Функціональний ряд — ряд, кожен член якого є деякою функцією від однієї чи багатьох незалежних змінних.
Сума вигляду
називається функціональним рядом відносно незалежної змінної , а
послідовність функцій відповідно — функціональною послідовністю.
Важливе значення у математиці мають функціональні ряди спеціального вигляду, такі як степеневі, коли функція (зокрема, ряд Тейлора та ряд Лорана) та тригонометричні ряди, (наприклад, ряд Фур'є).
Функціональна послідовність[ред. | ред. код]
Нехай задана послідовність функцій (взагалі кажучи комплекснозначних) на деякій підмножині евклідового простору .
Функціональна послідовність збігається в точці , якщо, відповідно збігається числова послідовність , тобто існує Очевидно, що ця границя залежить від вибору точки , тобто є деякою функцією.
Функціональна послідовність збігається поточково на множині до функції , якщо вона збігається в кожній точці цієї множини. Іншими словами
Функціональна послідовність збігається рівномірно на множині до функції , якщо
Факт рівномірної збіжності послідовності до функції записується так: .
Критерій Коші рівномірної збіжності функціональної послідовності[ред. | ред. код]
Функціональна послідовність є рівномірно збіжною на множині тоді і тільки тоді, коли
Справедливі такі твердження: а) Якщо , на , то ;
б) Якщо , а — обмежена функція, то .
Приклади
Приклад 1.
Послідовність функцій
рівномірно збігається до функції на відрізку .
Очевидно, що для кожного фіксованого відповідна числова послідовність при , тобто поточково на . Покажемо, що ця збіжність є і рівномірною.
Дійсно, оскільки кожна з функцій є неперервною на , то
Щоб обчислити цей максимум знайдемо критичні точки функції
Звідки . Тоді
Звідси випливає, що .
Приклад 2.
Послідовність функцій
збігається поточково до функції на відрізку , але не рівномірно.
Поточкова збіжність цієї послідовності є очевидною. З іншого боку міркуючи аналогічно, як у попередньому прикладі та враховуючи, що
отримуємо
Отже збіжність не є рівномірною.
Нехай — n-на частинна сума ряду , .
Збіжність функціональних рядів[ред. | ред. код]
Ряд збігається поточково до функції , якщо послідовність його частинних сум збігається поточково до .
Ряд збігається рівномірно, якщо послідованість його частинних сум збігається рівномірно, .
Функція називається сумою ряду ,
Множина тих точок , для яких ряд збігається, називається областю збіжності ряду.
Зв'язок між рівномірною та поточковою збіжністю функціонального ряду[ред. | ред. код]
Якщо ряд є рівномірно збіжним у деякій області, то він, очевидно, є поточково збіжним у цій області. Навпаки невірно.
Твердження 1. Поточково збіжний функціональний ряд є рівномірно збіжним на тоді і тільки тоді, коли
або, що те саме
Приклад
Ряд збігається поточково на множині і
Остання формула є не що інше як сума нескінченно спадної геометричної прогресії.
Однак, з твердження 1 випливає, що ця збіжність не є рівномірною
Зауважимо, що на будь-якому відрізку цей ряд збігається рівномірно.
Необхідна умова рівномірної збіжності[ред. | ред. код]
Для того, щоб ряд збігався рівномірно на необхідно, щоб на при .
Критерій Коші рівномірної збіжності функціонального ряду[ред. | ред. код]
Ряд є рівномірно збіжним на тоді і тільки тоді, коли
Абсолютно та умовно збіжні ряди[ред. | ред. код]
Ряд називається абсолютно збіжним на , якщо для будь-якого ряд збігається.
Довільна перестановка членів абсолютно збіжного ряду не впливає на його суму.
Якщо ряд збігається, а — розбіжний, то ряд називається умовно збіжним. Для таких рядів справделива Теорема Рімана про умовно збіжний ряд.
Ознаки рівномірної збіжності функціонального ряду[ред. | ред. код]
Ознака порівняння та ознака Вейєрштрасса[ред. | ред. код]
Нехай
1) ряди та такі, що для всіх ;
2) ряд рівномірно збіжний на .
Тоді ряд абсолютно та рівномірно збіжний на .
Ряд називається мажоруючим рядом по відношенню до ряду .
Наслідок (мажорантна ознака Вейєрштрасса рівномірної збіжності ряду)
Якщо члени функціонального ряду задовольняють умову
причому
то цей ряд є абсолютно та рівномірно збіжним на .
Приклад
Ряд
збігається абсолютно та рівномірно на всій числовій прямій, оскільки для будь-якого виконуються нерівності
Нехай функції та визначені на множині , причому
1) послідовність частинних сум обмежена, тобто
2) послідовність функцій монотонна, тобто для всіх , та .
Тоді ряд рівномірно збіжний на множині .
Нехай
1) ряд рівномірно збігається на ;
2) послідовність монотонна та обмежена на , тобто
Тоді ряд рівномірно збіжний на множині .
Властивості рівномірно збіжних функціональних послідовностей та рядів[ред. | ред. код]
Теорема 1. (про граничний перехід)
Нехай на деякому проміжку та існує скінченна границя
Тоді послідовність збіжна і
Іншими словами
Наслідок
Границя рівномірно збіжної послідовності неперервних функцій є неперервною функцією.
