§3 Sequence and series of functions · 함수열과 함수급수

DEF 3.1 점별수렴과 극한함수 Pointwise convergence and the limit function
한국어

$E \subset \mathbb{R}$이고 $\{f_n : n \in \mathbb{N}\}$을 $E$ 위의 실숫값 함수열이라 하자. 즉, 각 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 $f_n$은 $E$에서 $\mathbb{R}$로 가는 함수이다. 각 $x \in E$에 대하여 수열 $\{f_n(x)\}$가 수렴한다고 가정하고 다음을 정의하자.

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x).$$

그러면 $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 점별수렴한다고 한다. 또한 $f$를 $f_n$의 극한, $f_n$의 극한함수, 또는 $f_n$의 점별극한이라 부른다.

English

Let $E \subset \mathbb{R}$ and $\{f_n : n \in \mathbb{N}\}$ be a sequence of real-valued functions on $E$, i.e. for each $n \in \mathbb{N}$, $f_n$ is a function from $E$ to $\mathbb{R}$. Assume that for each $x \in E$, the sequence $\{f_n(x)\}$ converges and define

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x).$$

Then we say that $f_n$ converges to $f$ pointwise on $E$. Moreover, $f$ is called the limit of $f_n$, the limit function of $f_n$,or the pointwise limit of $f_n$.

NOTE
한국어

이 함수열의 점별극한이 함수의 성질을 보존할 수 있는지 묻는 것은 매우 자연스럽다. 다음은 그러한 질문들의 목록이다.

  • $f_n$이 $[a, b]$ 위에서 $f$로 점별수렴하고 모든 $n$에 대해 $f_n$이 $[a, b]$ 위에서 연속이라고 가정하자. 그러면 $f(x)$가 $[a, b]$ 위에서 연속인가? 다시 말해, 임의의 $c \in E$에 대하여

    $$\lim_{x \to c} \lim_{n \to \infty} f_n(x) = \lim_{x \to c} f(x) = f(c) = \lim_{n \to \infty} f_n(c) = \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to c} f_n(x)?$$

    ($[a, b]$의 끝점에서는 극한을 좌극한 또는 우극한으로 간주한다).

  • $f_n$이 $[a, b]$ 위에서 $f$로 점별수렴하고 모든 $n$에 대해 $f_n$이 $[a, b]$ 위에서 미분가능하다고 가정하자. 그러면 $f(x)$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하고

    $$\begin{aligned} f'(c) = \lim_{x \to c} \frac{f(x) - f(c)}{x - c} & = \lim_{x \to c} \lim_{n \to \infty} \frac{f_n(x) - f_n(c)}{x - c} = \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to c} \frac{f_n(x) - f_n(c)}{x - c} \\ & = \lim_{n \to \infty} f'_n(c)? \end{aligned}$$
  • $f_n$이 $[a, b]$ 위에서 $f$로 점별수렴하고 모든 $n$에 대해 $f_n$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면 $f(x)$가 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하고

    $$\int_a^b f(x)dx = \int_a^b \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx = \lim_{n \to \infty} \int_a^b f_n(x)dx?$$

위 질문들에 대한 답은 모두 "아니오"이다. 다음과 같이 반례를 쉽게 찾을 수 있다.

English

It is very natural to ask if this pointwise limit of functions can preserve the properties of functions. Here is a list of questions.

  • Assume that $f_n$ converges to $f$ pointwise on $[a, b]$ and $f_n$ is continuous on $[a, b]$ for all $n$. Then is $f(x)$ continuous on $[a, b]$? In other words, for any $c \in E$,

    $$\lim_{x \to c} \lim_{n \to \infty} f_n(x) = \lim_{x \to c} f(x) = f(c) = \lim_{n \to \infty} f_n(c) = \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to c} f_n(x)?$$

    (the limit is considered as the left limit or right limit at the end points of $[a, b]$).

