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格致开物MATHWIKI

一致收敛与连续性

一列连续函数可以逐点趋向不连续函数,fn(x)=xn 在 [0,1] 上就是例子:极限在 x<1 为 0,在 x=1 为 1。一致收敛正是排除这种“越来越陡的边界层”的条件。

连续函数的一致极限仍连续

设每个 fn:E→ℝ 都在 x0∈E 连续,且 fn→f 在 E 上一致。给定 ε>0,先选同一个 N,使 |fN(x)−f(x)|<ε/3 对全部 x∈E 成立。再由 fN 在 x0 连续,选 δ>0 使 |x−x0|<δ 时 |fN(x)−fN(x0)|<ε/3。把两端误差夹在中间: |f(x)−f(x0)|≤|f(x)−fN(x)|+|fN(x)−fN(x0)|+|fN(x0)−f(x0)|<ε. 所以 f 在 x0 连续。证明中的顺序很重要:先从一致收敛选 N,再对这个固定函数的连续性选 δ;逐点收敛的 N 会随着 x 改变,无法如此操作。

定理的边界

结论只保证连续,不自动保证可导或导数可交换极限。以 fn(x)=x2+1/n 为例,每个 fn 在实数轴上可导,且 |fn(x)−|x||≤1/n,故一致收敛到 |x|;然而极限在 0 不可导。讨论导数极限时必须另加条件。

参考资料