ANALISI REALE E COMPLESSA a.a

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1 ANALISI REALE E COMPLESSA Successioni e serie di funzioni 1.1 Introduzione In questo cpitolo studimo l convergenz di successioni del tipo n f n, dove le f n sono tutte funzioni vlori reli (o complessi), definite in uno stesso dominio D (spesso un intervllo di R). In primo luogo dobbimo definire cos si intende per convergenz; cpiremo (ci limiteremo d un cso) che le definizioni dte sono dello stesso tipo di quelle dte per l convergenz delle successioni di numeri reli, sono cioè bste su un opportuno concetto di intorno di un funzione, o meglio su un concetto di pll, o disco, centrt in un funzione simile quello di intervllo centrto in un numero rele. Dopo le definizioni di convergenz e i reltivi esempi, psseremo studire quli proprietà si conservno l limite. Dimostreremo per esempio che sotto lcune ipotesi il limite degli integrli [risp. derivte] è l integrle [risp. derivt] del limite. Osservimo infine che un serie di funzioni è un cso prticolre di successione di funzioni gicché l successione delle ridotte è un successione di funzioni llo stesso modo in cui un serie è un cso prticolre di successione. 1.2 Definizioni di convergenz Convergenz puntule Definizione 1 Sino D un insieme non vuoto, f n : D C, n IN, e f : D C funzioni. Si dice che l successione di funzioni {f n } converge puntulmente f in D se, per ogni x D, l successione numeric {f n (x)} h per limite f(x). Si dice che l serie di funzioni n f n converge puntulmente f se l successione delle ridotte { n k=0 f k} converge putulmente f. L ggettivo puntule signific che l successione converge per ogni punto del dominio. Si potrebbe ricondurre questo tipo di convergenz llo schem generle del concetto di limite, definendo un fmigli di intorni per un funzione f; ciò esul dgli scopi del nostro corso. Esempi. 1) Si f n : R R, x n. Quest successione di funzioni non h limite puntule in R, perché per x > 1 e per x = 1, x n non converge. Invece in ] 1, 1] converge puntulmente. Inftti, come già visto, lim n xn = { 0 per x < 1 1 per x = 1. Posto f(1) = 1, f(x) = 0 per x < 1, l successione {f n } converge puntulmente f in ] 1, 1]. Osservimo che, pur essendo le f n continue per ogni n, il limite puntule f è discontinuo. 1

2 2) Ponimo e n x, x R. Non è difficile verificre che f n converge puntulmente in R ll funzione f così definit: { 0 per x 0 f(x) = 1 per x = 0. 3) Ponimo { n per 0 < x < 1/n 0 ltrove. Allor {f n } converge puntulmente in R f 0 (dimostrrlo!!). Idem per l successione di funzioni (dett doppietto ) n per 1/n < x < 0 n per 0 < x < 1/n 0 ltrove. 4) Anche l successione {n sin(x/n)} converge puntulmente in R ( cos?). 5) Si ϕ : R R un funzione derivbile. Considerimo l successione di funzioni definite d n(ϕ(x + 1 n ) ϕ(x)). È chiro che l successione (f n ) n IN è puntulmente convergente e si h lim f n(x) = dϕ n + dx (x). 6) Disegnre il grfico e studire l convergenz puntule dell successione di funzioni n 2 (x + 1/n) per 1/n < x < 0 n 2 (1/n x) per 0 < x < 1/n 0 ltrove. Esercizio. Si (f n ) n IN un successione di funzioni crescenti venti f come limite puntule. Provre che f è crescente. Uno dei principli intenti nel definire l convergenz di successioni di funzioni è quello di fre in modo che proprietà importnti verificte d tutte le funzioni dell successione sino mntenute nche dll funzione limite. Come si vede dll esercizio precedente, l monotoni viene effettivmente mntenut l limite. Quest è nche un delle pochissime proprietà rispettt dl limite puntule. Vedimo inftti il seguente esempio. Esempio. Considerimo l successione di funzioni dte d x x n 2

