التقارب المنتظم

سلسلة من الوظائف(ون){\displaystyle (f_{n})}يتقارب بانتظام إلىو{\displaystyle f}عندما يكون صغيرًا بشكل تعسفيε{\displaystyle \varepsilon }يوجد فهرسشمال{\displaystyle N}بحيث يكون الرسم البياني لـون{\displaystyle f_{n}}موجود فيε{\displaystyle \varepsilon }-tubecurو{\displaystyle f}حينمانشمال.{\displaystyle n\geq N.}
لا يشترط أن تكون نهاية متتالية من الدوال المتصلة متصلة: متتالية الدوالون(x)=الخطيئةن(x){\displaystyle f_{n}(x)=\sin ^{n}(x)}(المميز باللونين الأخضر والأزرق) يتقارب نقطيًا على كامل المجال، لكن دالة النهاية غير متصلة (المميزة باللون الأحمر).

في مجال التحليل الرياضي ، يُعد التقارب المنتظم نمطًا من أنماط تقارب الدوال أقوى من التقارب النقطي . سلسلة من الدوال(ون){\displaystyle (f_{n})}يتقارب بانتظام إلى دالة حديةو{\displaystyle f}إذا كانت، بشكل عام، تقارب الدالة بشكل منتظمو{\displaystyle f}على كامل المجال، مما يعني أن جميع دوال المتتالية تقريبًا تقع ضمن هامش خطأ منتظم للدالة الأصلية. بيانيًا، هذا يعني أنه عند إعطاء أي نطاق رفيع حول الرسم البياني لـو{\displaystyle f}، الرسوم البيانية لجميع الدوال باستثناء عدد محدود منهاون{\displaystyle f_{n}}تقع ضمن هذا النطاق الضيق. وهذا على عكس التقارب النقطي، حيث تقع جميع الدوال تقريبًا، باستثناء عدد محدود منها، ضمن نطاق ضيق عند كل نقطة، ولكن المجموعة المحدودة من الدوال التي يجب استبعادها لتحقيق ذلك تختلف من نقطة إلى أخرى.

تُعدّ قوة التقارب المنتظم مثاليةً في العديد من التطبيقات، حيث لا يكفي التقارب النقطي. على سبيل المثال، النهاية المنتظمة لمتتالية من الدوال المتصلة تكون متصلة تلقائيًا؛ والنهاية المنتظمة للدوال القابلة للتكامل وفقًا لريمان تكون قابلة للتكامل وفقًا لريمان تلقائيًا. مع فرضيات إضافية، يمكن نقل خاصية التفاضل إلى دالة النهاية أيضًا. لم يُدرك الفرق بين التقارب المنتظم والتقارب النقطي إدراكًا كاملًا في بدايات علم التفاضل والتكامل، مما أدى إلى حالات من الاستدلال الخاطئ. وقد صاغ كارل فايرشتراس هذا المفهوم رسميًا لأول مرة .

تاريخ

في عام 1821، نشر أوغستين لويس كوشي برهانًا على أن مجموع الدوال المتصلة المتقاربة يكون دائمًا متصلًا، وهو ما وجد نيلز هنريك أبيل في عام 1826 أمثلة مضادة مزعومة في سياق متسلسلات فورييه ، مجادلًا بأن برهان كوشي لا بد أن يكون خاطئًا. لم تكن المفاهيم القياسية للتقارب موجودة في ذلك الوقت، وقد تعامل كوشي مع التقارب باستخدام طرق التناقص في الصغر. وبصياغة حديثة، فإن ما أثبته كوشي هو أن متتالية الدوال المتصلة المتقاربة بانتظام لها نهاية متصلة. إن عدم تقارب نهاية الدوال المتصلة المتقاربة نقطيًا فقط إلى دالة متصلة يوضح أهمية التمييز بين أنواع التقارب المختلفة عند التعامل مع متتاليات الدوال. [ 1 ]

ربما استخدم كريستوف جودرمان مصطلح التقارب المنتظم لأول مرة في ورقة بحثية عام 1838 حول الدوال الإهليلجية ، حيث استخدم عبارة "التقارب بطريقة منتظمة" عندما كان "نمط التقارب" لسلسلةن=1ون(x،ϕ،ψ){\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }f_{n}(x,\phi ,\psi )}مستقل عن المتغيراتϕ{\displaystyle \phi }وψ.{\displaystyle \psi .}على الرغم من أنه اعتبر تقارب المتسلسلة بهذه الطريقة "حقيقة لافتة للنظر"، إلا أنه لم يقدم تعريفًا رسميًا لها، ولم يستخدم هذه الخاصية في أي من براهينه. [ 2 ]

لاحقًا، صاغ كارل فايرشتراس ، تلميذ غودرمان الذي حضر دورته التدريبية حول الدوال الإهليلجية في الفترة 1839-1840، مصطلح " gleichmäßig konvergent " ( بالألمانية : gleichmäßig konvergent ) الذي استخدمه في بحثه " Zur Theorie der Potenzreihen" عام 1841 ، والذي نُشر عام 1894. وبشكل مستقل، صاغ فيليب لودفيغ فون سايدل [ 3 ] وجورج غابرييل ستوكس مفاهيم مماثلة . يقارن جي إتش هاردي بين التعريفات الثلاثة في بحثه "السير جورج ستوكس ومفهوم التقارب المنتظم" ويشير إلى أن: "اكتشاف فايرشتراس كان الأقدم، وهو وحده من أدرك تمامًا أهميته البالغة كأحد الأفكار الأساسية في التحليل."

تحت تأثير فايرشتراس وبرنهارد ريمان، تمت دراسة هذا المفهوم والأسئلة ذات الصلة بشكل مكثف في نهاية القرن التاسع عشر من قبل هيرمان هانكل ، وبول دو بوا-ريموند ، وأوليس ديني ، وسيزار أرزيلا، وآخرين.

