|
|
|
@@ -141,7 +141,7 @@ |
|
|
|
$f_n\colon [0,2] \to \R$, $f_n(x) \coloneqq \frac{1}{n} \sin \left( 2\pi n \cdot x \right) $ konvergiert |
|
|
|
gleichmäßig gegen $f(x) = 0$. |
|
|
|
\[ |
|
|
|
| \sin(2 \pi n \cdot x) | \le 1 \quad \forall x \in R \implies |
|
|
|
| \sin(2 \pi n \cdot x) | \le 1 \quad \forall x \in \R \implies |
|
|
|
f_n(x) \xrightarrow{n \to \infty} 0 \quad \forall x \in [0,2] \implies \text{punktweise Konvergenz} |
|
|
|
.\] Sei nun $\epsilon > 0$, dann $\exists N \in \N$ mit $\frac{1}{N} < \epsilon$. Damit folgt |
|
|
|
\[ |
|
|
|
@@ -197,10 +197,10 @@ |
|
|
|
Es sei $D = [a,b]$ und $f\colon [a,b] \to \R$ stetig. Dann gilt |
|
|
|
\begin{enumerate}[(i)] |
|
|
|
\item $(f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig gegen $f \colon [a,b] \to \R |
|
|
|
\iff \Vert f_n - f \Vert_\infty \to 0$, $n \to \infty$ |
|
|
|
\iff \Vert f_n - f \Vert_\infty \xrightarrow{n \to \infty} 0$. |
|
|
|
\item Cauchy-Kriterium: $(f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig auf $[a,b] |
|
|
|
\iff \forall \epsilon > 0$ $\exists N_0 \in \N$, s.d. $\forall n, m \ge N_0$ gilt |
|
|
|
$\Vert f_n - f_m \Vert_{\infty} < \epsilon$ |
|
|
|
$\Vert f_n - f_m \Vert_{\infty} < \epsilon$. |
|
|
|
\end{enumerate} |
|
|
|
\end{satz} |
|
|
|
|
|
|
|
@@ -280,7 +280,7 @@ |
|
|
|
Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^{b} f$? |
|
|
|
|
|
|
|
\begin{satz} |
|
|
|
Seien $f_n \colon [a,b] \to R$ stetige Riemann-integrierbare Funktionen und $f\colon [a,b] \to \R$ |
|
|
|
Seien $f_n \colon [a,b] \to \R$ stetige Riemann-integrierbare Funktionen und $f\colon [a,b] \to \R$ |
|
|
|
mit $\Vert f_n - f \Vert_\infty \xrightarrow{n \to \infty} 0$ (gleichmäßige Konvergenz). Dann gilt |
|
|
|
$f$ stetig und Riemann-integrierbar und |
|
|
|
\[ |
|
|
|
@@ -296,7 +296,7 @@ Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^ |
|
|
|
\begin{align*} |
|
|
|
\left| \int_{a}^{b} f_n(x) dx - \int_{a}^{b} f(x) dx\right| &= \left| \int_{a}^{b} (f_n(x) - f(x))dx\right|\\ |
|
|
|
&\le \int_{a}^{b} |f_n(x) - f(x)| dx\\ |
|
|
|
&\le \max_{x \in [a,b]} |f_n(x) - f(x)| \cdot (a-b)\\ |
|
|
|
&\le \max_{x \in [a,b]} |f_n(x) - f(x)| \cdot (b-a)\\ |
|
|
|
&=\underbrace{\norm{f_n - f}_\infty}_{\xrightarrow{n \to \infty} 0}\underbrace{(b-a)}_{\text{beschränkt}}. |
|
|
|
\end{align*} |
|
|
|
\end{proof} |
|
|
|
@@ -304,32 +304,32 @@ Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^ |
|
|
|
\begin{satz}\label{permutesumint} |
|
|
|
Seien $f_n \colon [a,b] \to \R$ stetige Funktionen $(n \in \N)$ und die Reihe |
|
|
|
$\sum_{n=0}^{\infty} f_n$ konvergiere gleichmäßig auf $[a,b]$, d.h. die Folge der Partialsummen |
|
|
|
$(\sum_{n=0}^{N} f_n)_{n\in\N}$ sei gleichmäßig konvergent. Dann gilt: |
|
|
|
$(\sum_{k=0}^{n} f_k)_{n\in\N}$ sei gleichmäßig konvergent. Dann gilt: |
|
|
|
\[ |
|
|
|
f(x) \coloneqq \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \quad \forall x \in [a,b] |
|
|
|
.\] ist stetig und Riemann-integrierbar und |
|
|
|
\begin{align*} |
|
|
|
\int_{a}^{b} f(x) dx &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx \\ |
|
|
|
\int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx |
|
|
|
\int_{a}^{b} f(x) \d x &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) \d x \\ |