  • Assume that $f_n$ converges to $f$ pointwise on $[a, b]$ and $f_n$ is differentiable on $[a, b]$ for all $n$. Then is $f(x)$ differentiable on $[a, b]$ and

    $$\begin{aligned} f'(c) = \lim_{x \to c} \frac{f(x) - f(c)}{x - c} & = \lim_{x \to c} \lim_{n \to \infty} \frac{f_n(x) - f_n(c)}{x - c} = \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to c} \frac{f_n(x) - f_n(c)}{x - c} \\ & = \lim_{n \to \infty} f'_n(c)? \end{aligned}$$
  • Assume that $f_n$ converges to $f$ pointwise on $[a, b]$ and $f_n$ is Riemann integrable on $[a, b]$ for all $n$. Then is $f(x)$ Riemann integrable on $[a, b]$ and

    $$\int_a^b f(x)dx = \int_a^b \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx = \lim_{n \to \infty} \int_a^b f_n(x)dx?$$

All answers to above questions are “No”. We can easily find counter examples as follows.

EXAM 3.2 연속성을 잃는 점별극한 A pointwise limit that loses continuity
한국어

모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.

$$f_n(x) = \begin{cases} \frac{1}{1+nx} & \left(x \neq -\frac{1}{n}\right) \\ 0 & \left(x = -\frac{1}{n}\right). \end{cases}$$

그러면

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) = \begin{cases} 0 & (x \neq 0) \\ 1 & (x = 0). \end{cases}$$

특히,

$$\lim_{x \to 0} \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0.$$

한편, 각 $n$에 대하여 $f_n$이 $0$에서 연속이므로

$$1 = \lim_{n \to \infty} f_n(0) = \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to 0} f_n(x).$$

따라서

$$\lim_{x \to 0} \lim_{n \to \infty} f_n(x) \neq \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to 0} f_n(x).$$

또한,

$$f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x)$$

는 모든 $n$에 대해 $f_n$이 $0$에서 미분가능함에도 불구하고 $0$에서 미분가능하지 않다.

English

For all $n \in \mathbb{N}$, define

$$f_n(x) = \begin{cases} \frac{1}{1+nx} & \left(x \neq -\frac{1}{n}\right) \\ 0 & \left(x = -\frac{1}{n}\right). \end{cases}$$

Then

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) = \begin{cases} 0 & (x \neq 0) \\ 1 & (x = 0). \end{cases}$$

In particular,

$$\lim_{x \to 0} \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0.$$

On the other hand, since for each $n$, $f_n$ is continuous at $0$,

$$1 = \lim_{n \to \infty} f_n(0) = \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to 0} f_n(x).$$

Therefore

$$\lim_{x \to 0} \lim_{n \to \infty} f_n(x) \neq \lim_{n \to \infty} \lim_{x \to 0} f_n(x).$$

Moreover,

$$f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x)$$

is not differentiable at $0$ even though $f_n$ is differentiable at $0$ for all $n$.

NOTE
한국어

다음 예제는 $f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x)$가 $\mathbb{R}$ 위에서 미분가능함에도 불구하고

$$f'(x) \neq \lim_{n \to \infty} f'_n(x)$$

임을 보여준다.

English

Next example shows that

$$f'(x) \neq \lim_{n \to \infty} f'_n(x)$$

even though $f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x)$ is differentiable on $\mathbb{R}$.

EXAM 3.3 극한의 도함수로 수렴하지 않는 도함수열 Derivatives that do not converge to the derivative of the limit
한국어

모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.

$$f_n(x) = \frac{\sin(nx)}{\sqrt{n}} \qquad (x \in \mathbb{R}).$$

그러면 모든 $x \in \mathbb{R}$에 대하여

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0.$$

따라서 $f$는 $\mathbb{R}$ 위에서 미분가능하고 모든 $x \in \mathbb{R}$에 대해 $f'(x) = 0$이다. 한편,

$$f'_n(x) = n\frac{\cos(nx)}{\sqrt{n}} = \sqrt{n}\cos(nx)$$

이므로

$$\lim_{n \to \infty} f'_n(0) = \lim_{n \to \infty} \sqrt{n} = \infty.$$

따라서

$$f'(0) \neq \lim_{n \to \infty} f'_n(0).$$
English

For all $n \in \mathbb{N}$, define

$$f_n(x) = \frac{\sin(nx)}{\sqrt{n}} \qquad (x \in \mathbb{R}).$$

Then for all $x \in \mathbb{R}$,

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0.$$

Thus $f$ is differentiable on $\mathbb{R}$ and $f'(x) = 0$ for all $x \in \mathbb{R}$. On the other hand,

