\chapter{函数列与函数项级数} \section{函数项级数} \begin{definition}[函数项级数] 设 \[u_1(x), u_2(x), \dots, u_n(x), \dots\] 是定义在区间$[a, b]$上的一列函数,称 \begin{equation*}\label{函数项级数定义} \sum_{n = 1}^\infty u_n(x) = u_1(x) + u_2(x) + \dots + u_n(x) + \dots \end{equation*} 是$[a, b]$上的一个函数项级数。 使函数项级数收敛的点的集合称为收敛点集(收敛域),即 \[D = \left\{x_0 \in [a, b] \mid \sum_{n = 1}^\infty u_n(x_0)\text{收敛}\right\}\] 设$[a, b]$是\eqref{函数项级数定义}的收敛点集。对$[a, b]$中每一点$x$,级数$\sum u_n(x)$都有一个确定的和,记为$S(x)$,那么 \[S(x) = \sum_{n = 1}^\infty u_n(x), x \in [a, b]\] 是确定在$[a, b]$上的一个函数,称为\eqref{函数项级数定义}的和函数。 \end{definition} 问题:无限和函数的性质(连续性、可积性、可微性)是否与有限项和相同?具体来讲, \begin{enumerate} \item 若每个$u_n(x) \in C(I)$,是否有$S(x) \in C(I)$?即$\tolim{x}{x_0} \sum u_n(x) = \sum \tolim{x}{x_0} u_n(x)$是否成立? \item 若每个$u_n(x) \in R(i)$,是否有$S(x) \in R(I)$?即$\int \left(\sum u_n(x)\right) \dif x = \sum \int u_n(x) \dif x$是否成立? \item 若每个$u_n(x) \in C^1 (I)$,是否有$S(x) \in C^1(I)$?即$\left(\sum u_n(x)\right)^\prime = \sum u_n^\prime(x)$是否成立? \end{enumerate} \section{一致收敛} \begin{definition} 设函数列$\{f_n\}$在点集$I$(可以是区间,也可以不是区间)上收敛于$f$。如果对任意给定的正数$\varepsilon$,都有与$x$无关的正整数$N(\varepsilon)$存在,使得当$n > N(\varepsilon)$时,不等式 \[\abs{f_n(x) - f(x)} < \varepsilon\] 对$I$中的一切$x$都成立,就说函数列$\{f_n\}$在$I$上一致收敛于$f$。 \end{definition} \begin{theorem}[Cauchy准则] $\{f_n\}$在$x \in I$上一致收敛等价于对任意的$\varepsilon > 0$,总存在不依赖于$x$的$N(\varepsilon)$满足对任意的$n > N, p \in \naturalnum$,对任意的$x \in I$有 \[\abs{f_{n + p}(x) - f_n(x)} < \varepsilon\eqper\] \end{theorem} \begin{definition} 对函数列$S_n(x) = \dsum_{k = 1}^n f_k(x)$,若$\{S_n(x)\}$在$x \in I$上一致收敛到$S(x)$,则称$\dsum_{n = 1}^\infty f_n(x)$在$x \in I$上一致收敛到$S(x)$。 \end{definition} 下面的定理是判断级数一致收敛的最常用的方法。 \begin{theorem}[Weierstrass判别法] 如果存在收敛的正项级数$\dsum_{n = 1}^\infty a_n$,使得在区间$I$上有不等式 \[\abs{u_n(x)} \leq a_n, n = 1, 2, \dots\] 那么级数$\dsum_{n = 1}^\infty u_n(x)$在区间$I$上一致收敛。 \end{theorem} 定理中的$\sum a_n$称为$\sum u_n(x)$的强级数/优级数/控制级数。这个定理是一致收敛的充分条件,它不是必要条件。 \begin{example} \[\sum_{n = 1}^\infty \frac{x^n}{n!} = 1 + \frac{x}{1!} + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \dots, D = (-\infty, +\infty)\] \end{example} \begin{proof} 对任意的$M > 0$,$\sum \frac{M^n}{n!}$是$\sum \frac{x^n}{n!}$在$[-M, M]$上的收敛强级数; 应用D'Alembert比值判别法可知$\sum \frac{M}{n!}$是收敛级数。