تعريف

نُعرّف أولاً التقارب المنتظم للدوال ذات القيم الحقيقية ، على الرغم من أن المفهوم يُمكن تعميمه بسهولة ليشمل الدوال التي تُسقط على الفضاءات المترية ، وبشكل أعم، على الفضاءات المنتظمة (انظر أدناه ). [ 4 ]

يفترضهـ{\displaystyle E}هي مجموعة و(ون)نشمال{\displaystyle (f_{n})_{n\in \mathbb {N} }}هي متتالية من الدوال الحقيقية المعرفة عليها. نقول إن المتتالية(ون)نشمال{\displaystyle (f_{n})_{n\in \mathbb {N} }}متقاربة بانتظام علىهـ{\displaystyle E}مع حدو:هـR{\displaystyle f:E\to \mathbb {R} }إذا لكلε>0،{\displaystyle \varepsilon >0,}يوجد عدد طبيعيشمال{\displaystyle N}بحيث يكون ذلك لجميعنشمال{\displaystyle n\geq N}وللجميعxهـ{\displaystyle x\in E}

|ون(x)-و(x)|<ε.{\displaystyle {\bigl |}f_{n}(x)-f(x){\bigr |}<\varepsilon .}

رمز التقارب المنتظم لـون{\displaystyle f_{n}}لو{\displaystyle f}ليست موحدة تمامًا، وقد استخدم مؤلفون مختلفون مجموعة متنوعة من الرموز، بما في ذلك (بترتيب تنازلي تقريبًا حسب شيوعها):

ونو،uنأناو لأنامنون=و،ونuنأناو.و،و=u-ليمنون.{\displaystyle f_{n}\rightrightarrows f,\quad {\underset {n\to \infty }{\mathrm {unif\ lim} }}f_{n}=f,\quad f_{n}{\overset {\mathrm {unif.} }{\longrightarrow }}f,\quad f=\mathrm {u} \!\!-\!\!\!\lim _ {n\to \infty}f_{n}.}

في كثير من الأحيان، لا يتم استخدام أي رمز خاص، ويكتب المؤلفون ببساطة

ونوuنأناوoرملy{\displaystyle f_{n}\to f\quad \mathrm {uniformly} }

للدلالة على أن التقارب منتظم. (على النقيض من ذلك، فإن التعبيرونو{\displaystyle f_{n}\to f}علىهـ{\displaystyle E}بدون ظرف، يُفهم على أنه تقارب نقطي علىهـ{\displaystyle E}للجميعxهـ{\displaystyle x\in E}،ون(x)و(x){\displaystyle f_{n}(x)\to f(x)}مثلن{\displaystyle n\to \infty }.)

منذR{\displaystyle \mathbb {R} }إذا كانت فضاءً متريًا كاملاً ، فيمكن استخدام معيار كوشي لإعطاء صيغة بديلة مكافئة للتقارب المنتظم:(ون)نشمال{\displaystyle (f_{n})_{n\in \mathbb {N} }}يتقارب بانتظام علىهـ{\displaystyle E}(بالمعنى السابق) إذا وفقط إذا كان لكلε>0{\displaystyle \varepsilon >0}يوجد عدد طبيعيشمال{\displaystyle N}بحيث

xهـ،م،نشمال|وم(x)-ون(x)|<ε{\displaystyle x\in E,m,n\geq N\implies {\bigl |}f_{m}(x)-f_{n}(x){\bigr |}<\varepsilon }.

في صيغة مكافئة أخرى (مشتقة باستخدام تعريف النهاية والقيمة العليا )، إذا عرّفنا

دن=رشفةxهـ|ون(x)-و(x)|،{\displaystyle d_{n}=\sup _{x\in E}{\bigl |}f_{n}(x)-f(x){\bigr |},}

ثمون{\displaystyle f_{n}}يتقارب إلىو{\displaystyle f}بشكل موحد إذا وفقط إذادن0{\displaystyle d_{n}\to 0}مثلن{\displaystyle n\to \infty }وبالتالي، يمكننا وصف التقارب المنتظم لـ(ون)نشمال{\displaystyle \textstyle (f_{n})_{n\in \mathbb {N} }}علىهـ{\displaystyle E}كتقارب (بسيط) لـ(ون)نشمال{\displaystyle (f_{n})_{n\in \mathbb {N} }}في فضاء الدوالRهـ{\displaystyle \mathbb {R} ^{E}}فيما يتعلق بالمقياس الموحد (المعروف أيضًا باسم مقياس القيمة العليا )، المحدد بواسطة

د(و،ز)=رشفةxهـ|و(x)-ز(x)|.{\displaystyle d(f,g)=\sup _{x\in E}{\bigl |}f(x)-g(x){\bigr |}.}

رمزياً،

ونود(ون،و)0{\displaystyle f_{n}\rightrightarrows f\iff d(f_{n},f)\to 0}.

التسلسل(ون)نشمال{\displaystyle (f_{n})_{n\in \mathbb {N} }}يقال إنها متقاربة محليًا بشكل منتظم مع حدو{\displaystyle f}لوهـ{\displaystyle E}هو فضاء متري ولكلxهـ{\displaystyle x\in E}يوجدر>0{\displaystyle r>0}بحيث(ون){\displaystyle (f_{n})}يتقارب بانتظام علىب(x،ر)هـ{\displaystyle B(x,r)\cap E}أينب(x،ر){\displaystyle B(x,r)}هي كرة مركزها x ونصف قطرها r . من الواضح أن التقارب المنتظم يستلزم التقارب المنتظم المحلي، والذي يستلزم بدوره التقارب النقطي.

ملحوظات

بشكل بديهي، سلسلة من الدوالون{\displaystyle f_{n}}يتقارب بانتظام إلىو{\displaystyle f}إذا، بالنظر إلى قيمة صغيرة بشكل تعسفيε>0{\displaystyle \varepsilon >0}، يمكننا أن نجدشمالشمال{\displaystyle N\in \mathbb {N} }بحيث تكون الوظائفون{\displaystyle f_{n}}معن>شمال{\displaystyle n>N}تقع جميعها داخل "أنبوب" عرضه2ε{\displaystyle 2\varepsilon }تتمحور حولو{\displaystyle f}(أي بين)و(x)-ε{\displaystyle f(x)-\varepsilon }وو(x)+ε{\displaystyle f(x)+\varepsilon }) لكامل نطاق الدالة.