$$f'_n(x) = n\frac{\cos(nx)}{\sqrt{n}} = \sqrt{n}\cos(nx)$$

and thus

$$\lim_{n \to \infty} f'_n(0) = \lim_{n \to \infty} \sqrt{n} = \infty.$$

Therefore

$$f'(0) \neq \lim_{n \to \infty} f'_n(0).$$
EX 3.4 도함수와 극한의 교환에 대한 증명 또는 반증 Prove or disprove the interchange of derivative and limit
한국어

$a \lt b$이고 $f_n$을 $(a, b)$ 위에서 미분가능한 실숫값 함수열이라 하자. 다음이

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) \quad \text{and} \quad \lim_{n \to \infty} f'_n(x)$$

모든 $x \in (a, b)$에 대하여 존재하고, 함수 $f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x)$가 $(a, b)$ 위에서 미분가능하다고 가정하자. 다음을 증명하거나 반증하라.

$$f'(x) = \lim_{n \to \infty} f'_n(x) \qquad \forall x \in (a, b).$$

이 주장은 거짓이다. 반례를 제시한다. $(a, b) := (-1, 1)$이라 하고, 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음과 같이 정의하자.

$$f_n(x) = \frac{x}{1 + nx^2} \qquad (x \in (-1, 1)).$$

$1 + nx^2 \geq 1 > 0$이므로 $f_n$은 $(-1, 1)$ 위에서 (실제로는 $\mathbb{R}$ 전체에서) 미분가능하다.

먼저 점별극한을 구한다. $x = 0$이면 $f_n(0) = 0 \to 0$이다. $x \neq 0$이면 $n \to \infty$일 때 $1 + nx^2 \to \infty$이므로

$$f_n(x) = \frac{x}{1 + nx^2} \to 0.$$

따라서 모든 $x \in (-1, 1)$에 대하여 $\lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0$이 존재하고,

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0 \qquad (x \in (-1, 1))$$

이다. $f \equiv 0$은 $(-1, 1)$ 위에서 미분가능하고 $f'(x) = 0$이며, 특히 $f'(0) = 0$이다.

다음으로 $f_n'$을 계산한다.

$$f_n'(x) = \frac{(1 + nx^2) - x \cdot 2nx}{(1 + nx^2)^2} = \frac{1 - nx^2}{(1 + nx^2)^2}.$$

$x = 0$이면 $f_n'(0) = \dfrac{1 - 0}{(1+0)^2} = 1$이 모든 $n$에 대해 성립하므로

$$\lim_{n \to \infty} f_n'(0) = 1.$$

$x \neq 0$이면 $n \to \infty$일 때 $nx^2 \to \infty$이므로 $m := nx^2$라 두면

$$f_n'(x) = \frac{1 - m}{(1 + m)^2} \to 0 \qquad (m \to \infty),$$

즉 $\lim_{n \to \infty} f_n'(x) = 0$이다. 따라서 모든 $x \in (-1, 1)$에 대하여 $\lim_{n \to \infty} f_n'(x)$가 존재한다.

이로써 $f_n$은 이 연습문제의 모든 가정을 만족한다. 즉 모든 $x \in (-1,1)$에서 $\lim_{n\to\infty} f_n(x)$와 $\lim_{n\to\infty} f_n'(x)$가 존재하고, $f = \lim_{n\to\infty} f_n$이 $(-1,1)$ 위에서 미분가능하다. 그러나

$$f'(0) = 0 \neq 1 = \lim_{n \to \infty} f_n'(0)$$

이므로, 주어진 등식은 성립하지 않는다. 이는 주장을 반증한다.

(예제 3.3의 $f_n(x) = \sin(nx)/\sqrt{n}$은 이 반례로 쓸 수 없음에 유의하자. $\lim_{n \to \infty} f_n'(0) = \lim_{n \to \infty} \sqrt{n} = \infty$이므로 실수로서의 극한이 존재하지 않아, "모든 $x$에서 $\lim_{n\to\infty} f_n'(x)$가 존재한다"는 이 연습문제의 가정 자체를 만족시키지 못한다. 이 때문에 위와 같이 $\lim_{n\to\infty} f_n'$이 모든 점에서 존재하면서도 $f' \neq \lim_{n\to\infty} f_n'$인 새로운 반례가 필요하다.)