由Weierstrass判别法知$\sum \frac{x^n}{n!}$在$[-M, M]$上一致收敛。 因此和函数$S(x) \in C[-M, M]$,而由$M$的任意性可知$S(x) \in C(-\infty, +\infty)$。 \end{proof} \begin{definition} 设$\{f_n\}$是定义在区间$I$上的函数列,如果对于每一个$x \in I$,都有正数$M(x)$,使得$f_n(x) \leq M(x)$对$n = 1, 2, \dots$成立,则称函数列$\{f_n\}$在$I$上逐点有界。注意这里的$M(x)$是随$x$变化的。如果我们能找到一个常数$M$,使得 \[\abs{f_n(x)} \leq M, n = 1, 2, \dots\] 对一切$x \in I$成立,就称函数列$\{f_n\}$在$I$上一致有界。 \end{definition} \begin{theorem}[Dirichlet判别法] 如果级数$\dsum_{n = 1}^\infty a_n(x) b_n(x)$满足下面两个条件: \begin{enumerate} \item $\{b_n(x)\}$对于每一个固定的$x$都单调,且在区间$I$上一致收敛于0; \item 级数$\dsum_{n = 1}^\infty a_n(x)$的部分和在$I$上一致有界,即 \[\abs{\sum_{k = 1}^n a_k(x)} \leq M, x \in I, n = 1, 2, \dots\text{;}\] \end{enumerate} 那么级数$\dsum_{n = 1}^\infty a_n(x) b_n(x)$在$I$上一致收敛。 \end{theorem} \begin{theorem}[Abel判别法] 如果级数$\dsum_{n = 1}^\infty a_n(x) b_n(x)$满足下面两个条件: \begin{enumerate} \item $\{b_n(x)\}$对于每个固定的$x$都是单调的,并且在$I$上一致有界,即 \[\abs{b_n(x)} \leq M, x \in I, n = 1, 2, \dots\text{;}\] \item 级数$\dsum_{n = 1}^\infty a_n(x)$在$I$上一致收敛; \end{enumerate} 那么级数$\dsum_{n = 1}^\infty a_n(x) b_n(x)$在$I$上一致收敛。 \end{theorem} \section{和函数的性质} \begin{theorem}[和函数的连续性] 若下列条件成立,则$S \in C(I)$: \begin{enumerate} \item $u_n \in C(I), n = 1, 2, \dots$, \item $\dsum_{n = 1}^\infty u_n(x)$在$I$上一致收敛。 \end{enumerate} \end{theorem} \begin{theorem}[和函数的可积性] 设$\dsum_{n = 1}^\infty u_n(x)$在$I$上一致收敛于和函数$S(x)$。令$[a, b] \subset I$, $u_n \in R[a, b], n = 1, 2, \dots$,则$S \in R[a,b]$,且 \[\int_a^b S(x) \dif x = \sum_{n = 1}^\infty \int_a^b u_n(x) \dif x\eqper\] \end{theorem} \begin{proof} 欲证和函数可积,即证和函数有界且间断点是零测集。 有界:级数一致收敛于和函数,因此存在$n_0 \in \naturalnum, \sup \limits_{x \in [a,b]} \abs{\dsum_{k = n_0 + 1}^\infty u_k(x)} \leq 1$,也即 \[\sup \limits_{x \in [a,b]} \abs{S(x) - S_{n_0}(x)} \leq 1\] 因此 \[\sup \limits_{x \in [a,b]} \abs{S(x)} \leq 1 + \sup \limits_{x \in [a,b]} \abs{S_{n_0}(x)} = M\eqper\] 零测:每个$u_n$的间断点都是零测集,可数多个零测集的并集还是零测集,$Dis(x) \subset \bigcup \limits_{n = 1}^\infty Dis(u_n)$。 