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Diferenciación y convergencia uniforme

Acabo de leer el siguiente teorema en unos apuntes de clase:

Dejemos que $f_n : [a,b] \to\mathbb{R}$ sea diferenciable con $f_n'$ continua para todos $n$ . Supongamos que $f_n \to f$ en el sentido de la palabra y $f_n'$ converge uniformemente en $[a,b]$ . Entonces $f:[a,b] \to \mathbb{R}$ es diferenciable y $f'(x) = \lim_{n \to \infty} f_n'(x)$ para todos $x \in [a,b]$ .

Me cuesta entender qué $f'(x) = \lim_{n \to \infty} f_n'(x)$ para todos $x \in [a,b]$ significa en este contexto.

¿Significa esto que

a) $f_n'(x)$ tiende a $f'(x)$ como una secuencia de números reales para cada $x \in [a,b]$

b) $f_n'(x)$ converge puntualmente a $f'(x)$

c) $f_n'(x)$ converge uniformemente (y por tanto también puntualmente) a $f'(x)$

Estaría muy agradecido por cualquier ayuda,

Jack

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Foobaz John Puntos 276

La secuencia de derivadas converge uniformemente (y por tanto a su límite puntual). Por lo tanto, la respuesta es (c) y, en particular, (b) y (a).

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eepperly16 Puntos 158

Cuando el autor dice, quiere decir (a): $f'(x) = \lim_{n\to\infty} f_n'(x)$ . El "para todos $x$ está implícito". (a) y (b) son definidos de la misma manera, por lo que (b) también es cierto.

Pero, ¡espera! $f'_n$ converge uniformemente a algo por hipótesis. Supongamos que $f_n'$ converge uniformemente a $g$ . Entonces $f_n'$ converge puntualmente a $g$ y a $f'$ así que $g = f'$ por la unicidad de los límites puntuales. En otras palabras, $f_n'$ converge uniformemente a $f'$ .

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