logo

均等収束の必要十分条件 📂解析学

均等収束の必要十分条件

定理1

距離空間 $E$で定義された関数列$\left\{ f_{n} \right\}$が与えられたとしよう。次の二つの条件は同値である。

  • $\left\{ f_{n} \right\}$が$E$上で一様収束する。
  • 全ての$\varepsilon>0$に対して、次の式を満たす自然数$N$が存在する。 $$ \begin{equation} \quad m,n\ge N,\ x\in E \implies \left| f_{n}(x)-f_{m}(x) \right| \le \varepsilon \end{equation} $$

説明

言い換えれば、全ての$x \in E$に対して$\left\{ f_{n}(x) \right\}$がコーシー列であることと、$\left\{ f_{n} \right\}$が$E$で一様収束することは同じことである。

証明

  • $(\implies)$

    $\left\{ f_{n} \right\}$が$f$に一様収束すると仮定しよう。すると定義により次の式を満たす自然数$N$が存在する。

    $$ n \le N, x\in E \implies \left| f_{n}(x)- f(x) \right| \le \frac{\varepsilon}{2} $$

    よって、$n,m\ge N$、$x\in E$に対して次の式が成り立つ。

    $$ \begin{align*} \left| f_{n}(x)-f_{m}(x) \right| &= \left| f_{n}(x)-f(x)+f(x)-f_{m}(x) \right| \\ &\le \left| f_{n}(x)-f(x) \right| + \left|f(x)-f_{m}(x) \right| \\ &\le \frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon \end{align*} $$

  • $(\impliedby)$

    仮定により$\left\{ f_{n}(x) \right\}$がコーシー列なので収束する。この極限を$f(x)$としよう。すると、$\left\{ f_{n} \right\}$は$E$で点ごとに$f$に収束する。

    ここで、この収束が一様収束であることを示せば証明が完了する。$\varepsilon >0$が与えられたとしよう。そして▻eq24◁を満たすような$N$を選ぼう。そして固定された$n$に対して$(1)$に$m \to \infty$として極限を取ろう。すると次が成り立つ。

    $$ \lim \limits_{m\to \infty}f_{m}(x)=f(x) $$

    よって、全ての$n\ge N$、$x\in E$に対して次が成り立つ。

    $$ \lim \limits_{m\to \infty}\left| f_{n}(x)-f_{m}(x) \right| =\left| f_{n}(x)-f(x) \right| \le \varepsilon $$

    したがって、$\left\{ f_{n} \right\}$は$f$に一様収束する。

定理2

距離空間$E$と$x \in E$について次が成立するとしよう。

$$ \lim \limits_{n\to \infty} f_{n}(x) =f(x) $$

$M_{n}$を次のように置く。

$$ M_{n}=\sup \limits_{x\in E}\left| f_{n}(x)-f(x) \right| $$

すると、次の二つの条件は同値である。

  • $\left\{ f_{n} \right\}$が$E$で$f$に一様収束する。

  • $\lim \limits_{n \to \infty}M_{n}=0$

説明

一様収束の定義を考えれば、同じことを別の言い方で書いているのと同じです。