再证逐项积分等式\[\int_a^b S(x) \dif x = \sum_{n = 1}^\infty \int_a^b u_n(x) \dif x\] 考虑 \begin{align*} \int_a^b S(x) \dif x & = \int_a^b \left[\sum_{k = 1}^n u_k(x) + \sum_{k = n + 1}^\infty u_k(x)\right]\dif x\\ & = \sum_{k = 1}^n \int_a^b u_k(x) \dif x + \int_a^b \left[\sum_{k = n + 1}^\infty u_k(x)\right]\dif x \end{align*} 这导出 \[\abs{\int_a^b S(x) \dif x - \sum_{k = 1}^n \int_a^b u_k(x) \dif x} \leq \int_a^b \abs{\sum_{k = n + 1}^\infty u_k(x)} \dif x\] 由一致收敛性,对任意的$\varepsilon > 0$,存在$n_0 \in \naturalnum$,使得对于任意的$n > n_0$,$\sup \limits_{x \in [a,b]} \abs{\dsum_{k = n + 1}^\infty u_k(x)} < \dfrac{\varepsilon}{b - a}$,因此 \[\abs{\int_a^b S(x) \dif x - \sum_{k = 1}^n \int_a^b u_k(x) \dif x} \leq \int_a^b \frac{\varepsilon}{b - a} \dif x = \varepsilon\eqper\qedhere\] \end{proof} \begin{theorem}[和函数可微性] 设$u_n \in C^1 (I), n = 1, 2, \dots$,$\sum u_n^\prime (x)$在区间$I$上一致收敛,如果$\sum u_n(x)$在某$c \in I$收敛,则 \begin{enumerate} \item $\sum u_n(x)$在$I$上处处收敛; \item $S(x) = \sum u_n(x) \in C^1(I)$,且$S^\prime (x) = \sum u_n^\prime (x)$。 \end{enumerate} \end{theorem} \begin{proof} 记$T(x) = \dsum_{n = 1}^\infty u_n^\prime(x)$。由和函数的连续性,得$T \in C(I)$。由逐项积分性质,对于任意的$x \in I$,有 \[\int_c^x T(t) \dif t = \sum_{n = 1}^\infty \int_c^x u_n^\prime (t) \dif t = \sum_{n = 1}^\infty [u_n(x) - u_n(c)] = \sum_{n = 1}^\infty u_n(x) - \sum_{n = 1}^\infty u_n(c)\] 因此 \[\sum_{n = 1}^\infty u_n(x) = \sum_{n = 1}^\infty u_n(c) + \int_c^x T(t) \dif t\] 收敛,即 \[S(x) = \sum_{n = 1}^\infty u_n(x) = \sum_{n = 1}^\infty u_n(c) + \int_c^x T(t) \dif t\] 由变上限积分求导公式 \[\deriv{S}(x) = \frac{\dif}{\dif x}\left[\sum_{n = 1}^\infty u_n(c) + \int_c^x T(t) \dif t\right] = T(x) = \sum_{n = 1}^\infty u_n^\prime (x)\] \end{proof} 最后,注意$T \in C(I)$,因此$S \in C^1(I)$。 \section{幂级数及其收敛域} \begin{definition}[幂级数] 形如 \[\sum_{n = 1}^\infty a_n (x - x_0)^n = a_0 + a_1 (x - x_0) + a_2 (x - x_0)^2 + a_3 (x - x_0)^3 + \dots\] 的级数称为幂级数。其中$\{a_n\}$称为系数数列,$x_0 \in \realnum$固定,$x \in \realnum$为函数自变量。 为了简化起见,一般只研究$x_0 = 0$的情形。对于其它的情况,做平移$y = x - x_0$即可。 \end{definition} \begin{theorem}[Abel第一定理] 考虑幂级数$\dsum_{n = 0}^\infty a_n(x - x_0)^n$。 \begin{enumerate} \item 如果在$x = x_1$幂级数收敛,则对于所有的$\abs{x - x_0} < \abs{x_1 - x_0}$,$\dsum_{n = 0}^\infty a_n (x - x_0)^n$绝对收敛; \item 如果在$x = x_2$幂级数发散,则对与所有的$\abs{x - x_0} > \abs{x_2 - x_0}$,$\dsum_{n = 0}^\infty a_n (x - x_0)^n$发散。 \end{enumerate} \end{theorem} \begin{proof} 只需证1。一致$\dsum_{n = 0}^\infty a_n (x_1 - x_0)^n$收敛,不妨令$x_1 \neq x_0$。