a.a. 2015/2016 Laurea triennale in Fisica Analisi Matematica III Successioni e serie di funzioni Nota: questo file differisce da quello proiettato in aula per la sola impaginazione. Considerazioni introduttive Sia A ⊂ R. Per ogni n ∈ N, sia fn : A → R. (Vedremo caso più generale) Fissato x ∈ A, • la successione di numeri reali {fn (x)} converge oppure no? • la serie di termine fn (x) converge oppure no? In generale, la risposta dipende da x . Esempio: fn (x) = x n 1 Sia A ⊂ R. Per ogni n ∈ N, sia fn : A → R. Supponiamo che A0 := x ∈ A | {fn (x)} converge sia un insieme non vuoto. La funzione f : A0 → R definita ponendo f (x) := lim fn (x) n→∞ per ogni x ∈ A0 si chiama limite (puntuale) della successione {fn }. Supponiamo che A00 := x ∈ A | la serie di termine fn (x) converge sia un insieme non vuoto. La funzione S : A00 → R definita ponendo ∞ X S(x) := fn (x) per ogni x ∈ A00 n=0 si chiama somma (puntuale) della serie di termine fn . Quali sono il limite e la somma della serie di termine fn (x) = x n ? 2 Esempi ↓ sulle serie torneremo più avanti Determinare il limite puntuale della successione {fn } definita ponendo fn (x) = r 1 2 3 x2 1 + n (n + x)3 n3 + 1 x 1 + n x2 4 (x 2 + 3−n ) ln(x 2 + 3−n ) 5 | arctan(x − n) | 6 xn n2 + x 2 7 ln(1 + x 2n ) n+3 8 9 arctan(x 2n ) xn x 2n arcsin x 2n + 1 3 10 11 12 0 n 1/x x ∈ (−∞, 0] x ∈ (0, 1/n] x ∈ (1/n, +∞) 2 1 − n2 x − 2 n 0 n (cos(x) + 1) n+1 0 sin(nx) 13 0 1 3 x∈ , n n altrimenti x ∈ [(2n − 1)π, (2n + 1)π] altrimenti h π πi x ∈ π− ,π+ n n altrimenti 4 Problema generale Se le singole fn hanno certe proprietà (limitatezza, continuità, integrabilità, derivabilità), cosa si può dire su f e S ? Che legame c’è tra limite di integrali e integrale del limite, oppure somma della serie di integrali e integrale della somma della serie? E per le derivate? In generale, non si può dire molto! 5 Esempi • Una successione di funzioni limitate che ha per limite una funzione non limitata: 10 • Una serie di funzioni limitate che ha per somma una funzione non limitata: P x n , x ∈ (−1, 1) • Una successione di funzioni continue che ha per limite una funzione non continua: x n , x ∈ [0, 1] • Una serie di funzioni continue che ha per somma una funzione non continua: X x2 , x ∈R (1 + x 2 )n Osservazione Il problema della continuità della funzione limite si riduce al problema della inversione nell’ordine dei limiti, che in generale non è lecita. m Esempio: sm,n = , m, n ∈ N∗ m+n 6 • Una successione di funzioni derivabili che ha per limite una funzione non derivabile: 1 • Una successione di funzioni derivabili tali che la successione delle derivate non converge alla derivata della funzione limite: sin(n x) 3 oppure √ n • Una successione di funzioni Riemann-integrabili tali che la successione degli integrali non converge all’integrale del limite: np x (1 − x 2 )n , x ∈ [0, 1] (p ≥ 1) • Una serie di funzioni Riemann-integrabili che ha per somma una funzione non Riemann-integrabile: 1 x = xn 0 x ∈ [0, 1] \ {xn } con {xn } enumerazione dei numeri razionali di [0, 1]. 7 Osservazione Gli esempi mostrano che la convergenza puntuale è troppo “debole” per garantire che le proprietà delle singole funzioni si conservino nel passaggio al limite. Esaminiamo più da vicino la nozione di convergenza puntuale . . . Esempio Esplicitare la convergenza in termini di ε e ν per la successione fn (x) = x n , x ∈ [0, 1]. Come sopra, ma con x ∈ [0, a] per a ∈ (0, 1). 