لاحظ أن تبديل ترتيب المحددات الكمية في تعريف التقارب المنتظم عن طريق نقل "لكلxهـ{\displaystyle x\in E}"أمام "يوجد عدد طبيعيشمال{\displaystyle N}ينتج عن ذلك تعريف للتقارب النقطي للمتتالية. ولتوضيح هذا الفرق، في حالة التقارب المنتظم،شمال=شمال(ε){\displaystyle N=N(\varepsilon )}لا يمكن الاعتماد إلا علىε{\displaystyle \varepsilon }واختيارشمال{\displaystyle N}يجب أن يكون العمل لصالح الجميعxهـ{\displaystyle x\in E}، لقيمة محددة منε{\displaystyle \varepsilon }هذا أمرٌ مُعطى. في المقابل، في حالة التقارب النقطي،شمال=شمال(ε،x){\displaystyle N=N(\varepsilon ,x)}قد يعتمد ذلك على كليهماε{\displaystyle \varepsilon }وx{\displaystyle x}واختيارشمال{\displaystyle N}يجب أن يعمل فقط مع القيم المحددة لـε{\displaystyle \varepsilon }وx{\displaystyle x}المعطاة. وبالتالي، فإن التقارب المنتظم يستلزم التقارب النقطي، إلا أن العكس ليس صحيحًا، كما يوضح المثال في القسم أدناه.

التعميمات

يمكن للمرء بسهولة توسيع المفهوم ليشمل الدوال EM ، حيث ( M , d ) فضاء متري ، عن طريق استبدال|ون(x)-و(x)|{\displaystyle |f_{n}(x)-f(x)|}معد(ون(x)،و(x)){\displaystyle d(f_{n}(x),f(x))}.

الإطار الأكثر عمومية هو التقارب المنتظم لشبكات الدوال EX ، حيث X فضاء منتظم . نقول إن الشبكة(وα){\displaystyle (f_{\alpha })}يتقارب بانتظام مع النهاية f  : EX إذا وفقط إذا كان لكل مجموعة محيطة V في X ، يوجدα0{\displaystyle \alpha _{0}}بحيث يكون لكل x في E ولكلαα0{\displaystyle \alpha \geq \alpha _{0}}،(وα(x)،و(x)){\displaystyle (f_{\alpha }(x),f(x))}في V. في هذه الحالة، تظل النهاية المنتظمة للدوال المتصلة متصلة.

التعريف في بيئة واقعية للغاية

يسمح التقارب المنتظم بتعريف مبسط في بيئة فائقة الواقعية . وبالتالي، فإن المتتاليةون{\displaystyle f_{n}}يتقارب إلى f بانتظام إذا كان لكل x فائق الواقعية في مجالو*{\displaystyle {f}^{*}}وجميع قيم n اللانهائية ،ون*(x){\displaystyle {f}_{n}^{*}(x)}قريب جدًا منو*(x){\displaystyle {f}^{*}(x)}(انظر إلى مفهوم الاستمرارية الجزئية للحصول على تعريف مشابه للاستمرارية المنتظمة). في المقابل، تتطلب الاستمرارية النقطية هذا فقط لقيم x الحقيقية .

أمثلة

لx[0،1){\displaystyle x\in [0,1)}يمكن توضيح مثال أساسي للتقارب المنتظم على النحو التالي: المتتالية(12))x+ن{\displaystyle \textstyle {\bigl (}{\tfrac {1}{2}}{\bigr )}{\vphantom {)}}^{x+n}}يتقارب بشكل منتظم، بينماxن{\displaystyle x^{n}}لا يفعل. تحديداً، افترضε=14{\displaystyle \varepsilon ={\tfrac {1}{4}}}كل وظيفة(12))x+ن{\displaystyle \textstyle {\bigl (}{\tfrac {1}{2}}{\bigr )}{\vphantom {)}}^{x+n}}أقل من أو يساوي14{\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}متىن2{\displaystyle n\geq 2}بغض النظر عن قيمةx{\displaystyle x}. على الجانب الآخر،xن{\displaystyle x^{n}}أقل من أو يساوي فقط14{\displaystyle {\tfrac {1}{4}}}بقيم متزايدة باستمرار لـن{\displaystyle n}عندما تكون قيمx{\displaystyle x}يتم اختيارها بشكل أقرب فأقرب إلى 1 (سيتم شرح ذلك بمزيد من التفصيل أدناه).

بفرض وجود فضاء طوبولوجي X ، يمكننا تزويد فضاء الدوال الحقيقية أو المركبة المحدودة ذات القيم على X بطوبولوجيا المعيار المنتظم ، مع تعريف المقياس المنتظم بواسطة

د(و،ز)=و-ز=رشفةxX|و(x)-ز(x)|.{\displaystyle d(f,g)={\|fg\|}_{\infty }=\sup _{x\in X}{\bigl |}f(x)-g(x){\bigr |}.}

إذن، يعني التقارب المنتظم ببساطة التقارب في طوبولوجيا المعيار المنتظم :

ليمنون-و=0{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\|f_{n}-f\|}_{\infty }=0}.

تسلسل الوظائف(ون){\displaystyle (f_{n})}

{ون:[0،1][0،1]ون(x)=xن{\displaystyle {\begin{cases}f_{n}:[0,1]\to [0,1]\\[3mu]f_{n}(x)=x^{n}\end{cases}}}

يُعد مثالًا كلاسيكيًا على متتالية من الدوال التي تتقارب إلى دالةو{\displaystyle f}نقطيًا ولكن ليس بشكل منتظم. ولإثبات ذلك، نلاحظ أولًا أن النهاية النقطية لـ(ون){\displaystyle (f_{n})}مثلن{\displaystyle n\to \infty }هي الوظيفةو{\displaystyle f}، مقدمة من

و(x)=ليمنون(x)={0،x[0،1)؛1،x=1.{\displaystyle f(x)=\lim _{n\to \infty }f_{n}(x)={\begin{cases}0,&x\in [0,1);\\[3mu]1,&x=1.\end{cases}}}