取$\abs{x - x_0} < \abs{x_1 - x_0}$,考察 \[\abs{a_n(x - x_0)^n} = \abs{a_n (x_1 - x_0)^n \frac{(x - x_0)^n}{(x_1 - x_0)^n}} \leq \abs{a_n (x_1 - x_0)^n} \cdot \abs{\frac{x - x_0}{x_1 - x_0}}^n\] 收敛级数的通项趋于零,因此存在$M > 0$,使得对任意的$n$,有$\abs{a_n (x_1 - x_0)^n} \leq M$。那么 \[\abs{a_n (x - x_0)^n} \leq Mh^n, h = \abs{\frac{x - x_0}{x_1 - x_0}} < 1\] 应用比较判别法可得$\dsum_{n = 1}^\infty a_n(x - x_0)^n$绝对收敛。 \end{proof} \begin{corollary} 以$\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$为例 \begin{enumerate} \item $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x_0^n$收敛,则$\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$在$(-\abs{x_0}, \abs{x_0})$上点点绝对收敛; \item $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x_0^n$发散,则$\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$在$\abs{x} > \abs{x_0}$上点点发散; \item 存在$\rho \in [0, +\infty]$使得$\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$在$(-\rho, \rho)$上点点绝对收敛,在$\abs{x} > \rho$上点点发散,称此$\rho$为幂级数的收敛半径; \item $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x_0^n$收敛,则$\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$的收敛半径$\rho \geq \abs{x_0}$; \item $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x_0^n$发散,则$\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$的收敛半径$\rho \leq \abs{x_0}$; \item $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x_0^n$条件收敛,则$\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$的收敛半径$\rho = \abs{x_0}$; \item $\dsum_{n = 1}^\infty a_n x^n, \dsum_{n = 0}^\infty b_n x^n$的收敛半径分别为$\rho_1, \rho_2$,则 \[\begin{cases} \sum_{n = 0}^\infty (a_n + b_n)x^n\text{的收敛半径}\rho \geq \min \{\rho_1, \rho_2\} \text{;}\\ \sum_{n = 0}^\infty a_n b_n x^n\text{的收敛半径}\rho \geq \rho_1 \rho_2\eqper \end{cases}\] \end{enumerate} \end{corollary} \begin{theorem}[Abel第二定理] $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$在其收敛区间的端点$x = \rho$(或$x = -\rho$)收敛,则对任意的$0 < r < \rho$,该级数在$[-r, \rho]$(或$[-\rho, r]$)上一致收敛。 \end{theorem} \begin{remark} \begin{enumerate} \item $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$的收敛域为区间,且形如$(-\rho, \rho), (-\rho, \rho], [-\rho, \rho), [-\rho, \rho], (-\infty, +\infty)$或$\{0\}$; \item $\dsum_{n = 0}^\infty a_n x^n$在其收敛域上内闭一致收敛。 \end{enumerate} \end{remark} \section{幂级数的收敛半径} 下面主要讨论幂级数的收敛半径的计算方法。 第一种方法是利用柯西根式判别法。