English

Let $a \lt b$ and $f_n$ be a sequence of real-valued differentiable functions on $(a, b)$. Assume that

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) \quad \text{and} \quad \lim_{n \to \infty} f'_n(x)$$

exist for all $x \in (a, b)$, and the function $f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x)$ is differentiable on $(a, b)$. Prove or disprove that

$$f'(x) = \lim_{n \to \infty} f'_n(x) \qquad \forall x \in (a, b).$$

The claim is false. We give a counterexample. Let $(a, b) := (-1, 1)$ and for all $n \in \mathbb{N}$, define

$$f_n(x) = \frac{x}{1 + nx^2} \qquad (x \in (-1, 1)).$$

Since $1 + nx^2 \geq 1 > 0$, $f_n$ is differentiable on $(-1, 1)$ (indeed on all of $\mathbb{R}$).

First we find the pointwise limit. If $x = 0$, then $f_n(0) = 0 \to 0$. If $x \neq 0$, then as $n \to \infty$, $1 + nx^2 \to \infty$, so

$$f_n(x) = \frac{x}{1 + nx^2} \to 0.$$

Thus $\lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0$ exists for all $x \in (-1, 1)$, and

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0 \qquad (x \in (-1, 1)).$$

The function $f \equiv 0$ is differentiable on $(-1, 1)$ with $f'(x) = 0$, in particular $f'(0) = 0$.

Next we compute $f_n'$.

$$f_n'(x) = \frac{(1 + nx^2) - x \cdot 2nx}{(1 + nx^2)^2} = \frac{1 - nx^2}{(1 + nx^2)^2}.$$

If $x = 0$, then $f_n'(0) = \dfrac{1 - 0}{(1+0)^2} = 1$ for all $n$, so

$$\lim_{n \to \infty} f_n'(0) = 1.$$

If $x \neq 0$, then as $n \to \infty$, $nx^2 \to \infty$; letting $m := nx^2$,

$$f_n'(x) = \frac{1 - m}{(1 + m)^2} \to 0 \qquad (m \to \infty),$$

that is, $\lim_{n \to \infty} f_n'(x) = 0$. Hence $\lim_{n \to \infty} f_n'(x)$ exists for all $x \in (-1, 1)$.

Thus $f_n$ satisfies all the hypotheses of this exercise: $\lim_{n\to\infty} f_n(x)$ and $\lim_{n\to\infty} f_n'(x)$ exist for all $x \in (-1,1)$, and $f = \lim_{n\to\infty} f_n$ is differentiable on $(-1,1)$. However,

$$f'(0) = 0 \neq 1 = \lim_{n \to \infty} f_n'(0),$$

so the claimed equality fails. This disproves the claim.

(Note that $f_n(x) = \sin(nx)/\sqrt{n}$ from Example 3.3 cannot serve as this counterexample. Since $\lim_{n \to \infty} f_n'(0) = \lim_{n \to \infty} \sqrt{n} = \infty$ does not exist as a real number, Example 3.3 fails to satisfy the very hypothesis of this exercise that $\lim_{n\to\infty} f_n'(x)$ exist for all $x$. This is exactly why a new counterexample, in which $\lim_{n\to\infty} f_n'$ exists everywhere yet still $f' \neq \lim_{n\to\infty} f_n'$, is needed above.)

