逐點收斂

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在数学中,逐点收敛(或称简单收敛)描述的是一列函数向一个特定函数趋近的现象中的一种。简单来说,就是对定义域里的每一点,这个函数列在这点上的取值都趋于一个极限值。这时,被趋近的这个特定函数称作函数列的逐点极限。在各种收敛中,逐点收敛最为直观,容易想象,但不能很好地保持函数的一些重要性质,比如说连续性等等。




目录





  • 1 定义


  • 2 性质


  • 3 拓扑性质


  • 4 测度论


  • 5 参见




定义


(fn)displaystyle (f_n)(f_n)是一列拥有同样定义域的函数。(fn)displaystyle (f_n)(f_n)逐点收敛当且仅当存在函数fdisplaystyle ff,使得对定义域中的每个xdisplaystyle xx,都有:


limn→∞fn(x)=f(x)displaystyle lim _nrightarrow infty f_n(x)=f(x)lim _nrightarrow infty f_n(x)=f(x)

这时我们就说(fn)displaystyle (f_n)(f_n)逐点收敛到fdisplaystyle ff



性质


与逐点收敛经常一起出现的一个概念是一致收敛。后者的定义如下:



(fn)displaystyle (f_n)(f_n)一致收敛到 fdisplaystyle ff 当且仅当在定义域Idisplaystyle II

limn→∞supfn(x)−f(x)=0displaystyle lim _nrightarrow infty ,sup:xin I,=0lim _nrightarrow infty ,sup:xin I,=0

相比较下,一致收敛是一个更“强”的概念。一致收敛的函数列必然逐点收敛,反之则不尽然。一个简单的例子是开区间(0,1)displaystyle (0,1)(0,1)上的函数列fn:x⟼xndisplaystyle f_n:xlongmapsto x^nf_n:xlongmapsto x^n(fn)displaystyle (f_n)(f_n)逐点收敛到函数f:x⟼0displaystyle f:xlongmapsto 0f:xlongmapsto 0,但并不一致收敛到0,因为



limn→∞supfn(x)−f(x)=1displaystyle lim _nrightarrow infty ,sup:xin (0,1),=1lim _nrightarrow infty ,sup:xin (0,1),=1

一致收敛能够保持函数列的连续性,但逐点收敛不能。例如,上述函数fn:x⟼xndisplaystyle f_n:xlongmapsto x^nf_n:xlongmapsto x^n在闭区间[0,1]displaystyle [0,1][0,1]上连续,但是 (fn)displaystyle (f_n)(f_n) 逐点收敛到的函数 fdisplaystyle fffdisplaystyle ff[0,1)displaystyle [0,1)[0,1)上取值为0,在1上取值为1,fdisplaystyle ff不是连续函数。


(fn)displaystyle (f_n)(f_n)中函数的取值可以是实数,也可以是任何使得其定义有意义的拓扑空间。一致收敛函数的适用范围则相对较小,只能在一个度量空间中定义,因为定义中使用到了距离的概念。



拓扑性质


逐点收敛也可以理解为由半范数||f||x=|f(x)|.||f||_x=|f(x)|.,建立的拓扑。具有这种拓扑的函数组成的空间叫做逐点收敛空间。这个拓扑与乘积拓扑是等价的。如果fdisplaystyle ff的定义域和值域都是紧致的,根据吉洪诺夫定理,这个空间也是紧致的。



测度论


在测度理论中,对一个可测空间上的可测函数有几乎处处收敛的概念,也就是说几乎处处逐点收敛。叶戈罗夫定理说明,在有限测度的集合上几乎处处逐点收敛,意味着在稍微较小的集合上一致收敛。



参见


  • 一致收敛

  • 拓扑空间

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