التقارب النقطي: التقارب بديهي بالنسبة لـx=0{\displaystyle x=0}وx=1{\displaystyle x=1}، منذون(0)=و(0)=0{\displaystyle f_{n}(0)=f(0)=0}وون(1)=و(1)=1{\displaystyle f_{n}(1)=f(1)=1}للجميعن{\displaystyle n}. لx(0،1){\displaystyle x\in (0,1)}وبالنظر إلىε>0{\displaystyle \varepsilon >0}يمكننا ضمان ذلك|ون(x)-و(x)|<ε{\displaystyle |f_{n}(x)-f(x)|<\varepsilon }حينمانشمال{\displaystyle n\geq N}باختيارشمال=سجلε/سجلx{\displaystyle N=\lceil \log \varepsilon /\log x\rceil }، وهو أصغر أس صحيح لـx{\displaystyle x}وهذا يسمح له بالوصول إلى أو الانخفاض إلى ما دونε{\displaystyle \varepsilon }(هنا تشير الأقواس المربعة العلوية إلى التقريب لأعلى، انظر دالة السقف ). وبالتالي،ونو{\displaystyle f_{n}\to f}نقطة بنقطة للجميعx[0،1]{\displaystyle x\in [0,1]}لاحظ أن اختيارشمال{\displaystyle N}يعتمد ذلك على قيمةε{\displaystyle \varepsilon }وx{\displaystyle x}علاوة على ذلك، بالنسبة لاختيار ثابت لـε{\displaystyle \varepsilon }،شمال{\displaystyle N}(الذي لا يمكن تعريفه بأنه أصغر) ينمو بلا حدود معx{\displaystyle x}الأساليب 1. هذه الملاحظات تستبعد إمكانية التقارب المنتظم.

عدم انتظام التقارب: التقارب غير منتظم، لأنه يمكننا إيجادε>0{\displaystyle \varepsilon >0}بحيث بغض النظر عن حجم الاختيارشمال،{\displaystyle N,}ستكون هناك قيم لـx[0،1]{\displaystyle x\in [0,1]}ونشمال{\displaystyle n\geq N}بحيث|ون(x)-و(x)|ε.{\displaystyle |f_{n}(x)-f(x)|\geq \varepsilon .}ولرؤية ذلك، لاحظ أولاً أنه بغض النظر عن حجمن{\displaystyle n}يصبح، هناك دائماًx0[0،1){\displaystyle x_{0}\in [0,1)}بحيثون(x0)=12.{\displaystyle f_{n}(x_{0})={\tfrac {1}{2}}.}وبالتالي، إذا اخترناε=14،{\displaystyle \varepsilon ={\tfrac {1}{4}},}لا يمكننا أبدًا العثور علىشمال{\displaystyle N}بحيث|ون(x)-و(x)|<ε{\displaystyle |f_{n}(x)-f(x)|<\varepsilon }للجميعx[0،1]{\displaystyle x\in [0,1]}ونشمال{\displaystyle n\geq N}وبصراحة، أيًا كان المرشح الذي نختارهشمال{\displaystyle N}، ضع في اعتبارك قيمةوشمال{\displaystyle f_{N}}فيx0=(12))1/شمال{\displaystyle \textstyle x_{0}={\bigl (}{\tfrac {1}{2}}{\bigr )}{\vphantom {)}}^{1/N}}. منذ

|وشمال(x0)-و(x0)|=|((12)1/شمال)|شمال-0 |=12>14=ε،{\displaystyle {\bigl |}f_{N}(x_{0})-f(x_{0}){\bigr |}=\left|{{\Bigl (}{\bigl (}{\tfrac {1}{2}}{\bigr )}^{1/N}{\Bigr )}{\vphantom {\big |}}^{N}\!-0}~\!\right|={\tfrac {1}{2}}>{\tfrac {1}{4}}=\varepsilon ,}

يفشل المرشح لأننا وجدنا مثالاً علىx[0،1]{\displaystyle x\in [0,1]}التي "أفلتت" من محاولتنا "لحصر" كل منهاون (نشمال){\displaystyle f_{n}\ (n\geq N)}إلى الداخلε{\displaystyle \varepsilon }لو{\displaystyle f}للجميعx[0،1]{\displaystyle x\in [0,1]}في الواقع، من السهل أن نرى ذلك

ليمنون-و=1،{\displaystyle \lim _{n\to \infty }\|f_{n}-f\|_{\infty }=1,}

خلافًا للشرط الذيون-و0{\displaystyle \|f_{n}-f\|_{\infty }\to 0}لوونو{\displaystyle f_{n}\rightrightarrows f}.

في هذا المثال، يمكن للمرء أن يرى بسهولة أن التقارب النقطي لا يحافظ على قابلية التفاضل أو الاستمرارية. فبينما تكون كل دالة من دوال المتتالية سلسة، أي أنه بالنسبة لجميع قيم n ،ونج([0،1]){\displaystyle f_{n}\in C^{\infty }([0,1])}الحدليمنون{\displaystyle \lim _{n\to \infty }f_{n}}إنها ليست متصلة حتى.

الدالة الأسية

يمكن إثبات أن متسلسلة توسيع الدالة الأسية متقاربة بانتظام على أي مجموعة جزئية محدودةSج{\displaystyle S\subset \mathbb {C} }باستخدام اختبار Weierstrass M.

نظرية (اختبار فايرشتراس إم). ليكن(ون){\displaystyle (f_{n})}لتكن سلسلة من الدوالون:هـج{\displaystyle f_{n}:E\to \mathbb {C} }ودعمن{\displaystyle M_{n}}لتكن متتالية من الأعداد الحقيقية الموجبة بحيث|ون(x)|من{\displaystyle |f_{n}(x)|\leq M_{n}}للجميعxهـ{\displaystyle x\in E}ون=1،2،3،...{\displaystyle n=1,2,3,\ldots }لونمن{\textstyle \sum _{n}M_{n}}ثم يتقاربنون{\textstyle \sum _{n}f_{n}}يتقارب بشكل مطلق ومنتظم علىهـ{\displaystyle E}.