EXAM 3.5 극한의 적분에서 벗어나 발산하는 적분열 Integrals that diverge away from the integral of the limit
한국어

모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.

$$f_n(x) = n^2x(1 - x^2)^n \qquad (x \in \mathbb{R}).$$

각 $n$에 대하여 $f$가 $[0, 1]$ 위에서 연속이므로 $f_n$은 $[0, 1]$ 위에서 리만 적분가능하다. $a \in (0, 1)$에 대하여, 로피탈 법칙에 의해

$$\lim_{x \to \infty} x^2a^x = \lim_{x \to \infty} \frac{x^2}{a^{-x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{2x}{-a^{-x}\ln a} = \lim_{x \to \infty} \frac{2}{a^{-x}(\ln a)^2} = \lim_{x \to \infty} a^x \frac{2}{(\ln a)^2} = 0$$

이고 자명하게

$$\lim_{x \to \infty} x^2 \cdot 0^x = 0.$$

특히, 모든 $a \in [0, 1)$에 대하여

$$\lim_{n \to \infty} n^2a^n = 0.$$

따라서 모든 $x \in (0, 1]$에 대하여

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) = x \lim_{n \to \infty} n^2(1 - x^2)^n = 0$$

이고 자명하게

$$\lim_{n \to \infty} f_n(0) = \lim_{n \to \infty} 0 = 0.$$

따라서

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0 \qquad (x \in [0, 1])$$

이고

$$\int_0^1 f(x)dx = \int_0^1 0dx = 0.$$

한편, 각 $n$에 대하여 변수변환 $1 - x^2 \to x$에 의해

$$\int_0^1 f_n(x)dx = n^2\int_0^1 x(1 - x^2)^ndx = n^2\int_0^1 x^n\frac{1}{2}dx = n^2\frac{1}{2}\frac{1}{n+1} = \frac{n^2}{2n+2}.$$

따라서

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx = \infty \neq 0 = \int_0^1 \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx.$$
English

For all $n \in \mathbb{N}$, define

$$f_n(x) = n^2x(1 - x^2)^n \qquad (x \in \mathbb{R}).$$

Then for each $n$, $f_n$ is Riemann integrable on $[0, 1]$ since $f$ is continuous on $[0, 1]$. Observe that for $a \in (0, 1)$, by L’Hôpital’s rule,

$$\lim_{x \to \infty} x^2a^x = \lim_{x \to \infty} \frac{x^2}{a^{-x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{2x}{-a^{-x}\ln a} = \lim_{x \to \infty} \frac{2}{a^{-x}(\ln a)^2} = \lim_{x \to \infty} a^x \frac{2}{(\ln a)^2} = 0$$

and obviously

$$\lim_{x \to \infty} x^2 \cdot 0^x = 0.$$

In particular, for all $a \in [0, 1)$

$$\lim_{n \to \infty} n^2a^n = 0.$$

Thus for all $x \in (0, 1]$,

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) = x \lim_{n \to \infty} n^2(1 - x^2)^n = 0$$

and obviously

$$\lim_{n \to \infty} f_n(0) = \lim_{n \to \infty} 0 = 0.$$

Therefore

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0 \qquad (x \in [0, 1])$$

and

$$\int_0^1 f(x)dx = \int_0^1 0dx = 0.$$

On the other hand, for each $n$, by the change of variable $1 - x^2 \to x$,

$$\int_0^1 f_n(x)dx = n^2\int_0^1 x(1 - x^2)^ndx = n^2\int_0^1 x^n\frac{1}{2}dx = n^2\frac{1}{2}\frac{1}{n+1} = \frac{n^2}{2n+2}.$$

Therefore

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx = \infty \neq 0 = \int_0^1 \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx.$$
NOTE
한국어

다음 예제에 의해,

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx \neq \int_0^1 \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx.$$

이지만

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx \lt \infty.$$
English

Due to the next example,

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx \neq \int_0^1 \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx.$$

even though

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx \lt \infty.$$
EXAM 3.6 극한이 유한해도 극한의 적분과 다른 적분열 A finite limit of integrals that still differs from the integral of the limit
한국어

모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.

$$f_n(x) = nx(1 - x^2)^n. \qquad (x \in \mathbb{R})$$

각 $n$에 대하여 $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이므로 $f_n$은 $[0, 1]$ 위에서 리만 적분가능하다. $a \in [0, 1)$에 대하여, 로피탈 법칙에 의해

$$\lim_{x \to \infty} xa^x = \lim_{x \to \infty} \frac{x}{a^{-x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{2}{-a^{-x}\ln a} = -\lim_{x \to \infty} a^x \frac{2}{\ln a} = 0.$$