8 Convergenza puntuale e convergenza uniforme Sia A ⊂ R. Per ogni n ∈ N, sia fn : A → R. Sia f : A → R. La successione {fn } converge puntualmente a f se: per ogni x ∈ A e per ogni ε > 0 esiste νε,x ∈ N tale che per ogni n ∈ N, con n ≥ νε,x , si ha |fn (x) − f (x)| < ε. Diciamo che la successione {fn } converge uniformemente a f in A se: per ogni ε > 0 esiste νε ∈ N tale che per ogni n ∈ N, con n ≥ νε , si ha |fn (x) − f (x)| < ε per ogni x ∈ A. Equivalentemente: per ogni ε > 0 esiste νε ∈ N tale che per ogni n ∈ N, con n ≥ νε , si ha sup |fn (x) − f (x)| < ε. x∈A Equivalentemente: lim sup |fn (x) − f (x)| = 0. n x∈A 9 Esempio Verificare che la successione fn (x) = x n • non converge uniformemente in [0, 1]; • converge uniformemente in [0, a] per qualsiasi a ∈ (0, 1). 10 Teorema (convergenza uniforme e limitatezza) Sia A ⊂ R. Per ogni n ∈ N, sia fn : A → R una funzione limitata. Se {fn } converge uniformemente in A, allora la funzione limite è limitata. Dimostrazione . . . Teorema (convergenza uniforme e continuità) Sia A ⊂ R. Per ogni n ∈ N, sia fn : A → R una funzione continua. Se {fn } converge uniformemente in A, allora la funzione limite è continua. Dimostrazione . . . Osservazione “pratica” Se una successione di funzioni funzione limitate converge puntualmente a una continue non limitata si può escludere che la convergenza sia uniforme. non continua Esempio: x n 11 Esercizio Studiare la convergenza uniforme delle successioni degli esempi r 1 1 x2 + n 0 x ∈ (−∞, 0] x 3 10 n x ∈ (0, 1/n] 1 + n x2 1/x x ∈ (1/n, +∞) 5 | arctan(x − n) | Osservazione Sia A un sottoinsieme di R (in generale, di uno spazio metrico). Sia x̄ ∈ A punto di accumulazione di A. Sia f : A → R continua in x̄ . Allora: sup f (x) = sup f (x) x∈A\{x̄} Verifica . . . x∈A 12 Teorema (passaggio al limite sotto il segno di integrale) Per ogni n ∈ N, sia fn : [a, b] → R una funzione Riemann-integrabile. Se {fn } converge uniformemente in [a, b], allora la funzione limite f è Riemann-integrabile e si ha Z b Z b fn (x) dx = f (x) dx. lim n a a Dimostrazione . . . Vale anche per funzioni integrabili in senso generalizzato su intervalli illimitati? Controesempi. . . Esempio Utilizzando il teorema di passaggio al limite sotto il segno di integrale, calcolare Z π −nx 2 e +n lim dx. n 3n + 1 0 13 Osservazione Per garantire il “passaggio al limite sotto il segno di derivata” la convergenza uniforme non è sufficiente. Esempi: r 1 x sin(nx) fn (x) = x 2 + fn (x) = fn (x) = √ n 1 + nx 2 n 14 Teorema (passaggio al limite sotto il segno di derivata) Per ogni n ∈ N, sia fn : [a, b] → R una funzione di classe C 1 . Supponiamo che: • esiste x0 ∈ [a, b] tale che {fn (x0 )} converge; • {fn0 } converge uniformemente in [a, b]. Allora: • {fn } converge uniformemente in [a, b]; • denotata con f la funzione limite di {fn }, si ha: • f è di classe C 1 in [a, b], • f 0 (x) = lim fn0 (x) per ogni x ∈ [a, b]. n Dimostrazione . . . Cosa si può dire per funzioni definite in un intervallo qualsiasi? 15 Osservazione Le conclusioni del teorema sono soddisfatte anche nell’ipotesi meno restrittiva che le funzioni fn siano derivabili in [a, b]. La dimostrazione poggia sul teorema di inversione dei limiti. Lo vedremo più avanti... forse. 