考察 \[\tolim{n}{\infty} \sup \sqrt[n]{\abs{a_n (x - x_0)^n}} = \tolim{n}{\infty} \sup \sqrt[n]{\abs{a_n}} \abs{x - x_0}\] 只要极限小于1即收敛。 第二种方法是利用D'Alembert比值判别法。考察 \[\tolim{n}{\infty} \abs{\frac{a_{n + 1} (x - x_0)^{n + 1}}{a_n (x - x_0)^n}} = \tolim{n}{\infty} \abs{\frac{a_{n + 1}}{a_n}} \abs{x - x_0}\] 只要极限小于1即收敛。 综合起来,即为 \begin{enumerate} \item 设$\tolim{n}{\infty} \sup \sqrt[n]{\abs{a_n}} = \rho$,则 \(R = \dfrac{1}{\rho} \begin{cases} \rho = 0 \Leftrightarrow R = +\infty\\ \rho = +\infty \Leftrightarrow R = 0 \end{cases}\); \item 如果$\tolim{n}{\infty} \abs{\frac{a_{n + 1}}{a_n}} = \rho$,则 \(R = \dfrac{1}{\rho} \begin{cases} \rho = 0 \Leftrightarrow R = +\infty\\ \rho = +\infty \Leftrightarrow R = 0 \end{cases}\)。 \end{enumerate} \section{幂级数的光滑性} \begin{proposition}[内闭一致收敛] 设$\dsum_{n = 0}^\infty a_n (x - x_0)^n$的收敛半径为$R > 0$。那么对任意的$r \in (0, R)$,幂级数在$\abs{x - x_0} \leq r$上一致收敛。 \end{proposition} \begin{proposition} 给定幂级数$\dsum_{n = 0}^\infty a_n (x - x_0)^n$,设其收敛半径为$R > 0$,则在$\abs{x - x_0} < R$内,其和函数有任意阶导数且,各项逐项求导后$\dsum_{n = 0}^\infty na_n (x - x_0)^{n - 1}$与逐项积分后$\dsum_{n = 0}^\infty \dfrac{a_n}{n + 1} (x - x_0)^{n + 1}$的级数的收敛半径不变。 \end{proposition} \section{函数的幂级数展开} 问题:给定某个区间上的函数$f:(x_0 - R, x_0 + R) \to \realnum$,它是否可以表示为幂级数 \[f(x) = \sum_{n = 0}^\infty a_n (x - x_0)^n, \abs{x - x_0} < R\text{?}\] 我们可以很容易地得到两个上式成立的必要条件。首先,由幂级数无穷阶可导的性质,可以得到 \[f \in C^\infty (x_0 - R, x_0 + R)\] 其次,在求$m$阶导后令$x = x_0$,我们有 \[a_m = \frac{f^{(m)}(x_0)}{m!}, m = 1, 2, \dots\] \begin{definition}[Taylor级数与Maclaurin级数] 设函数$f(x)$在$x = x_0$点有任意阶导数,记 \[f(x) \sim \sum_{n = 0}^\infty \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!}(x - x_0)^n\] 称为$f(x)$在$x = x_0$点的Taylor级数。 特别当$x_0 = 0$时,级数 \[\sum_{n = 0}^\infty \frac{f^{(n)}(0)}{n!} x^n\] 也称为$f$的Maclaurin级数。 \end{definition} 现在的问题变成了,对于能写出对应Taylor级数的函数,它的Taylor级数是否收敛到函数本身? \begin{theorem} 设$f \in C^\infty (x_0 - R, x_0 + R)$,且存在$M > 0$使得对任意的$\abs{x - x_0} < R$,都有在$n$充分大时$\abs{f^{(n)}(x)} \leq M$,那么$f$能在$(x_0 - R, x_0 + R)$中展开为Taylor级数。 \end{theorem} \begin{proof} 回忆函数的Taylor多项式展开,若$f \in C^\infty (x_0 - R, x_0 + R)$,那么对任意的$N = 1, 2, \dots$,有 \[f(x) = \sum_{n = 0}^N \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!