3 Verificre che il limite puntule dell successione (f n ) n IN è { 1 lim f per x 0 n(x) = f(x) := x 3 n + 0 x = 0. Trccire il grfico di f e delle f n e verificre che ciscun delle funzioni f n è limitt, continu, derivbile (nzi di clsse C ), integrbile in senso generlizzto su R. Invece il limite puntule non è limitto, nè continuo, nè loclmente integrbile. L esempio precedente motiv l ricerc di un definizione di limite divers d quello puntule, per un successione di funzioni. Convergenz uniforme Definizione 2 Sino D un insieme non vuoto, f n : D C, n IN, e f : D C funzioni. Si dice che l successione di funzioni (f n ) n IN converge uniformemente f (in simboli, f n f) in D se lim f(x) f n (x) = 0. sup n Si dice che l serie n f n converge uniformemente f se l successione delle ridotte converge uniformemente f. È ovvimente essenzile cpire l differenz fr convergenz puntule ed uniforme. In primo luogo è evidente che Proposizione 1 Se un successione di funzioni converge uniformemente f in D, llor converge f puntulmente in D. Inftti, f n converge puntulmente d f in D, se e solo se lim f(x) f n(x) = 0 per ogni x D ; n tuttvi, come vedremo, non necessrimente lim sup f(x) f n (x) = 0. n Più precismente, un modo per esprimere l convergenz puntule in D è il seguente: ε > 0, x D, n ε,x : n > n ε,x = f(x) f n (x) < ε ; l scrittur n ε,x evidenzi che n ε,x dipende si d ε che d x. Un modo per esprimere l convergenz uniforme, invece, è (per l definizione di limite): ε > 0, n ε : n > n ε = f(x) f n (x) < ε x D. L differenz consiste quindi nel ftto che, nel secondo cso, n ε non dipende d x, è cioè uniforme rispetto d x D. L definizione di convergenz uniforme può essere ricondott llo schem noto di limite con gli intorni. Si può definire come intorno (per l topologi 3

4 dell convergenz uniforme) di un funzione f ogni insieme che conteng, per qulche ε > 0, un insieme del tipo { g : D R : sup g(x) f(x) < ε }. Il significto geometrico dell insieme precedente è chirito dll figur seguente: di tle insieme fnno prte tutte le funzioni il cui grfico pprtiene d un tubo di semimpiezz ε, centrto nel grfico di f (v. l figur nel testo p. 12). Mostrimo come ci poss effettivmente essere convergenz puntule senz che quell uniforme bbi luogo. Esempio. L successione x n non converge uniformemente in ] 1, 1] e neppure in ] 1, 1[. Converge, invece, uniformemente 0 in [, b] per ogni coppi, b con 1 < < b < 1. Dll Proposizione 1 ricvimo che, se vi è convergenz uniforme, l funzione limite deve coincidere con il limite puntule f. Clcolimo llor sup f(x) f n (x) = sup x n = 1 per ogni n IN. x ] 1,1] x ] 1,1[ Ovvimente ciò dice che non vi è convergenz uniforme. Invece l convergenz uniforme in [, b] h luogo, perché sup x [,b] x n = ( mx{, b } ) n 0. Esercizi vri. Studire l convergenz puntule ed uniforme delle seguenti successioni di funzioni: x 1 + nx 2, g n(x) = nx 1 + nx. Svolgimento. È evidente che f n (x) 0 per ogni x R. Per controllre l convergenz uniforme, cerchimo il sup di f n (x), x R cioè il mssimo fr sup f n e inf f n. Con fcili clcoli si ottiene che il mssimo è rggiunto in 1/ n e il minimo in 1/ n. Il mssimo di f n è 1/(2 n) 0; f n converge uniformemente in R ll costnte 0. Per qunto rigurd g n, osservimo che converge puntulmente ll funzione segno, cioè 1 per x < 0 sign(x) = 0 per x = 0 1 per x > 0. Per studire l convergenz uniforme in R dobbimo quindi trovre sup g n (x) sign(x). x R Non è difficile dimostrre che tle sup è 1 (si osservi nche che il sup non è un mssimo; ciò non deve stupire, perché l funzione di cui trovre l estremo superiore non è continu, e l insieme non è limitto). L successione quindi non converge uniformemente in R. Provre che invece converge uniformemente nel complementre di ogni intervllo perto che contiene l origine. 4