16 Convergenza per successioni di funzioni a valori in uno spazio metrico Sia X un insieme qualsiasi e sia (Y , dY ) uno spazio metrico. Per ogni n ∈ N, sia fn : X → Y . Sia f : X → Y . Diciamo che la successione {fn } converge puntualmente a f in X se per ogni x ∈ X : lim dY fn (x), f (x) = 0. n Diciamo che la successione {fn } converge uniformemente a f in X se lim sup dY fn (x), f (x) = 0. n x∈X 17 Osservazioni Se {fn } converge puntualmente in X , allora per ogni x ∈ X la successione {fn (x)} soddisfa la condizione di Cauchy, cioè: per ogni x ∈ X e per ogni ε > 0 esiste νε,x ∈ N tale che per ogni n, m ∈ N, con n, m ≥ νε,x , si ha dY fn (x), fm (x) < ε. Se (Y , dY ) è completo vale anche l’implicazione contraria. Se {fn } converge uniformemente in X , allora soddisfa la condizione di Cauchy uniforme, cioè: per ogni ε > 0 esiste νε ∈ N tale che per ogni n, m ∈ N, con n, m ≥ νε , si ha dY fn (x), fm (x) < ε per ogni x ∈ X . Se (Y , dY ) è completo vale anche l’implicazione contraria. Dimostrazione . . . 18 Alcuni spazi funzionali Sia X un insieme qualsiasi e sia (Y , dY ) uno spazio metrico. Consideriamo l’insieme B(X , Y ) := f : X → Y | f è limitata . Definiamo d∞ : B(X , Y ) × B(X , Y ) → R+ ponendo d∞ (f , g ) := sup dy f (x), g (x) per ogni f , g ∈ B(X , Y ). x∈X • La funzione d∞ è una metrica. Verifica . . . • La convergenza nello spazio metrico B(X , Y ), d∞ è la convergenza uniforme. Supponiamo che anche (X , dX ) sia uno spazio metrico e consideriamo l’insieme Cb (X , Y ) := f ∈ B(X , Y ) | f è continua in X . • Se X è compatto, allora Cb (X , Y ) = C (X , Y ). • Cb (X , Y ) “eredita” la metrica d∞ definita in B(X , Y ). • Cb (X , Y ) è un insieme chiuso rispetto a d∞ . Verifica . . . 19 Teorema Se (Y , dY ) è uno spazio metrico completo, allora sono completi gli spazi metrici • B(X , Y ), d∞ , con X insieme qualsiasi; • Cb (X , Y ), d∞ , con X spazio metrico. Dimostrazione . . . Caso particolare Siano a, b ∈ R, con a < b . Lo spazio C ([a, b], R) =: C ([a, b]) è completo rispetto alla “metrica del sup”. (In effetti, del max.) 20 Consideriamo l’insieme C 1 ([a, b]) := f : [a, b] → R | f è derivabile con derivata continua . • C 1 ([a, b]) “eredita” da C ([a, b]) la metrica d∞ , rispetto alla quale non è completo. Giustificare . . . • La funzione d˜∞ definita ponendo d˜∞ (f , g ) := d∞ (f 0 , g 0 ) per ogni f , g ∈ C 1 ([a, b]) non è una metrica. Giustificare . . . • La funzione definita ponendo dC 1 (f , g ) := d∞ (f , g ) + d∞ (f 0 , g 0 ) per ogni f , g ∈ C 1 ([a, b]) è una metrica, rispetto alla quale lo spazio è completo. Verificare . . . • Generalizzazione a C k ([a, b]) . . . 21 Ulteriori osservazioni su C ([a, b]) • Una metrica alternativa Sia R([a, b]) l’insieme delle funzioni Riemann-integrabili in [a, b]. La funzione d1 definita ponendo Z b d1 (f , g ) = |f (x) − g (x)| dx per ogni f , g ∈ R([a, b]) a non è una metrica. Giustificare . . . La funzione d1 , ristretta a C ([a, b]) × C ([a, b]) è una metrica, rispetto alla quale C ([a, b]) non è completo. Giustificare . . . 22 • Questioni di compattezza In C ([a, b]), d∞ esistono insiemi chiusi e limitati che non sono compatti. Esempio . . . In C ([a, b]), d∞ esistono successioni limitate che non ammettono successioni estratte convergenti. Esempio . . . Se {fn } ⊂ C ([a, b]) è una successione di funzioni equilimitate ed equicontinue, allora {fn } ha una estratta convergente uniformemente. (Teorema di Ascoli-Arzelà) 23