} (x - x_0)^n + R_N(x)\] 因此只需证明在定理条件下有 \[\tolim{n}{\infty} R_n(x) = 0, x \in (x_0 - R, x_0 + R)\] 利用Lagrange余项可得 \begin{align*} \abs{R_n(x)} & = \abs{\frac{f^{(n + 1)}(\xi)}{(n + 1)!} (x - x_0)^{n - 1}}\\ & \leq M \frac{\abs{x - x_0}^{n + 1}}{(n + 1)!} \leq M \frac{R^{n + 1}}{(n + 1)!} \to 0 \eqper \qedhere \end{align*} \end{proof} \begin{example} 基本初等函数的Maclaurin展开。 \begin{enumerate} \item $e^x = \dsum_{n = 0}^\infty \frac{x^n}{n!} = 1 + \frac{x}{1!} + \frac{x^2}{2!} + \frac{x^3}{3!} + \dots, \abs{x} < +\infty$。 \item $\sin x = \dsum_{k = 0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k + 1)!}x^{2k + 1} = x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \frac{x^7}{7!} + \dots, \abs{x} < +\infty$。 \item $\cos x = \dsum_{k = 0}^\infty \frac{(-1)^k}{(2k)!}x^{2k} = 1 - \frac{x^2}{2!} + \frac{x^4}{4!} - \frac{x^6}{6!} + \dots, \abs{x} < +\infty$。 \item \begin{align*} (1 + x)^a & = 1 + \dsum_{n = 1}^\infty \frac{a(a - 1) \dots (a - n + 1)}{n!} x^n\\ & = 1 + \frac{ax}{1!} + \frac{a(a - 1)x^2}{2!} + \frac{a(a - 1)(a - 2)x^3}{3!} + \dots, \abs{x} < 1 \eqper \end{align*} \item 已知$(1 + t)^{-1} = \dsum_{n = 0}^\infty (-1)^n t^n = 1 - t + t^2 - t^3 + t^4 - \dots, \abs{t} < 1$。逐项积分(从0到$x$),得到 \[\ln (1 + x) \sum_{n = 0}^\infty \frac{(-1)^n}{n + 1} x^{n + 1} = x - \frac{x^2}{2} + \frac{x^3}{3} - \frac{x^4}{4} + \dots, \abs{x} < 1 \eqper\] \end{enumerate} \end{example} 现在考虑另一个问题:如果我们仅知函数$f(x)$在$x = x_0$点有任意阶导数,那么 \begin{enumerate} \item 其Taylor级数$\dsum_{n = 0}^\infty \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!} (x - x_0)^n$的收敛域如何? \item 在收敛域内是否有$f(x) = \dsum_{n = 0}^\infty \frac{f^{(n)}(x_0)}{n!} (x - x_0)^n$? \end{enumerate} \begin{example} 求$S(x) = \dsum_{n = 1}^\infty \dfrac{(-1)^{n + 1}}{n (2n - 1)} x^{2n}$的收敛域与和函数。 \end{example} \begin{proof}[解] $\rho = 1$,收敛域为$[-1, 1]$。 \begin{align*} \deriv{S}(x) & = 2 \sum_{n = 1}^\infty \frac{(-1)^{n + 1}}{2n - 1} x^{2n - 1}, x \in (-1, 1)\\ S^{\prime \prime}(x) & = 2 \sum_{n = 1}^\infty (-1)^{n + 1} x^{2n - 2} = 2 \sum_{n = 1}^\infty (-x^2)^{n - 1}\\ & = \frac{2}{1 + x^2}, \forall x \in (-1, 1)\\ \deriv{S}(0) & = S(0) = 0\\ \deriv{S}(x) & = 2\arctan x\\ S(x) & = 2x \arctan x - \ln (1 + x^2), x \in [-1, 1]\eqper \qedhere \end{align*} \end{proof}