞+∞++==='-⎛⎫'=-=-=- ⎪⎝⎭∑∑∑.[3] 设函数在[],a b 上连续，且对[],x a b ∀∈，函数项级数()1()nn f x ∞=∑收敛，试证明()1()nn f x ∞=∑在[],a b 上一致收敛.证明：因为函数项级数()1()nn f x ∞=∑在[],a b 上收敛，所以()()nn f x M ≤,并且()[]l i m ()l i m ()0,,nn n n u x f x x a b →∞→∞==∈, 即对01n ε∀<<,存在0N >,当n N>时,有()()()nnn u x f x ε=<,[],x a b ∈. 因为正项级数1nn N ε+∞=+∑收敛, 当然级数()111()Nnnnn n N n N f x N M εε+∞+∞==+=++≤+∑∑∑也收敛,其中{}1m ax n n NM M ≤≤=.所以魏尔斯特拉斯判别法知, 函数项级数()1()nn f x ∞=∑在[],a b 上一致收敛.[4](哈尔滨工大2008年) 设()x u n 在[]b a ,上满足条件：()()y x y u x u nn n -≤-21，,2,1=n ，且在[]b a ,上()x u n n ∑+∞=1逐点收敛，则()x u n n ∑+∞=1在[]b a ,上一致收敛.证明：()x u n n ∑+∞=1在[]b a ,上逐点收敛，所以()()()1lim limnn kn n k S x S x u x →∞→∞===∑，固定[],x a b ∈.由函数列(){}x S n 在[]b a ,上的柯西收敛准则：对0ε∀>，存在正整数N ，当,n m N >时，有()()n m S x S x ε-<，固定[],x a b ∈.344因为对[]b a x ,∈∀，有()()()()()()()()()()()()()()yx y x x S y S y S y S y S x S x S y S y S y S y S x S x S x S mnm m m n n n m m m n n n m n -++-<-+-+-≤-+-+-=-2121ε，其中[]b a y ,∈，且02121lim =⎪⎭⎫⎝⎛-++-∞→∞→y x y x m n m n ε，所以()x u n n ∑+∞=1在[]b a ,上一致收敛.[5](重庆大学2010年) 证明：函数项级数1(1)(1)n n n x x +∞=--∑在区间[]0,1上绝对收敛和一致收敛，但是级数1(1)n n x x +∞=-∑在区间[]0,1上不一致收敛.证明：（1）证明函数项级数1(1)(1)n n n x x +∞=--∑在区间[]0,1上绝对收敛和一致收敛.因为当()00,1x ∈时，有()()0000000101lim ()lim (1)(1)lim 11nn k kn n n n k x x S x x x x x x →∞→∞→∞=⎧⎫-⎡⎤⎪⎪=--=-⋅=⎨⎬⎢⎥-⎣⎦⎪⎪⎩⎭∑， 而0,1x x ==时，函数项级数1(1)(1)0n nn x x +∞=--=∑，所以函数项级数1(1)(1)nnn x x +∞=--∑在区间[]0,1上绝对收敛， 进而1,[0,1)(1)(1)()0,1nnn x x xx S x x +∞=∈⎧--==⎨=⎩∑. 又因为()()11(li m 11n nkkn n n n k x x x x S x xx x x x →∞→∞→∞=⎧⎫⎡⎤---⎡⎤-⎪⎪⎣⎦=--=-⋅=⎨⎬⎢⎥++⎣⎦⎪⎪⎩⎭∑，其中[]0,1x ∈，所以函数项级数1(1)(1)nnn x x +∞=--∑在区间[]0,1上一致收敛.345(2) 后证明级数1(1)n n x x +∞=-∑在区间[]0,1上不一致收敛因为当()00,1x ∈时，有()()0000000101lim ()lim (1)lim 11nn kn n n n k x x S x x x x x x →∞→∞→∞=⎧⎫-⎛⎫⎪⎪=-=-⋅=⎨⎬ ⎪-⎝⎭⎪⎪⎩⎭∑， 而00x =时, 有0lim ()0n n S x →∞=, 当01x =时, 有0lim ()0n n S x →∞=, 所以函数项级数函数项级数1(1)nn x x +∞=-∑收敛于()S x x =，即1(1)()n n x x S x x +∞=-==∑, []0,1x ∈.取1111n n x n +⎛⎫=- ⎪⎝⎭，则()()11lim ()()lim 1lim 11nn nn n n n n n nn n n nx x S x S x x x x x +→∞→∞→∞--=-⋅-==-，所以函数列{}()n S x 在[]0,1上不一致收敛，进而级数1(1)n n x x +∞=-∑在区间[]0,1上不一致收敛.。