이고

$$\lim_{x \to \infty} x \cdot 0^x = 0.$$

특히, 모든 $a \in [0, 1)$에 대하여

$$\lim_{n \to \infty} na^n = 0.$$

따라서 모든 $x \in (0, 1]$에 대하여

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) = x \lim_{n \to \infty} n(1 - x^2)^n = 0$$

이고 자명하게

$$\lim_{n \to \infty} f_n(0) = \lim_{n \to \infty} 0 = 0.$$

따라서

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0 \qquad (x \in [0, 1])$$

이고

$$\int_0^1 f(x)dx = \int_0^1 0dx = 0.$$

한편, 각 $n$에 대하여

$$\int_0^1 f_n(x)dx = n\int_0^1 x(1 - x^2)^ndx = n\int_0^1 x^n\frac{1}{2}dx = n\frac{1}{2}\frac{1}{n+1} = \frac{n}{2n+2}.$$

따라서

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx = \frac{1}{2} \neq 0 = \int_0^1 \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx.$$
English

For all $n \in \mathbb{N}$, define

$$f_n(x) = nx(1 - x^2)^n. \qquad (x \in \mathbb{R})$$

Then for each $n$, $f_n$ is Riemann integrable on $[0, 1]$ since $f$ is continuous on $[a, b]$. Observe that for $a \in [0, 1)$, by L’Hôpital’s rule,

$$\lim_{x \to \infty} xa^x = \lim_{x \to \infty} \frac{x}{a^{-x}} = \lim_{x \to \infty} \frac{2}{-a^{-x}\ln a} = -\lim_{x \to \infty} a^x \frac{2}{\ln a} = 0.$$

and

$$\lim_{x \to \infty} x \cdot 0^x = 0.$$

In particular, for all $a \in [0, 1)$

$$\lim_{n \to \infty} na^n = 0.$$

Thus for all $x \in (0, 1]$,

$$\lim_{n \to \infty} f_n(x) = x \lim_{n \to \infty} n(1 - x^2)^n = 0$$

and obviously

$$\lim_{n \to \infty} f_n(0) = \lim_{n \to \infty} 0 = 0.$$

Therefore

$$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0 \qquad (x \in [0, 1])$$

and

$$\int_0^1 f(x)dx = \int_0^1 0dx = 0.$$

On the other hand, for each $n$

$$\int_0^1 f_n(x)dx = n\int_0^1 x(1 - x^2)^ndx = n\int_0^1 x^n\frac{1}{2}dx = n\frac{1}{2}\frac{1}{n+1} = \frac{n}{2n+2}.$$

Therefore

$$\lim_{n \to \infty} \int_0^1 f_n(x)dx = \frac{1}{2} \neq 0 = \int_0^1 \lim_{n \to \infty} f_n(x)dx.$$
NOTE
한국어

이 예제들은 우리로 하여금 점별수렴보다 강한 수렴을 찾도록 이끈다.

English

These examples lead us to find stronger convergence than pointwise convergence.

DEF 3.7 균등수렴 Uniform convergence
한국어

$E \subset \mathbb{R}$이고 $\{f_n : n \in \mathbb{N}\}$을 $E$ 위의 실숫값 함수열이라 하자. 즉, 각 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 $f_n$은 $E$에서 $\mathbb{R}$로 가는 함수이다. $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 균등수렴한다는 것은, 임의의 $\varepsilon > 0$에 대하여 모든 $n \geq N$에서 다음을 만족하는 양의 정수 $N$이 존재함을 의미한다.

$$\sup_{x \in E} |f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$
English

Let $E \subset \mathbb{R}$ and $\{f_n : n \in \mathbb{N}\}$ be a sequence of real-valued functions on $E$, i.e. for each $n \in \mathbb{N}$, $f_n$ is a function from $E$ to $\mathbb{R}$. We say that $f_n$ converges to $f$ uniformly on $E$ if for any $\varepsilon > 0$, there exists a positive integer $N$ such that for all $n \geq N$

$$\sup_{x \in E} |f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$
EX 3.8 균등수렴과 점별수렴의 비교 Uniform convergence versus pointwise convergence
한국어

$E \subset \mathbb{R}$이고 $\{f_n : n \in \mathbb{N}\}$을 $E$ 위의 실숫값 함수열이라 하자.