5 Osservzione. Nell risoluzione degli esercizi sull convergenz uniforme, può essere utile notre che, se f : D R è un funzione, llor sup f(x) = sup = mx{sup mx{f(x), f(x)} = mx{sup f(x), inf f(x)}. f(x), sup f(x)} Proposizione 2 (Criterio per l convergenz uniforme di un successione di funzioni) Sino (f n ) n IN un successione di funzioni in D ed f il suo limite puntule. Se esiste un successione infinitesim ( n ) n IN in R tle che llor f n f in D. f n (x) f(x) n, per ogni x D, L dimostrzione del criterio è immedit e si lsci per esercizio. Vle comunque l pen di sottolinerlo perchè f notre come per provre l convergenz uniforme non si necessrio clcolre esplicitmente i sup f n (x) f(x), m si sufficiente trovrne un stim con un successione infinitesim. Esempio. Considerimo l successione (f n ) n IN ove sin (nx+x2 ) n. È chiro che lim n + 0 per ogni x R ed inoltre f n (x) 1 n, dunque l successione (f n) n IN converge uniformemente. Il clcolo esplicito di sup x R f n (x) potrebbe invece sembrre più lborioso. Un importnte ed utile criterio per l convergenz uniforme delle serie di funzioni è il seguente: Teorem 1 (Criterio di Weierstrss) Sino f n : D R (o C) funzioni e sino c n numeri reli positivi. Se, per ogni n IN vle f n (x) c n x D e l serie c n converge, llor l serie f n converge uniformemente in D. Un serie di funzioni che soddisf le ipotesi del teorem precedente si dice spesso un serie totlmente convergente. Il criterio di Weierstrss si esprime llor dicendo che l convergenz totle implic l convergenz uniforme. Dimostrzione. Per il criterio del confronto, l serie f n (x) converge ssolutmente e quindi converge, per ogni x D; chimimo f l su somm puntule e ponimo C = c n. Dobbimo mostrre che l successione delle ridotte converge uniformemente f. Si h n sup f(x) f k (x) = sup f k (x) sup k=0 k=n+1 f k (x) 5 k=n+1 k=n+1 c k = C n c k. k=0

6 L ultim espressione tende ovvimente 0 per n. L dimostrzione è conclus. Il precedente criterio h molte ppliczioni. Studimo dpprim l serie geometric. Esempio. Ricordimo che l serie z n, z C, n=0 converge puntulmente 1/(1 z) in {z C : z < 1}. In tle insieme non converge uniformemente. Inftti 1 n sup 1 z z k = sup z n+1 1 z = +. z <1 k=0 Usndo il criterio di Weierstrss si vede subito che l serie geometric converge uniformemente in {z C : z r} per ogni 0 < r < 1, perché in tle insieme z n r n, ed essendo r < 1, r n < +. Esercizi. 1) Provre che l serie esponenzile converge uniformemente in {z C : z r} per ogni r > 0. 2) Provre che per ogni α > 1 l serie converge uniformemente in R. n=1 1.3 Teoremi di pssggio l limite z <1 sin nx n α I seguenti risultti contengono condizioni sufficienti ffinché lcune proprietà dei termini di un successione di funzioni si conservino l limite; lcuni fr gli esercizi finli mostrno come, in ssenz di ipotesi, tli proprietà non sino in generle più verificte. Il primo teorem rigurd l continuità del limite uniforme di funzioni continue. Teorem 2 Sino D un sottoinsieme non vuoto di R, f n : D C, n IN, e f : D C funzioni. Se tutte le f n sono continue in x 0 D e f n f uniformemente in D, llor nche f è continu in x 0. Dimostrzione. Fissimo ε > 0. Per l convergenz uniforme, esiste n IN tle che si h, per ogni x I, f(x) f n (x) < ε/3. Per l continuità di f n, esiste δ > 0 tle che x x 0 < δ = f n (x) f n (x 0 ) < ε/3. Ne segue che, per x x 0 < δ si h f(x) f(x 0 ) f(x) f n (x) + f n (x) f n (x 0 ) + f n (x 0 ) f(x 0 ) ε/3 + ε/3 + ε/3 = ε. L dimostrzione è conclus. 6

