复旦大学数学系《数学分析》(第3版)(下册)课后习题-级 数-函数项级数【圣才出品】

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第3篇 级 数

第2部分 函数项级数
第11章 函数项级数、幂级数
§1 函数项级数的一致收敛
1.讨论下列函数序列在所示区域内的一致收敛性:

解:(1)当-∞<x<+∞时,

于是由定义2,得fn(x)在(-∞,+∞)内一致收敛于|x|.
(2)当x=1时,fn(l)=0,f(x)=0;当0≤x<1时,
则f(x)=0(0≤x≤1)

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令则得

又则于是由定义2,得此函数
序列在所示区域内 不一致收敛.

(3)(i)当-l<x<l时,

于是据定义2,得fn(x)在(-l,l)上一致收敛于0.
(ii)当-∞<x<+∞时,
取ε0使0<ε0<1,不论n多大,只要取就有

则在fn(x)在(-∞,+∞)上不一致收敛.
(4)当0≤x<1时,当x=1时,fn(1)=0,f(1)=0,

令则得

则即

于是定义2,得此函数序列在所示区域内一致收敛于0.
(5)

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于是f(x)在[0,1]上不连续,而fn(x)在[0,1]上连续,则在
[0,1]上不一致收敛.

(6)因则&

对因则存在δ(ε)>0,当0<t<δ时,有|tlnt-0|<ε
取当n>N时,
从而对一切0<x<1,有故
从而由定义1,得此函数在(0,1)内一致收敛于0.

2.讨论下列级数的一致收敛性:

解:(1)因部分和则

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于是S(x)在[0,1]上不连续,而Sn(x)在[0,1]上连续,则在[0,1]
上不一致收敛.

(2)因此级数为交错级数,且则余式的绝对值不会超过
它的首项的绝对值,即

从而对当n>N时,有|rn(x)|<ε则此级数在(-∞,+∞)上一
致收敛.

(3)当-∞<x<+∞时,恒成立,且级数收敛
则由魏氏判别法,得级数在(-∞,+∞)上一致收敛.
(4)因则


从而
又级数收敛,则据魏氏判别法,得级数在(-∞,+∞)上一致收
敛.

(5)当x=0,2π时,
当x≠0,2π时,

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则当0≤x≤2π时,
又对x∈[0,2π]关于n单调递减且由得当n→∞时,
关于x在[0,2π]上一致地趋于0(由定义2)
则据狄立克莱判别法,得级数在[0,2π]上一致收敛.

(6)由于对有则
又级数收敛,则据魏氏判别法,得级数在[0,+∞)上一
致收敛.

(7)记
当0<x<+∞时,由于且收敛,故原级数绝对收敛,从
而收敛,但它在
(0,+∞)内并不一致收敛.
如若不然,设它一致收敛,则对任给ε>0,取ε=1,必存在N=N(ε)∈Z+(它与
x无关),使当n>N时,对于(0,+∞)内的一切x,均有
其中p为任意正整数
今取p=1,n=N则对一切x∈(0,+∞),应有

又取也应有
但事实上却有这与矛盾

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则假设不成立,即级数在(0,+∞)上收敛但非一致收敛.

3.证明一致收敛定义1和定义2的等价性.
证明:定义1定义2
己知对任给的ε>0,存在只依赖于ε的正整数N(ε),使n>N(ε)时,有

对一切x∈X都成立.
于是从而
定义2定义1

已知即对使当n>N时,对一切x∈X,
都有

而对一切x∈X都成立.
(完全类似地可证明函数项级数定义1定义2).

4.试证级数在任何区间[1+α,∞),α>0为一致收敛.
证明:因当h>0时,ln(1+h)<h,则

又收敛,则据M判别法,得原级数在[1+α,∞)(α>0)上一致收
敛.