  • (i) $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 균등수렴하면 $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 점별수렴함을 보여라.
  • (ii) $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 점별수렴하면 $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 균등수렴한다는 것을 반증하라.
  • (i) $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 균등수렴한다고 가정하자. $x \in E$를 고정하자. $\varepsilon > 0$이라 하자. 균등수렴의 정의(정의 3.7)에 의해, 모든 $n \geq N$에 대하여
    $$\sup_{y \in E} |f_n(y) - f(y)| \lt \varepsilon$$

    을 만족하는 $N \in \mathbb{N}$이 존재한다. $x \in E$이므로 모든 $n \geq N$에 대하여

    $$|f_n(x) - f(x)| \leq \sup_{y \in E} |f_n(y) - f(y)| \lt \varepsilon$$

    이다. 즉 $f_n(x) \to f(x)$이다. $x \in E$가 임의였으므로 $f_n$은 $E$ 위에서 $f$로 점별수렴한다.

  • (ii) 역은 성립하지 않음을 반례로 보인다. $E := [0, 1]$이라 하고 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 $f_n(x) := x^n$이라 하자.

    점별극한을 구한다. $x \in [0, 1)$이면 $0 \leq x \lt 1$이므로 $x^n \to 0$이다. $x = 1$이면 $x^n = 1 \to 1$이다. 따라서

    $$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = \begin{cases} 0 & (0 \leq x \lt 1) \\ 1 & (x = 1) \end{cases}$$

    이고, $f_n$은 $[0, 1]$ 위에서 $f$로 점별수렴한다.

    이제 이 수렴이 균등수렴이 아님을 정리 3.9의 판정법을 이용해 보인다. $\varepsilon := 1/2$라 하자. 임의의 $N \in \mathbb{N}$에 대하여

    $$x_N := \left(\frac{1}{2}\right)^{1/N} \in (0, 1)$$

    이라 두면 $x_N \in [0, 1)$이므로 $f(x_N) = 0$이고,

    $$|f_N(x_N) - f(x_N)| = |x_N^N - 0| = \left(\left(\frac{1}{2}\right)^{1/N}\right)^N = \frac{1}{2}$$

    이다. 즉 $|f_N(x_N) - f(x_N)| = 1/2$이고, 이는 $\varepsilon = 1/2$보다 작지 않다. 따라서 어떤 $N$을 택하더라도, 모든 $n \geq N$과 $x \in [0,1]$에 대해 $|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon$이 성립하도록 만들 수 없다 ($n = N$, $x = x_N$이 반례가 된다). 정리 3.9에 의해, $f_n$은 $[0,1]$ 위에서 $f$로 균등수렴하지 않는다. 이로써 역이 반증되었다.

English

Let $E \subset \mathbb{R}$ and $\{f_n : n \in \mathbb{N}\}$ be a sequence of real-valued functions on $E$.

  • (i) Show that if $f_n$ converges to $f$ uniformly on $E$, then $f_n$ converges to $f$ pointwise on $E$.
  • (ii) Disprove that if $f_n$ converges to $f$ pointwise on $E$, then $f_n$ converges to $f$ uniformly on $E$.
  • (i) Suppose $f_n$ converges to $f$ uniformly on $E$. Fix $x \in E$. Let $\varepsilon > 0$. By the definition of uniform convergence (Definition 3.7), there exists $N \in \mathbb{N}$ such that for all $n \geq N$,
    $$\sup_{y \in E} |f_n(y) - f(y)| \lt \varepsilon.$$

    Since $x \in E$, for all $n \geq N$,

    $$|f_n(x) - f(x)| \leq \sup_{y \in E} |f_n(y) - f(y)| \lt \varepsilon.$$

    That is, $f_n(x) \to f(x)$. Since $x \in E$ was arbitrary, $f_n$ converges to $f$ pointwise on $E$.

  • (ii) We show the converse fails, by a counterexample. Let $E := [0, 1]$ and for all $n \in \mathbb{N}$, let $f_n(x) := x^n$.