7 Il precedente risultto può essere usto negli esercizi nche per dimostrre che un successione di funzioni continue non converge uniformemente in un certo intervllo. Ad esempio, si vede subito che l successione geometric non converge uniformemente in ] 1, 1], perché il limite puntule è discontinuo in 1. Tuttvi l continuità del limite puntule non dà nessun informzione sull convergenz uniforme negli intervlli chiusi strettmente contenuti in ] 1, 1]. Teorem 3 (Pssggio l limite sotto il segno di integrle) Si (f n ) n IN un successione di funzioni definite nell intervllo [, b] tle che f n f. Se ogni f n è integrbile secondo Riemnn in [, b], nche f è Riemnn integrbile in [, b] e si h f(x) dx = lim n + f n (x) dx. Dimostrzione. Provimo il risultto solo nel cso in cui le funzioni f n dell successione sino continue. Sppimo llor che nche il loro limite uniforme f è un funzione continu e quindi Riemnn integrbile nell intervllo chiuso e limitto [, b]. Per le proprietà dell integrle su intervlli orientti scrivimo or l stim b f(x) dx f n (x) dx = (f(x) f n (x)) dx f(x) f n (x) dx sup f(z) f n (z) dx = b sup f(x) f n (x), x [,b] z [,b] d cui segue il risultto per definizione di convergenz uniforme. Osservzione. Fccimo notre che l dimostrzione del teorem precedente verific in reltà il ftto che lim n + f(x) f n (x) dx = 0. Teorem 4 (Pssggio l limite sotto il segno di derivt) Si (f n ) n IN un successione di funzioni derivbili definite nell intervllo [, b]. Se esistono un funzione g : [, b] R, x o [, b] e λ R tli che df n dx g e lim n + f n(x o ) = λ, llor l successione (f n ) n IN converge uniformemente d un funzione f : [, b] R derivbile e tle che d dx lim f n = df n + dx = g = lim df n n + dx. Perciò f è quell primitiv f : [, b] R di g tle che f(x o ) = λ. Se in prticolre le funzioni f n sono di clsse C 1, llor g è continu e quindi f(x) = λ + x 0 g(t) dt. 7

8 Dimostrzione. Provimo il risultto solo nel cso in cui le funzioni f n dell successione sino di clsse C 1. Per il teorem fondmentle del clcolo possimo llor scrivere f n (x o ) + x o f n(t) dt, per ogni x [, b]. (1) Per il Teorem di pssggio l limite sotto il segno di integrle, ottenimo dunque il limite puntule lim f n(x) = λ + g(t) dt =: f(x), n + x o che definisce un funzione f : [, b] R, integrle indefinito di g. Poichè per il Teorem 2 l funzione g è continu, possimo llor ffermre che f è derivbile (nzi di clsse C 1 ) e si h df dx = g. Provimo infine che l convergenz dell successione (f n ) n IN è in reltà uniforme. Usndo l definizione di f, l formul (1), l disuguglinz tringolre per il modulo e le proprietà dell integrle, scrivimo l stim seguente. f n (x) f(x) f n (x o ) λ + x o x f n (x o ) λ + g(t) dt x o (t) g(t) dt df x n (t) dt dx x o df n dx f n (x o ) λ + b sup df n (z) g(z). z [,b] dx Poichè il termine ll destr delle disuguglinze non dipende d x [, b] ed è quindi mggiornte dell insieme { f n (x) f(x) : x [, b]}, concludimo llor che sup f n (x) f(x) f n (x o ) λ + b sup df n (z) g(z), x [,b] z [,b] dx dove ncor il termine destr è infinitesimo per n +, per le nostre ipotesi. Possimo llor concludere per definizione di convergenz uniforme. I teoremi di pssggio l limite per le successioni di funzioni possono essere riformulti per le serie di funzioni. Si h quindi, in prticolre, Teorem 5 Si {f n } un successione di funzioni continue d [, b] in R tle che l serie di funzioni n=1 f n converge S uniformemente in [, b]. Allor: 1) S è continu in [, b]; 2) S(x) dx = n=1 f n(x) dx. Esercizio. L funzione e x2 non h, com è noto, un primitiv esprimibile elementrmente. Clcolimone lo sviluppo in serie di McLurin. Si h e x2 = n=0 8 ( 1) n x2n n!,

