תהי fn(x) סדרת פונקציות המוגדרת בתחום D ותהי f פונקציה המוגדרת ב-D.
נאמר כי הסדרה fn(x) מתכנסת במ"ש ל-f בתחום D אם לכל ε>0 קיים N כך שלכל n>N ולכל x∈D מתקיים ∣fn(x)−f(x)∣<ε.
תהי f:D→R כאשר D⊆R.
נאמר כי f רציפה במ"ש בתחום D אם לכל ε>0 קיימת δ>0 כך שלכל x,y∈D המקיימים ∣x−y∣<δ מתקיים ∣f(x)−f(y)∣<ε.
תרגיל (1 [ב])
הוכיחו שאם fn רציפות במ"ש ב-D, ו-fnn→∞⟶f במ"ש ב-D, אזי f רציפה במ"ש ב-D.
הוכחה: יהי ε>0.
נתון כי fn רציפות במ"ש ב-D ולכן, לכל εn>0 קיימת δn>0 כך שלכל x,y∈D כך ש-∣x−y∣<δn מתקיים ∣fn(x)−fn(y)∣<εn.
נתון כי fnn→∞⟶f במ"ש ב-D ולכן, לכל ε0>0 קיים N0 כך שכל n>N0 ולכל x∈D מתקיים ∣fn(x)−f(x)∣<ε0.
זה מתקיים בפרט עבור ε0=εN0=31ε>0 ואז, קיימת δ≤δN0 ולכל x,y∈D כך ש-∣x−y∣<δ מתקיים:
הוכיחו שאם fn רציפות במ"ש ב-D והטור n=1∑∞fn(x) מתכנס במ"ש לפונקציה f ב-D אז f רציפה במ"ש ב-D.
הוכחה: יהי ε>0.
נתון כי fn רציפות במ"ש ולכן, לכל εn>0 קיימת δn>0 כך שלכל x,y∈D המקיימים ∣x−y∣<δn מתקיים ∣fn(x)−fn(y)∣<εn.
נתון כי n=1∑∞fn(x) מתכנס במ"ש ל-f ב-D. לכן, לכל ε0>0 קיים K כך שלכל N>K ולכל x∈D מתקיים n=1∑Nfn(x)−f(x)<ε0. זה מתקיים בפרט עבור ε0=31ε>0.
נגדיר εN=3N1ε>0. הגדרת הרציפות במ"ש מתקיימת בפרט עבור εn<εN לכל n∈N.
נגדיר δ=min{δn∣1≤n≤N} ולכל x,y∈D כך ש-∣x−y∣<δ מתקיים:
תהי fn(x)={n0x∈(0,n1)x∈(0,n1) סדרת פונקציות המוגדרת בקטע [0,1].
הצדיקו את האינטגרביליות של סדרת הפונקציות והוכיחו שהיא מתכנסת נקודתית בקטע [0,1] לפונקציה אינטגרבילית f אך לא מתכנסת במ"ש בקטע זה.
הראו שלא מתקיים: n→∞lim0∫1fn(x)dx=0∫1f(x)dx.
הצדקה: לכל פונקציה fn ישנן שתי נקודות אי רציפות בלבד. אחת ב-x=0 ואחת ב-x=n1. לכן, לפי משפט, fn אינטגרבילית לכל n∈N. הוכחה: יהי ε>0
יהי x∈[0,1] ונבחר N=x1 ואז, לכל n>N מתקיים:
∣fn(x)−0∣↓fnעל פי הגדרת מתקייםx∈/(0,n1)לכל fn(x)=0 מתקייםn>x1עבור ∀x0∈(0,x1):fn(x0)=0x0=xבפרט עבור =0<ε
לכן, לפי הגדרה, fnn→∞⟶f=0 נקודתית.
נגדיר Mn=sup∣fn(x)−f(x)∣ לכל n∈N. לפי הנ"ל Mn=supfn(x). לפי הגדרת fn בהכרח מתקיים Mn=n לכל n∈N.
אזי, Mnn→∞⟶∞=0. לכן, לפי משפט, fn אינה מתכנסת במ"ש ל-f בקטע [0,1]. ∎ חישוב אינטגרל:
"ל-1 יש את התכונה הנהדרת שהוא לא שווה ל-0" - אביב צנזור.
לכן מתקיים:
0∫1f(x)dx=n→∞lim0∫1fn(x)dx
תרגיל (2 [ב])
הוכיחו את המשפט מההרצאה:
תהי fn(x) סדרה של פונקציות אינטגרביליות בקטע [a,b], מתכנסת במ"ש בקטע [a,b] לפונקציה אינטגרבילית f.
אזי:
n→∞lima∫bfn(x)dx=a∫bf(x)dx
הוכחה:
נתון כי fn מתכנסת במ"ש ל-f בקטע [a,b]. לכן, לכל ε0>0 קיים N>0 כך שלכל n>N מתקיים ∣fn(x)−f(x)∣<ε0.