يمكن التعبير عن الدالة الأسية المركبة على شكل متسلسلة:

ن=0zنن!.{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }{\frac {z^{n}}{n!}}.}

أي مجموعة جزئية محدودة هي مجموعة جزئية من قرص مادR{\displaystyle D_{R}}نصف قطرR،{\displaystyle R,}مركزها نقطة الأصل في المستوى المركب . يتطلب اختبار فايرشتراس إم إيجاد حد أعلىمن{\displaystyle M_{n}}وفقًا لشروط السلسلة، معمن{\displaystyle M_{n}}بغض النظر عن الموضع في القرص:

|zنن!|من،zدR.{\displaystyle \left|{\frac {z^{n}}{n!}}\right|\leq M_{n},\forall z\in D_{R}.}

وللقيام بذلك، نلاحظ

|zنن!||z|نن!Rنن!{\displaystyle \left|{\frac {z^{n}}{n!}}\right|\leq {\frac {|z|^{n}}{n!}}\leq {\frac {R^{n}}{n!}}}

وخذمن=Rنن!.{\displaystyle M_{n}={\tfrac {R^{n}}{n!}}.}

لون=0من{\displaystyle \sum _{n=0}^{\infty }M_{n}}إذا كانت متقاربة، فإن اختبار M يؤكد أن السلسلة الأصلية متقاربة بشكل منتظم.

يمكن استخدام اختبار النسبة هنا:

ليمنمن+1من=ليمنRن+1Rنن!(ن+1)!=ليمنRن+1=0{\displaystyle \lim _{n\to \infty }{\frac {M_{n+1}}{M_{n}}}=\lim _{n\to \infty }{\frac {R^{n+1}}{R^{n}}}{\frac {n!}{(n+1)!}}=\lim _{n\to \infty }{\frac {R}{n+1}}=0}

وهذا يعني انتهاء المسلسلمن{\displaystyle M_{n}}متقاربة. وبالتالي فإن المتسلسلة الأصلية تتقارب بانتظام لجميعzدR،{\displaystyle z\in D_{R},}ومنذ ذلك الحينSدR{\displaystyle S\subset D_{R}}كما أن السلسلة تتقارب بشكل منتظم علىS.{\displaystyle S.}

ملكيات

  • كل متتالية متقاربة بشكل منتظم تكون متقاربة بشكل منتظم محلياً.
  • كل متتالية متقاربة بشكل منتظم محلياً هي متتالية متقاربة بشكل مضغوط .
  • بالنسبة للمساحات المدمجة محلياً، يتطابق التقارب المنتظم المحلي والتقارب المدمج.
  • تكون سلسلة الدوال المتصلة على الفضاءات المترية، مع كون فضاء الصورة المترية كاملاً، متقاربة بشكل منتظم إذا وفقط إذا كانت متقاربة بشكل منتظم وفقًا لمعيار كوشي .
  • لوS{\displaystyle S}هي فترة مضغوطة (أو بشكل عام فضاء طوبولوجي مضغوط)، و(ون){\displaystyle (f_{n})}هي متتالية متزايدة رتيبة (بمعنىون(x)ون+1(x){\displaystyle f_{n}(x)\leq f_{n+1}(x)}لجميع قيم n و x ) للدوال المتصلة ذات النهاية النقطيةو{\displaystyle f}إذا كانت الدالة متصلة أيضًا، فإن التقارب يكون منتظمًا بالضرورة ( نظرية ديني ). كما يُضمن التقارب المنتظم إذاS{\displaystyle S}هي فترة زمنية قصيرة و(ون){\displaystyle (f_{n})}هي متتالية متساوية الاستمرارية تتقارب نقطياً.

التطبيقات

للاستمرارية

مثال مضاد لتقوية نظرية التقارب المنتظم، حيث يُفترض التقارب النقطي بدلاً من التقارب المنتظم. الدوال الخضراء المتصلةالخطيئةن(x){\displaystyle \sin ^{n}(x)}تتقارب إلى الدالة الحمراء غير المتصلة. لا يمكن أن يحدث هذا إلا إذا لم يكن التقارب منتظمًا.

لوهـ{\displaystyle E}وم{\displaystyle M}إذا كانت الفضاءات طوبولوجية ، فمن المنطقي الحديث عن استمرارية الدوال.ون،و:هـم{\displaystyle f_{n},f:E\to M}وإذا افترضنا كذلك أنم{\displaystyle M}إذا كان فضاءً متريًا ، فإن التقارب (المنتظم) لـون{\displaystyle f_{n}}لو{\displaystyle f}وهي محددة جيدًا أيضًا. تنص النتيجة التالية على أن الاستمرارية محفوظة بالتقارب المنتظم:

نظرية النهاية المنتظمة لنفترضهـ{\displaystyle E}هو فضاء طوبولوجي،م{\displaystyle M}هو فضاء متري، و(ون){\displaystyle (f_{n})}هي سلسلة من الدوال المتصلةون:هـم{\displaystyle f_{n}:E\to M}. لوونو{\displaystyle f_{n}\rightrightarrows f}علىهـ{\displaystyle E}، ثمو{\displaystyle f}وهو متصل أيضاً.

تم إثبات هذه النظرية بواسطة "ε/3{\displaystyle \varepsilon /3}" خدعة"، وهي المثال النموذجي لهذه الخدعة: إثبات متباينة معينة (أن الكمية المطلوبة أقل منε{\displaystyle \varepsilon }باستخدام تعريفات الاستمرارية والتقارب المنتظم، يتم التوصل إلى ثلاث متباينات (توضح أن ثلاث كميات منفصلة كل منها أقل من ε/3{\displaystyle \varepsilon /3}ثم يجمعها عبر متباينة المثلث لإنتاج المتباينة المطلوبة.

دليل

يتركx0هـ{\displaystyle x_{0}\in E}لنفترض أن نقطة ما هي نقطة عشوائية. سنثبت ذلك.و{\displaystyle f}متصل عندx0{\displaystyle x_{0}}. يتركε>0{\displaystyle \varepsilon >0}. بالتقارب المنتظم، يوجد عدد طبيعيشمال{\displaystyle N}بحيث

xهـد(وشمال(x)،و(x))13ε{\displaystyle \forall x\in E\quad d{\bigl (}f_{N}(x),f(x){\bigr )}\leq {\tfrac {1}{3}}\varepsilon }

(يُظهر التقارب المنتظم أن العبارة المذكورة أعلاه صحيحة لجميعنشمال{\displaystyle n\geq N}لكننا سنستخدمها فقط لوظيفة واحدة من وظائف المتتالية، وهيوشمال{\displaystyle f_{N}}).

