§3 Sequence and series of functions · 함수열과 함수급수
$E \subset \mathbb{R}$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.
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.
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
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 $f_n$.
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.
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.
모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.
그러면
특히,
한편, 각 $n$에 대하여 $f_n$이 $0$에서 연속이므로
따라서
또한,
는 모든 $n$에 대해 $f_n$이 $0$에서 미분가능함에도 불구하고 $0$에서 미분가능하지 않다.
For all $n \in \mathbb{N}$, define
Then
In particular,
On the other hand, since for each $n$, $f_n$ is continuous at $0$,
Therefore
Moreover,
is not differentiable at $0$ even though $f_n$ is differentiable at $0$ for all $n$.
다음 예제는 $f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x)$가 $\mathbb{R}$ 위에서 미분가능함에도 불구하고
임을 보여준다.
Next example shows that
even though $f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x)$ is differentiable on $\mathbb{R}$.
모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.
그러면 모든 $x \in \mathbb{R}$에 대하여
따라서 $f$는 $\mathbb{R}$ 위에서 미분가능하고 모든 $x \in \mathbb{R}$에 대해 $f'(x) = 0$이다. 한편,
이므로
따라서
For all $n \in \mathbb{N}$, define
Then for all $x \in \mathbb{R}$,
Thus $f$ is differentiable on $\mathbb{R}$ and $f'(x) = 0$ for all $x \in \mathbb{R}$. On the other hand,
and thus
Therefore
$a \lt b$이고 $f_n$을 $(a, b)$ 위에서 미분가능한 실숫값 함수열이라 하자. 다음이
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.
이 주장은 거짓이다. 반례를 제시한다. $(a, b) := (-1, 1)$이라 하고, 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음과 같이 정의하자.
$1 + nx^2 \geq 1 > 0$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
따라서 모든 $x \in (-1, 1)$에 대하여 $\lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0$이 존재하고,
이다. $f \equiv 0$은 $(-1, 1)$ 위에서 미분가능하고 $f'(x) = 0$이며, 특히 $f'(0) = 0$이다.
다음으로 $f_n'$을 계산한다.
$x = 0$이면 $f_n'(0) = \dfrac{1 - 0}{(1+0)^2} = 1$이 모든 $n$에 대해 성립하므로
$x \neq 0$이면 $n \to \infty$일 때 $nx^2 \to \infty$이므로 $m := nx^2$라 두면
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
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.)
Let $a \lt b$ and $f_n$ be a sequence of real-valued differentiable functions on $(a, b)$. Assume that
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
The claim is false. We give a counterexample. Let $(a, b) := (-1, 1)$ and for all $n \in \mathbb{N}$, define
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
Thus $\lim_{n \to \infty} f_n(x) = 0$ exists for all $x \in (-1, 1)$, and
The function $f \equiv 0$ is differentiable on $(-1, 1)$ with $f'(x) = 0$, in particular $f'(0) = 0$.
Next we compute $f_n'$.
If $x = 0$, then $f_n'(0) = \dfrac{1 - 0}{(1+0)^2} = 1$ for all $n$, so
If $x \neq 0$, then as $n \to \infty$, $nx^2 \to \infty$; letting $m := nx^2$,
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,
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.)
모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.
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
이고 자명하게
특히, 모든 $a \in [0, 1)$에 대하여
따라서 모든 $x \in (0, 1]$에 대하여
이고 자명하게
따라서
이고
한편, 각 $n$에 대하여 변수변환 $1 - x^2 \to x$에 의해
따라서
For all $n \in \mathbb{N}$, define
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,
and obviously
In particular, for all $a \in [0, 1)$
Thus for all $x \in (0, 1]$,
and obviously
Therefore
and
On the other hand, for each $n$, by the change of variable $1 - x^2 \to x$,
Therefore
다음 예제에 의해,
이지만
Due to the next example,
even though
모든 $n \in \mathbb{N}$에 대하여 다음을 정의하자.
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
이고
특히, 모든 $a \in [0, 1)$에 대하여
따라서 모든 $x \in (0, 1]$에 대하여
이고 자명하게
따라서
이고
한편, 각 $n$에 대하여
따라서
For all $n \in \mathbb{N}$, define
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,
and
In particular, for all $a \in [0, 1)$
Thus for all $x \in (0, 1]$,
and obviously
Therefore
and
On the other hand, for each $n$
Therefore
이 예제들은 우리로 하여금 점별수렴보다 강한 수렴을 찾도록 이끈다.
These examples lead us to find stronger convergence than pointwise convergence.
$E \subset \mathbb{R}$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.
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 $n \geq N$
$E \subset \mathbb{R}$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.
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.
$E \subset \mathbb{R}$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.
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.
모든 $n \geq N$과 $x \in E$에 대하여
이므로
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.
따라서 모든 $n \geq N$에 대하여
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 $x \in E$,
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
Since for all $n \geq N$ and $x \in E$,
we have
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 $x \in E$,
Thus for all $n \geq N$ we have
참고문헌
[1] W. Rudin. Principles of Mathematical Analysis. McGRAW-HILL.
References
[1] W. Rudin. Principles of Mathematical Analysis. McGRAW-HILL.