זה מתקיים בפרט עבור ε0=b−aε>0 ואז מתקיים:
a∫bfn(x)dx−a∫bf(x)dx↓ליניאריות=a∫b(fn(x)−f(x))↓אי שוויון המשולש האינטגרלי≤a∫b∣fn(x)−f(x)∣↓מונוטויות<a∫bε0dx↓NL=ε
לכן, לפי הגדרת הגבול מתקיים:
n→∞lima∫bfn(x)dx=a∫bf(x)dx
∎
תרגיל (2 [ג])
הפריכו בעזרת דוגמה נגדית מנומקת היטב את הטענה הבאה:
תהי fn סדרת פונקציות אינטגרביליות בכל קטע חסום וסגור ב-R כך שהאינטגרל המוכלל −∞∫∞fn קיים לכל n∈N.
נתון כי סדרת הפונקציות המתכנסת במ"ש ב-R לפונקציה אינטגרבילית f.
אזי:
n→∞lim−∞∫∞fn(x)dx=−∞∫∞f(x)dx
נביט בפונקציה fn(x)={n10x∈(0,n)x∈(0,n). הפונקציה בעלת שתי נקודות אי רציפות לכל n∈N ב-x=0,x=n ולכן, לפי משפט, היא אינטגרבילית ב-R. בנוסף, לפי NL מתקיים:
לכן, האינטגרל המוכלל הנ"ל קיים לכל n∈N.
סדרת הפונקציות מתכנסת נקודתית ל-f(x)=0 לפי הוכחה דומה מאוד להוכחה מסעיף א'.
נגדיר Mn=sup∣fn(x)−f(x)∣=sup∣fn(x)∣=n1. ואז limn→∞Mn=0. לכן, לפי משפט, fn מתכנסת במ"ש ל-f ב-R.
נשים לב כי:
לכן, לכל x∈[0,1] מתקיים k=n+1∑n+pfk(x)<ε ולכן, לפי תנאי קושי, n=1∑∞fn(x) מתכנס במ"ש ב-[0,1].
כעת, נראה כי לא קיים טור מספרים חוסם של W:
נזכר כי 0≤sin2α≤1. נשים לב כי עבור x=2n+13∈(2n+12,2n+14)=(2n1,2n−11) מתקיים sin2(2nπx)=sin2(23π)=(−1)2=1.
לכן, לכל סדרה Mn המקיימת ∣fn(x)∣≤Mn בהכרח מתקיים 0≤n1≤Mn.
לפי מסקנה ∑n1 מתבדר ולכן, לפי מהלא"ש, ∑Mn מתבדר.
לכן, הטור Mn לא מקיים את התנאים, ולכן לא קיים טור מספרים חוסם של W.
תרגיל 4
תרגיל (4 [א])
קבעו האם טור הפונקציות n=1∑∞xe−nx מתכנס במ"ש בקטע [0,1].
נשים לב כי:
∣xe−nx∣=xe−nx=xenx1↓x∈[0,1]≤en1↓n2<en<n21
הטור ∑n21 מתכנס לפי משפט. לכן, לפי W הטור ∑xe−nx מתכנס.
תרגיל (4 [ב])
תהי fn:I→R סדרת פונקציות כך שהטור ∑(−1)nfn(x) הוא טור לייבניץ. כלומר, לכל x∈I מתקיים fn(x)n→∞⟶0 ו-fn+1(x)≤fn(x) ו-fn(x)>0.
הוכיחו שאם ההתכנסות של fn(x) הינה במ"ש ב-I אזי הטור מתכנס במ"ש בקטע.
הדרכה: השתמשו בחסם על הזנב של טור לייבניץ
הוכחה: יהי ε>0.
נתון כי ∑(−1)nfn(x) הינו טור לייבניץ ולכן, fn(x)n→∞⟶0.
נתון כי fn(x)n→∞⟶f(x)=0 במ"ש ב-I. לכן, לכל ε0>0 קיים N כך שלכל n>N ולכל x∈I מתקיים ∣fn(x)∣<ε0.
זה מתקיים בפרט עבור ε0=2ε>0.
לכן, לכל n>N ולכל x∈I מתקיים:
k=1∑n(−1)kfk(x)−k=1∑∞(−1)kfk(x)↓אי שוויון המשולש≤k=1∑n(−1)kfk(x)+k=1∑∞(−1)kfk(x)↓ההמשך למשפט לבייניץ≤f1(x)+f1(x)↓fn(x)>0⇓f1(x)>0=2∣f1(x)∣<2ε0=ε
לכן, לפי הגדרה, הטור מתכנס במ"ש בקטע I. ∎
תרגיל (4 [ג])
השתמשו בסעיף ב' כדי להוכיח שטור הפונקציות n=1∑∞(−1)nxe−nx מתכנס במ"ש בקטע [0,1].
הוכחה:
נגדיר fn(x)=xe−nx בקטע [0,1]. לכן, לכל x∈[0,1] מתקיים fn(x)≥0.
נקבע x ואז:
0=n→∞lim0≤n→∞limxe−nx≤n→∞limen1=0
לכן, לפי סנדוויץ', מתקיים fn(x)n→∞⟶0 לכל x∈[0,1].
fn+1(x)=e(n+1)xx=enx+exx≤enxx=fn(x)
לכל x∈[0,1].
לכן, הטור n=1∑∞(−1)nxe−nx הינו טור לייבניץ ולכן, לפי סעיף ב' וסעיף א' הוא מתכנס במ"ש בקטע [0,1]. ∎