وينتج ذلك عن استمراريةوشمال{\displaystyle f_{N}}فيx0هـ{\displaystyle x_{0}\in E}أن هناك مجموعة مفتوحةيو{\displaystyle U}يحتوي علىx0{\displaystyle x_{0}}بحيث

xيود(وشمال(x)،وشمال(x0))13ε{\displaystyle \forall x\in U\quad d{\bigl (}f_{N}(x),f_{N}(x_{0}){\bigr )}\leq {\tfrac {1}{3}}\varepsilon }.

وبالتالي، باستخدام متباينة المثلث ،

xيود(و(x)،و(x0))د(و(x)،وشمال(x))+د(وشمال(x)،وشمال(x0))+د(وشمال(x0)،و(x0))ε{\displaystyle \forall x\in U\quad d{\bigl (}f(x),f(x_{0}){\bigr )}\leq d{\bigl (}f(x),f_{N}(x){\bigr )}+d{\bigl (}f_{N}(x),f_{N}(x_{0}){\bigr )}+d{\bigl (}f_{N}(x_{0}),f(x_{0}){\bigr )}\leq \varepsilon }،

مما يمنحنا استمراريةو{\displaystyle f}فيx0{\displaystyle x_{0}}.{\displaystyle \quad \square }

تُعدّ هذه النظرية من أهم النظريات في تاريخ التحليل الحقيقي وتحليل فورييه، إذ كان لدى العديد من علماء الرياضيات في القرن الثامن عشر فهمٌ بديهيٌّ مفاده أن متتالية الدوال المتصلة تتقارب دائمًا إلى دالة متصلة. تُظهر الصورة أعلاه مثالًا مضادًا، ويمكن في الواقع كتابة العديد من الدوال غير المتصلة على شكل متسلسلة فورييه من الدوال المتصلة. يُعرف الادعاء الخاطئ بأن النهاية النقطية لمتتالية من الدوال المتصلة متصلة (والذي صيغ في الأصل بدلالة متسلسلة متقاربة من الدوال المتصلة) باسم "نظرية كوشي الخاطئة". تُبيّن نظرية النهاية المنتظمة أن شكلًا أقوى من التقارب، وهو التقارب المنتظم، ضروري لضمان الحفاظ على استمرارية دالة النهاية.

وبشكل أدق، تنص هذه النظرية على أن النهاية المنتظمة للدوال المستمرة بشكل منتظم هي مستمرة بشكل منتظم؛ بالنسبة للفضاء المدمج محليًا ، فإن الاستمرارية تعادل الاستمرارية المنتظمة المحلية، وبالتالي فإن النهاية المنتظمة للدوال المستمرة تكون مستمرة.

قابلية التفاضل

لوS{\displaystyle S}هي فترة وجميع الدوالون{\displaystyle f_{n}}قابلة للتفاضل وتتقارب إلى حد معينو{\displaystyle f}، غالباً ما يكون من المستحسن تحديد دالة المشتقةو{\displaystyle f'}بأخذ نهاية المتتاليةون{\displaystyle f'_{n}}لكن هذا غير ممكن عمومًا: فحتى لو كان التقارب منتظمًا، فليس بالضرورة أن تكون دالة النهاية قابلة للتفاضل (حتى لو كانت المتتالية تتكون من دوال تحليلية في كل مكان ، انظر دالة فايرشتراس )، وحتى لو كانت قابلة للتفاضل، فليس بالضرورة أن تكون مشتقة دالة النهاية مساوية لنهاية المشتقات. لنأخذ على سبيل المثالون(x)=ن-1/2الخطيئة(نx){\displaystyle f_{n}(x)=n^{-1/2}{\sin(nx)}}بحد موحدونو0{\displaystyle f_{n}\rightrightarrows f\equiv 0}من الواضح،و{\displaystyle f'}وهي أيضًا تساوي صفرًا تمامًا. ومع ذلك، فإن مشتقات متتالية الدوال تُعطى بواسطةون(x)=ن1/2كوسنx،{\displaystyle f'_{n}(x)=n^{1/2}\cos nx,}والتسلسلون{\displaystyle f'_{n}}لا يتقارب معو،{\displaystyle f',}أو حتى لأي دالة على الإطلاق. ولضمان وجود صلة بين نهاية متتالية من الدوال القابلة للتفاضل ونهاية متتالية المشتقات، يلزم التقارب المنتظم لمتتالية المشتقات بالإضافة إلى تقارب متتالية الدوال عند نقطة واحدة على الأقل: [ 4 ]

لو(ون){\displaystyle (f_{n})}هي متتالية من الدوال القابلة للتفاضل على[أ،ب]{\displaystyle [a,b]}بحيثليمنون(x0){\displaystyle \lim _{n\to \infty }f_{n}(x_{0})}موجود (ومحدود) لبعضx0[أ،ب]{\displaystyle x_{0}\in [a,b]}والتسلسل(ون){\displaystyle (f'_{n})}يتقارب بانتظام على[أ،ب]{\displaystyle [a,b]}، ثمون{\displaystyle f_{n}}يتقارب بانتظام إلى دالةو{\displaystyle f}على[أ،ب]{\displaystyle [a,b]}، وو(x)=ليمنون(x){\displaystyle f'(x)=\lim _{n\to \infty }f'_{n}(x)}لx[أ،ب]{\displaystyle x\in [a,b]}.