Теорема 2. (про неперервність суми функціонального ряду)
Якщо функціональний ряд рівномірно збігається на множині до функції
, а його члени — неперервні на цій множині функції, то його сума є неперервною на функцією, тобто
Нехай . Якщо послідовність неперервних на функцій при кожному незростаюча (або неспадна)
і збігається поточково до , де неперервна на , то така збіжність є рівномірною.
Наслідок
Якщо ряд збігається (поточково) на відрізку до неперервної функції , а функції — неперервні, причому для всіх , то ряд збігається рівномірно на до функції .
Теорема 3. (про граничний перехід під знаком інтеграла)
Нехай . Якщо послідовність інтегровних за Ріманом (Лебегом) на функцій рівномірно збігається до функції , то функція інтегровна за Ріманом (Лебегом) і
Для інтеграла в сенсі Лебега встановлено загальніший результат, який не має аналогу для інтеграла Рімана, а саме — Теорема Лебега про мажоровану збіжність.
Теорема 4. (про інтегрування функціонального ряду)
Якщо функціональний ряд рівномірно збігається на відрізку до функції
, а його члени — неперервні на цьому відрізку функції, то
-
Теорема 5. (про диференціювання під знаком границі)
Нехай . Якщо послідовність неперервно диференційовних на відрізку функцій є поточково збіжною до функції , а послідовність їх похідних — рівномірно збіжною на до деякої функції , то функція є неперервно диференційовною на , а її похідна дорівнює границі послідовності похідних
Теорема 6. (про диференціювання функціонального ряду)
Якщо функціональний ряд , у якому функції — неперервно диференційовні на відрізку , збігається хоча б в одній точці , а ряд — рівномірно збігається на , то ряд також рівномірно збігається на до функції , причому
Збіжність у середньому функціональних послідовностей[ред. | ред. код]
При дослідженні питання про інтегрування функціональних рядів, зокрема ряду Фур'є використовується поняття збіжності у середньому.
Нехай кожна функція функціональної послідовності і функція інтегровні за Ріманом на .
Функціональна послідовність збігається в середньому на до функції , якщо
Функціональний ряд збігається в середньому на до функції , якщо послідовність його частинних сум збігається в середньому на до граничної функції .
Зауваження. Якщо функціональна послідовність (ряд) збігається в середньому на до , то ця послідовність (ряд) збігається в середньому до і на довільному проміжку .
Теорема 7. (про зв'язок між рівномірною збіжністю та збіжністю в середньому)
Якщо послідовність рівномірно збігається на до функції , то ця послідовність збігається в середньому на до .
Теорема 8. (про інтегрування)
Якщо послідовність збіжна в середньому на до функції , то
тобто послідовність рівномірно збігається на до функції .
Функціональні ряди комплексного аргументу[ред. | ред. код]
Розглянемо послідовність функцій , , та відповідний функціональний ряд
Означення поточкової та рівномірної збіжності аналогічні відповідним означенням із дійсного випадку, в яких модуль слід розуміти як модуль комплексного числа.
Теорема.
Для того, щоб ряд був збіжним (рівномірно збіжним) на множині до функції , необхідно і достатньо, щоб були збіжними (рівномірно збіжними) на множині ряди складені з дійсних та уявних частин функцій , тобто
Ця теорема дає змогу перенести на комплексний випадок всі наведені вище теореми з дійсного випадку, зокрема, аналогічно формулюються ознаки рівномірної збіжності, критерій Коші, теореми про неперервність, інтегрування (у якій відрізок інтегрування можна замінити на довільну криву у комплексній площині) та диференціювання функціональних послідовностей та рядів.
Однак деякі результати не мають аналогу у дійсному випадку.
Теорема Вейєрштрасса про рівномірну збіжність рядів аналітичних функцій[ред. | ред. код]
Нехай в області задана послідовність аналітичних функцій, і ряд рівномірно збіжний на кожному замкненому крузі, що лежить в області до деякої функції . Тоді:
1) функція аналітична в ;
2) ряд можна диференціювати довільну кількість разів, тобто
3) кожен з рядів у пункті 2 рівномірно збігається на кожному замкненому крузі в області .
Нехай — метричний простір з метрикою .
Послідовність елементів простору називається збіжною за метрикою цього простору до елемента , якщо
Послідовність елементів простору називається фундаментальною, якщо
Довільна збіжна послідовність є фундаментальною, але не навпаки (границя фундаментальної послідовності може не належати відповідному простору). Метричний простір у якому кожна фундаментальна послідовність є збіжною називається повним.
Розглянемо множину всіх неперервних на деякій множині дійсних функцій з метрикою
Відповідний метричний простір позначається (якщо — відрізок, то або ), а метрика називається чебишовською або рівномірною.
Збіжність функціональної послідовності за метрикою у цьому просторі еквівалентна рівномірній збіжності. З наслідку теореми 1 (про граничний перехід) випливає, що цей метричний простір є повним, а критерієм фунадментальності послідовності є критерій Коші.
Тепер розглянемо множину всіх неперервних на відрізку дійсних функцій з метрикою
Такий простір позначається і називається простором неперервних функцій з квадратичною метрикою. Збіжність за метрикою у такому просторі еквівалентна збіжності в середньому. Цей простір не є повним.