9 e l serie converge uniformemente (provrlo) in ogni intervllo limitto. Si h perciò, per il teorem del pssggio l limite sotto il segno di integrle, 0 e t2 dt = = ( 1) n n=0 0 t 2n n! dt ( 1) n x 2n+1 (2n + 1)n!. n=0 1.4 Esercizi vri 1) (Tem d esme di Anlisi Mtemtic I, luglio 95) Si consideri l successione di funzioni rctn[(x + 1) n ], x R : ) se ne studi l convergenz puntule; b) si dimostri che converge uniformemente in [ 1, 1/2]; c) si clcoli 1/2 lim n 1 f n (x) dx. 2) Dimostrre che l successione x 2 + 1/n converge uniformemente in R ll funzione x. Osservre che l funzione limite non è derivbile; cioè l convergenz uniforme dell successione non è sufficiente d ssicurre l derivbilità del limite. Si consideri or l successione g n (x) = sin (n2 x) n. Se ne clcoli il limite puntule g e si provi che è uniforme. Si dic se g n converge puntulmente g. 3) Dimostrre che l successione { n per 0 < x < 1/n 0 ltrove non converge uniformemente in [0, 1]. Dimostrre che non h luogo il pssggio l limite sotto il segno di integrle; osservre, quindi, che l convergenz puntule non è sufficiente per ssicurre tle pssggio l limite. 4) Dimostrre che l successione di funzioni n log(1+x/n) converge uniformemente ( cos?) in ogni intervllo del tipo [, ], > 0. 5) Si consideri l successione di funzioni sin(nx)e nx x 0. Trovrne il limite puntule f e dimostrre che non h luogo l convergenz uniforme in [0, + [. È vero che f n f puntulmente? Si pss l limite sotto il segno di integrle in ogni intervllo del tipo [0, ]? 9

10 6) Dt l successione di funzioni f n : R \ [ 1, 0] R, dove ( ( log 1 + x)) 1 n. (i) Determinre l insieme di convergenz D R \ {0} ed il limite puntule f : D R. (ii) C è convergenz uniforme di f n d f su D? convergenz uniforme in ], ] D? o lmeno, fissto < sup D, si h 7) Si k un numero nturle fissto. Si dimostri che se α > k + 1 l serie di funzioni n=1 converge in R d un funzione di clsse C k. 8) Si pong Si(x) = sin nx n α 0 sin t t (seno integrle di x). Si di per noto lo sviluppo in serie di Mc Lurin sin t t = dt ( 1) n t 2n (2n + 1)!. n=0 Si clcoli lo sviluppo in serie di McLurin di Si( ), giustificndo tle clcolo medinte i teoremi di convergenz per le serie di funzioni. 9) (Dl compito del 16/12/2004) Si consideri l successione di funzioni f n (t) = n n χ [ n 2, n] (t), n IN. Si studi l convergenz puntule e uniforme in R di {f n (t)}. Svolgimento. Per ogni t fissto, f n (t) è definitivmente costnte ed ugule 0. Perciò f n converge puntulmente in R ll funzione null. Siccome mx t R f n (t) = n n +, non c è convergenz uniforme. 10) (Dl compito del 20/9/2005) Si {f n }, n IN, n > 0 l successione di funzioni così definit { sin x x per 1/n x n, 0 ltrimenti. Si f(x) = { sin x x per x 0, 0 ltrimenti. Stbilire se l successione f n converge f puntulmente o uniformemente in R. 11) (Adttto dl compito dell ) Si f n l successione definit d f n (t) = χ Pn (t), P n = [2, ] [3, ]... [n, n + 1 ], t R, n 2. n2 10

11 1. Disegnre il grfico di f n (ricordre che χ A ( ) indic l funzione crtteristic di un insieme A); 2. studire l convergenz puntule e uniforme dell successione f n in R; 3. studire l convergenz uniforme dell successione f n in [0, R], per ogni R > 0 fissto. 12) (Dl compito del ) Si studino l convergenz puntule ed uniforme in R dell successione di funzioni nxe n x. 13) (Dl compito del ) Si dt l successione di funzioni { f n }n 1 definit d { (tnh x) e x n se x > 0, e n se x 0, (si ricordi che tnh x = sinh x/ cosh x). 1. Si clcoli il limite puntule di { f n }n 1 per n Si verifichi se { f n }n 1 converge uniformemente in R oppure in [ 1, 1]. 11