قابلية التكامل

وبالمثل، غالباً ما يرغب المرء في تبادل التكاملات وعمليات النهاية. بالنسبة لتكامل ريمان ، يمكن القيام بذلك إذا افترضنا التقارب المنتظم:

لو(ون)ن=1{\displaystyle {(f_{n})}_{n=1}^{\infty }}هي متتالية من الدوال القابلة للتكامل وفقًا لريمان، معرفة على فترة مغلقةأنا{\displaystyle I} والتي تتقارب بانتظام مع النهايةو{\displaystyle f}، ثمو{\displaystyle f}هي قابلة للتكامل وفقًا لريمان، ويمكن حساب تكاملها كحد لتكاملاتون{\displaystyle f_{n}}:أناو=ليمنأناون.{\displaystyle \int _{I}f=\lim _{n\to \infty }\int _{I}f_{n}.}

في الواقع، بالنسبة لعائلة متقاربة بانتظام من الدوال المحدودة على فترة ما، فإن تكاملات ريمان العليا والسفلى تتقارب مع تكاملات ريمان العليا والسفلى لدالة النهاية. ويعود ذلك إلى أنه، بالنسبة لـ n كبيرة بما فيه الكفاية، فإن الرسم البياني لـون{\displaystyle f_{n}}تقع ضمن نطاق ε من الرسم البياني للدالة f ، وبالتالي فإن المجموع العلوي والمجموع السفلي لـون{\displaystyle f_{n}}كل منها داخلε|أنا|{\displaystyle \varepsilon |I|}قيمة مجموع الحدين العلوي والسفلي لـو{\displaystyle f}، على التوالى.

يمكن الحصول على نظريات أقوى بكثير في هذا الصدد، والتي لا تتطلب أكثر من التقارب النقطي، إذا تخلى المرء عن التكامل الريماني واستخدم التكامل الليبيغ بدلاً من ذلك.

التحليلية

باستخدام نظرية موريرا ، يمكن للمرء أن يثبت أنه إذا تقاربت متتالية من الدوال التحليلية بشكل منتظم في منطقة S من المستوى المركب، فإن النهاية تكون تحليلية في S. يوضح هذا المثال أن الدوال المركبة أكثر انتظامًا من الدوال الحقيقية، حيث أن النهاية المنتظمة للدوال التحليلية على فترة حقيقية لا يلزم أن تكون قابلة للتفاضل (انظر دالة فايرشتراس ).

إلى المسلسل

نقول ذلكن=1ون{\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }f_{n}}يتقارب:

  1. نقطة بنقطة على E إذا وفقط إذا كان تسلسل المجاميع الجزئيةsن(x)=ج=1نوج(x){\displaystyle \textstyle s_{n}(x)=\sum _{j=1}^{n}f_{j}(x)}يتقارب لكلxهـ{\displaystyle x\in E}.
  2. يتقارب بانتظام على E إذا وفقط إذا كان s n يتقارب بانتظام عندمان{\displaystyle n\to \infty }.
  3. بالتأكيد على الخيار E إذا وفقط إذان=1|ون|{\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }|f_{n}|}يتقارب لكلxهـ{\displaystyle x\in E}.

ويترتب على هذا التعريف النتيجة التالية:

ليكن x 0 عنصرًا في المجموعة E ، وليكن كل f n دالة متصلة عند x 0. إذاو=ن=1ون{\textstyle f=\sum _{n=1}^{\infty }f_{n}}إذا كانت الدالة f تتقارب بانتظام على فإنها تكون متصلة عند x 0 في E. لنفترض أنهـ=[أ،ب]{\displaystyle E=[a,b]}وكل دالة f n قابلة للتكامل على E. إذان=1ون{\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }f_{n}}إذا تقاربت بشكل منتظم على E فإن f قابلة للتكامل على E وسلسلة تكاملات f n تساوي تكامل سلسلة f n .

مساحات الوظائف

التقارب المنتظم هو معيار طوبولوجيا على العديد من فضاءات الدوال المهمة . على سبيل المثال، ليكنج([0،1]){\displaystyle C([0,1])}يرمز إلى فضاء الدوال المتصلة ذات القيم الحقيقية أو المركبة على الفترة [0، 1]. مع معيار القيمة العلياو=رشفةx[0،1]|و(x)|،{\displaystyle \|f\|_{\infty }=\sup _{x\in [0,1]}|f(x)|,} هذا فضاء باناخ . متتاليةون{\displaystyle f_{n}}فيج([0،1]){\displaystyle C([0,1])}يتقارب إلىو{\displaystyle f}في هذا المعيار تحديدا عندما ون-و0،{\displaystyle \|f_{n}-f\|_{\infty }\to 0,} وهو ما يمثل بالضبط التقارب المنتظم على[0،1]{\displaystyle [0,1]}.

اكتمالج([0،1]){\displaystyle C([0,1])}وينتج ذلك عن اكتمال الأعداد الحقيقية أو المركبة. إذا(ون){\displaystyle (f_{n})}إذا كان كوشي في المعيار الأعلى، فعندئذٍ لكلx[0،1]{\displaystyle x\in [0,1]}التسلسل(ون(x)){\displaystyle (f_{n}(x))}هو كوشي، لأن |ون(x)-وم(x)|ون-وم.{\displaystyle |f_{n}(x)-f_{m}(x)|\leq \|f_{n}-f_{m}\|_{\infty }.} هكذاون(x){\displaystyle f_{n}(x)}يتقارب نقطيًا إلى دالةو(x){\displaystyle f(x)}علاوة على ذلك، فإن التقارب منتظم: لكلε>0{\displaystyle \varepsilon >0}، هناكشمال{\displaystyle N}بحيثون-وم<ε{\displaystyle \|f_{n}-f_{m}\|_{\infty }<\varepsilon }حينمان،مشمال{\displaystyle n,m\geq N}; السماحم{\displaystyle m\to \infty }أعطِ |ون(x)-و(x)|ε{\displaystyle |f_{n}(x)-f(x)|\leq \varepsilon }للجميعx[0،1]{\displaystyle x\in [0,1]}وكل شيءنشمال{\displaystyle n\geq N}بما أن النهاية المنتظمة للدوال المتصلة تكون متصلة،وج([0،1]){\displaystyle f\in C([0,1])}.

وبشكل أعم، إذاX{\displaystyle X}هو فضاء هاوسدورف مضغوط ، إذنج(X){\displaystyle C(X)}، مع المعيار الأعلى، هو فضاء باناخ. إذاX{\displaystyle X}إذا لم تكن المجموعة متراصة، فلا يلزم أن يكون معيار القيمة العليا محدودًا على جميع أجزائها.ج(X){\displaystyle C(X)}في هذه الحالة، غالبًا ما يُستخدم مفهوم التقارب المنتظم على المجموعات الجزئية المدمجة، والذي يُسمى أيضًا مفهوم التقارب المفتوح المدمج في هذا السياق. على سبيل المثال، إذاX{\displaystyle X}هي فضاء هاوسدورف مضغوط محليًا ، ومضغوط من النوع σ ، وتتولد هذه الطوبولوجيا بواسطة المعايير شبهية.