|
|
|
\int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \d x &= \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) \d x |
|
|
|
,\end{align*} d.h. die Reihe wird gliedweise integriert. |
|
|
|
\end{satz} |
|
|
|
|
|
|
|
\begin{proof} |
|
|
|
$f_n$ sind stetig $\implies \sum_{n=0}^{N} f_n(x)$ stetig und Riemann-integrierbar. |
|
|
|
$f_n$ sind stetig $\implies \sum_{k=0}^{n} f_k(x)$ stetig und Riemann-integrierbar. |
|
|
|
|
|
|
|
Die Folge der Partialsummen $(\sum_{n=0}^{N} f_n)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig, d.h. |
|
|
|
Die Folge der Partialsummen $(\sum_{k=0}^{n} f_k)_{n\in\N}$ konvergiert gleichmäßig, d.h. |
|
|
|
\[ |
|
|
|
f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \text{ stetig } = \lim_{n \to \infty} \left( \sum_{n=0}^{N} f_n(x) \right) \text{ gleichmäßiger Limes} |
|
|
|
f(x) = \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \text{ stetig } = \lim_{n \to \infty} \left( \sum_{k=0}^{n} f_k(x) \right) \text{ gleichmäßiger Limes} |
|
|
|
.\] Es gilt |
|
|
|
\[ |
|
|
|
\int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx = |
|
|
|
\sum_{n=0}^{N} \int_{a}^{b} f_n(x) dx + \int_{a}^{b} \sum_{n=N+1}^{\infty} f_n(x) dx |
|
|
|
\int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \d x = |
|
|
|
\sum_{n=0}^{N} \int_{a}^{b} f_n(x) \d x + \int_{a}^{b} \sum_{n=N+1}^{\infty} f_n(x) \d x |
|
|
|
.\] Die Reihe konvergiert gleichmäßig, d.h. $\forall \epsilon > 0$ $\exists N_{\epsilon} \in \N$, s.d. |
|
|
|
$\forall N \ge N_{\epsilon}$ gilt |
|
|
|
\begin{align*} |
|
|
|
&\left| \int_{a}^{b} \sum_{n=N+1}^{\infty} f_n(x) dx \right| \le \epsilon \cdot (b-a) \\ |
|
|
|
\implies &\left| \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx - \sum_{n=0}^{N} \int_{a}^{b} f_n(x) dx \right| \le \epsilon \\ |
|
|
|
\implies& \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) dx = \lim_{N \to \infty} \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx = \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) dx |
|
|
|
&\left| \int_{a}^{b} \sum_{n=N+1}^{\infty} f_n(x) \d x \right| \le \epsilon \cdot (b-a) \\ |
|
|
|
\implies &\left| \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \d x - \sum_{n=0}^{N} \int_{a}^{b} f_n(x) \d x \right| \le \epsilon \cdot (b-a)\\ |
|
|
|
\implies& \int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} f_n(x) \d x = \lim_{N \to \infty} \sum_{n=0}^{N} \int_{a}^{b} f_n(x) \d x = \sum_{n=0}^{\infty} \int_{a}^{b} f_n(x) \d x |
|
|
|
.\end{align*} |
|
|
|
\end{proof} |
|
|
|
|
|
|
|
@@ -338,7 +338,7 @@ Wichtige Frage: Wenn $f_n \to f$, gilt dann auch $\int_{a}^{b} f_n \to \int_{a}^ |
|
|
|
Dann konvergiert $\sum_{n=0}^{\infty} a_n (x - x_0)^{n}$ in jedem Intervall |
|
|
|
$[x_0 - r, x_0 + r]$ für $0 < r < \rho$ gleichmäßig und für $[a,b] \subset \;]x_0 - \rho, x_0 + \rho[$ gilt |
|
|
|
\[ |
|
|
|
\int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} a_n(x - x_0)^{n} dx = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_n}{n+1}(x-x_0)^{n+1} |
|
|
|
\int_{a}^{b} \sum_{n=0}^{\infty} a_n(x - x_0)^{n} \d x = \sum_{n=0}^{\infty} \frac{a_n}{n+1}(x-x_0)^{n+1} |
|
|
|
\Big|_{a}^{b} |
|
|
|
.\] |
|
|
|
\end{korollar} |
|
|
|
|