    We find the pointwise limit. If $x \in [0, 1)$, then $0 \leq x \lt 1$, so $x^n \to 0$. If $x = 1$, then $x^n = 1 \to 1$. Thus

    $$f(x) := \lim_{n \to \infty} f_n(x) = \begin{cases} 0 & (0 \leq x \lt 1) \\ 1 & (x = 1) \end{cases}$$

    and $f_n$ converges to $f$ pointwise on $[0, 1]$.

    We now show that this convergence is not uniform, using the criterion of Theorem 3.9. Let $\varepsilon := 1/2$. For any $N \in \mathbb{N}$, let

    $$x_N := \left(\frac{1}{2}\right)^{1/N} \in (0, 1).$$

    Then $x_N \in [0, 1)$, so $f(x_N) = 0$, and

    $$|f_N(x_N) - f(x_N)| = |x_N^N - 0| = \left(\left(\frac{1}{2}\right)^{1/N}\right)^N = \frac{1}{2}.$$

    That is, $|f_N(x_N) - f(x_N)| = 1/2$, which is not less than $\varepsilon = 1/2$. Hence no matter which $N$ we choose, it is impossible that $|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon$ for all $n \geq N$ and $x \in [0,1]$ (taking $n = N$ and $x = x_N$ gives a counterexample). By Theorem 3.9, $f_n$ does not converge to $f$ uniformly on $[0,1]$. This disproves the converse.

THM 3.9 균등수렴에 대한 점별 판정법 A pointwise criterion for uniform convergence
한국어

$E \subset \mathbb{R}$이고 $f_n$을 $E$ 위의 실숫값 함수열이라 하자. 그러면 $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 균등수렴하는 것은, 임의의 $\varepsilon > 0$에 대하여 모든 $n \geq N$과 $x \in E$에서 다음을 만족하는 양의 정수 $N$이 존재하는 것과 동치이다.

$$|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$

먼저 "$\Rightarrow$ 방향"을 증명한다. $\varepsilon > 0$이라 하자. $f_n$이 $E$ 위에서 $f$로 균등수렴하므로, 모든 $n \geq N$에 대하여 다음을 만족하는 $N \in \mathbb{N}$이 존재한다.

$$\sup_{x \in E} |f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$

모든 $n \geq N$과 $x \in E$에 대하여

$$|f_n(x) - f(x)| \leq \sup_{y \in E} |f_n(y) - f(y)|,$$

이므로

$$|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$

다음으로 "$\Leftarrow$ 방향"을 증명한다. $\varepsilon > 0$이라 하자. 그러면 모든 $n \geq N$과 $x \in E$에서 다음을 만족하는 양의 정수 $N$이 존재한다.

$$|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon/2.$$

따라서 모든 $n \geq N$에 대하여

$$\sup_{x \in E} |f_n(x) - f(x)| \leq \varepsilon/2 \lt \varepsilon.$$
English

Let $E \subset \mathbb{R}$ and $f_n$ be a sequence of real-valued functions on $E$. Then $f_n \to f$ converges to $f$ uniformly on $E$ if and only if for any $\varepsilon > 0$, there exists a positive integer $N$ such that for all $n \geq N$ and $x \in E$,

$$|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$

We first prove the only if part ($\Rightarrow$). Let $\varepsilon > 0$. Then since $f_n \to f$ uniformly on $E$, there exists a $N \in \mathbb{N}$ such that for all $n \geq N$ such that

$$\sup_{x \in E} |f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$

Since for all $n \geq N$ and $x \in E$,

$$|f_n(x) - f(x)| \leq \sup_{y \in E} |f_n(y) - f(y)|,$$

we have

$$|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon.$$

Next we prove the if part ($\Leftarrow$). Let $\varepsilon > 0$. Then there exists a positive integer $N$ such that for all $n \geq N$ and $x \in E$,

$$|f_n(x) - f(x)| \lt \varepsilon/2.$$

Thus for all $n \geq N$ we have

$$\sup_{x \in E} |f_n(x) - f(x)| \leq \varepsilon/2 \lt \varepsilon.$$
NOTE
한국어

참고문헌

[1] W. Rudin. Principles of Mathematical Analysis. McGRAW-HILL.

English

References

[1] W. Rudin. Principles of Mathematical Analysis. McGRAW-HILL.