Es $\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\sin(nx)}n}$ continua?

Question

Teniendo en cuenta la serie infinita $\sum_{n=1}^{\infty}{\frac{\sin(nx)}n}$ , puedo demostrar que no es uniformemente convergente por el criterio de Cauchy y que es convergente para todos los $x$ por Dirichlet en la prueba. Pero no sé cómo juzgar si es continua.

Podría usted decirme la respuesta y por qué? Gracias de antemano!

Answer 1

Para inspeccionar la discontinuidad de la suma, vamos a calcular la suma. Por el Abel del teorema,

$$ f(x) := \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sin nx}{n} = \lim_{s\to 0^{+}} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sin nx}{n} e^{-ns}. $$

Mediante la utilización de expansión de Taylor de los logaritmos,

\begin{align*} \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\sin nx}{n} e^{-ns} &= \Im \sum_{n=1}^{\infty} \frac{e^{n(ix-s)}}{n} = - \Im \log (1 - e^{ix-s}) \\ &= -\Im \log (1 - e^{-s}\cos x - ie^{-s}\sin x) \\ &= \arctan \left(\frac{e^{-s}\sin x}{1 - e^{-s}\cos x}\right). \end{align*}

Por lo tanto, teniendo $s \to 0^{+},$

$$ f(x) = \arctan \left(\frac{\sin x}{1 - \cos x}\right) = \arctan \left(\cot \frac{x}{2}\right) = \arctan \left(\tan \frac{\pi-x}{2}\right). $$

Por lo tanto

$$ f(x) = \begin{cases} \frac{\pi - x}{2} & x \in (0, 2\pi),\\ 0 & x = 0, \\ f(x+2\pi), & x \in \Bbb{R}. \end{casos} $$

Esto muestra una clara discontinuidad de salto en cada una de las $x \in 2\pi \Bbb{Z}$.