صك(و)=رشفةxك|و(x)|،{\displaystyle p_{K}(f)=\sup _{x\in K}|f(x)|,}

أينك{\displaystyle K}تتراوح على مجموعات فرعية مضغوطة منX{\displaystyle X}، تحضيرج(X){\displaystyle C(X)}إلى مساحة فريشيه .

لأي مجموعةX{\displaystyle X}، المساحة(X){\displaystyle \ell ^{\infty }(X)}جميع الدوال الحقيقية أو المركبة المحدودة علىX{\displaystyle X}، مجهز بالمعيار الأعلى و=رشفةxX|و(x)|،{\displaystyle \|f\|_{\infty }=\sup _{x\in X}|f(x)|,} وهو أيضًا فضاء باناخ. التقارب في هذا المعيار هو بالضبط تقارب منتظم علىX{\displaystyle X}المعيار الأعلى علىج(X){\displaystyle C(X)}لمساحة صغيرةX{\displaystyle X}موروث من معيار{\displaystyle \ell ^{\infty }}، لذاج(X)(X){\displaystyle C(X)\subset \ell ^{\infty }(X)}هو فضاء فرعي مغلق.

لو(X،μ){\displaystyle (X,\mu )}هو مساحة قياس، الفضاءل(X،μ){\displaystyle L^{\infty }(X,\mu )}من الدوال القابلة للقياس والمحدودة أساسًا علىX{\displaystyle X}بالإضافة إلى المعيار الأعلى الأساسيو=essupxX|و(x)|{\displaystyle \|f\|=\operatorname {esssup} _{x\in X}|f(x)|}بالنسبة للعديد من الفضاءات ذات الأهمية العملية، مثل المجموعات الفرعية المدمجة من الفضاء الإقليدي والفضاءات الطوبولوجية المدمجة، فإن مقياس بوريل الطبيعي يُضمّنج(X){\displaystyle C(X)}إلى فضاء فرعي مغلق منل(X،μ){\displaystyle L^{\infty }(X,\mu )}في هذه الحالات، يكون المعيار الذي يُعطي التقارب المنتظم هو نفسه المعيار الذي يُعطي التقارب المنتظم.ل{\displaystyle L^{\infty }}المعيار، ولذلك يُطلق عليه اسمل{\displaystyle L^{\infty }}معيار.

تقارب شبه منتظم

إذا كان مجال الدوال هو فضاء قياس E ، فيمكن تعريف المفهوم المرتبط به وهو التقارب شبه المنتظم . نقول إن متتالية من الدوال(ون){\displaystyle (f_{n})}يتقارب بشكل شبه منتظم على E إذا كان لكلدلتا>0{\displaystyle \delta >0}توجد مجموعة قابلة للقياسهـدلتا{\displaystyle E_{\delta }}بقياس أقل مندلتا{\displaystyle \delta }بحيث يكون تسلسل الدوال(ون){\displaystyle (f_{n})}يتقارب بانتظام علىهـهـدلتا{\displaystyle E\setminus E_{\delta }}بمعنى آخر، يعني التقارب شبه المنتظم وجود مجموعات ذات قياس صغير بشكل تعسفي تتقارب فيها سلسلة الدوال بشكل منتظم على مكملها.

لاحظ أن التقارب شبه المنتظم لمتتالية لا يعني بالضرورة تقاربها المنتظم في كل مكان تقريبًا، كما قد يُفهم من الاسم. مع ذلك، تضمن نظرية إيغوروف أنه على فضاء قياس منتهٍ، فإن متتالية الدوال التي تتقارب في كل مكان تقريبًا تتقارب أيضًا بشكل شبه منتظم على المجموعة نفسها.

التقارب شبه المنتظم يعني التقارب في كل مكان تقريبًا والتقارب في القياس .

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. ^ سورنسن، هنريك كراج (2005). “الاستثناءات والأمثلة المضادة: فهم تعليق هابيل على نظرية كوشي”. تاريخ الرياضيات . 32 (4): 453-480 . دوى : 10.1016/j.hm.2004.11.010 .
  2. يانكه، هانز نيلز (2003). "6.7 أسس التحليل في القرن التاسع عشر: فايرشتراس" . تاريخ التحليل . مكتبة الجمعية الأمريكية للتحليل. ص 184. ISBN  978-0-8218-2623-2.
  3. لاكاتوس، إيمري ( 1976). البراهين والتفنيدات . مطبعة جامعة كامبريدج. ص 141. ISBN  978-0-521-21078-2.
  4. 1 2 رودين، والتر (1976). مبادئ التحليل الرياضي، الطبعة الثالثة، النظرية 7.17. ماكجرو هيل: نيويورك.

مراجع

  • كونراد كنوب ، نظرية وتطبيق المتسلسلات اللانهائية ؛ بلاكي وأبناؤه، لندن، 1954، أعيد طبعه بواسطة منشورات دوفر، رقم ISBN 0-486-66165-2.
  • جي إتش هاردي ، السير جورج ستوكس ومفهوم التقارب المنتظم ؛ وقائع الجمعية الفلسفية في كامبريدج ، 19 ، ص  148-156 (1918)
  • بورباكي ؛ عناصر الرياضيات: الطوبولوجيا العامة. الفصول 5-10 (غلاف ورقي) ؛ رقم ISBN 0-387-19374-X
  • والتر رودين ، مبادئ التحليل الرياضي ، الطبعة الثالثة، ماكجرو هيل، 1976.
  • جيرالد فولاند ، التحليل الحقيقي: التقنيات الحديثة وتطبيقاتها، الطبعة الثانية، جون وايلي وأولاده، 1999، رقم ISBN 0-471-31716-0.
  • ويليام ويد، مقدمة في التحليل ، الطبعة الثالثة، بيرسون، 2005

"التقارب المنتظم" ، موسوعة الرياضيات ، دار نشر EMS ، 2001 [1994]

  • أمثلة بيانية على التقارب المنتظم لمتسلسلات فورييه من جامعة كولورادو