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Serie de funciones y continuidad

Que $a > 0$ y $(f_n)_{n=0}^{\infty}$ una secuencia de funciones continuas $f_n:[-a,a] \rightarrow \mathbb{R}$. Asumir que la serie\begin{equation} \sum_{n=0}^{\infty} x^n f_n(t) \end{equation} converge para todos los $(x,t) \in [-a,a] \times [-a,a]$. Juego\begin{equation} f(x,t) = \sum_{n=0}^{\infty} x^n f_n(t), \end{equation} % todos $(x,t) \in [-a,a] \times [-a,a]$. ¿Es continua en $f$ $(0,0)$?

¿Y si añades la hipótesis de que la convergencia es uniforme en cada fijo $t$ $x \in [-a,a]$?

Creo que la respuesta es negativa a ambas las preguntas, pero no pude encontrar un contraejemplo. Gracias de antemano por su atención.

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Maury Barbato Puntos 287

Finalmente, he encontrado las respuestas a mis dos preguntas. Empecemos desde el principio. En este caso, la respuesta es generalmente negativo, como la construcción siguiente muestra. Deje que nosotros de forma recursiva construir una secuencia $(f_n)$ de funciones continuas $f_n: \mathbb{R} \rightarrow \mathbb{R}$, $f_n \geq 0$, con las siguientes propiedades:

(i) para cada $n$, el apoyo de $f_n$ está contenido en $\left( \frac{1}{2n+3}, \frac{1}{2n+1} \right)$,

(ii) para cada $n$,$\sum_{k=0}^{n} \frac{1}{(2n+2)^k} f_k(\frac{1}{2n+2}) \geq 1$.

Claramente la serie \begin{equation} \sum_{n=0}^{\infty} x^n f_n(t) \end{equation} converge para cada $x$ y cada una de las $t$, pero su suma $f(x,t)$ no es continua en a $(0,0)$.

Sorprendentemente, la respuesta a mi segunda pregunta es positiva. En efecto, supongamos que para cada fijos $x \in [-a,a]$ la serie \begin{equation} \sum_{n=0}^{\infty} x^n f_n(t) \end{equation}

es uniformemente convergente en t $[-a,a]$. Poner $g_n(t) = a^n f_n(t)$. A continuación, la serie de $\sum_{n=0}^{\infty} g_n(t)$ es uniformemente convergente. Definir \begin{equation} G_n(t) = \sum_{k=0}^{n} g_k(t), \end{equation} y $G_{-1}(t)=0$. Fix $b$ tal que $0 < b < a$, vamos a $x \in [-b,b]$, y poner $y=x/a$, $r = b/a$. Luego de Abel parcial de la suma de la fórmula que tenemos para $0 \leq p \leq q$

\begin{equation} \sum_{n=p}^{q} x^n f_n(t) = \sum_{n=p}^{q-1}G_n(t)(y^n - y^{n+1}) + G_q(t) y^q - G_{p-1} y^p. \end{equation} Ahora, desde la $(G_n)$ es uniformemente convergente, es uniformemente acotada por una constante $M >0$. Así tenemos \begin{equation} \left| \sum_{n=p}^{q-1}G_n(t)(y^n - y^{n+1}) + G_q(t) y^q - G_{p-1} y^p \right| \leq \left| \sum_{n=p}^{q-1}G_n(t)(y^n - y^{n+1}) \right| + \left| G_q(t) - G_{p-1} \right| |y|^{q} + \left| G_{p-1}(t)(y^{q} - y^{p}) \right| \leq 2M \sum_{n=p}^{q} |y|^n + \left| G_q(t) - G_{p-1} \right| |y|^{q} \leq 2M \sum_{n=p}^{q} r^n + \left| G_q(t) - G_{p-1} \right| r^{q}. \end{equation} Llegamos a la conclusión de que la serie

\begin{equation} \sum_{n=0}^{\infty} x^n f_n(t) \end{equation}

es uniformemente convergente en $(x,t)$$(x,t) \in [-b,b] \times [-a,a]$. En particular, ya que cada $h_n(x,t)=x^n f_n(t)$ es una función continua, la suma

\begin{equation} f(x,t)= \sum_{n=0}^{\infty} x^n f_n(t), \quad (x,t) \in [-b,b] \times [-a,a], \end{equation}

es continua en a $(0,0)$.

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