الرياضيات · المسرد

ما معنى تقارب ناظمي؟

تعريف 10.9 الرياضيات الجامعية — السنة 2 · الفصل 10 — متتاليات الدوال ومتسلسلاتها

تتقارب متسلسلة دوال un\sum u_n نقطيًا أو بانتظام حين تتقارب مجاميعها الجزئية كذلك. وتتقارب ناظميًا (على XX) حين يكون un<\sum \norm{u_n}_\infty < \infty. ويستلزم التقارب الناظمي التقاربَ المنتظم (في فضاء باناخ للدوال المحدودة: المبرهنة 5.21)، الذي يستلزم النقطي؛ والاستلزامان تامّان.

أمثلة

مثال 10.10 (متسلسلة واحدة، وثلاثة أحكام)

لنأخذ un(x)=xnnu_n(x) = \frac{x^n}{n} على [0,1)\intco{0}{1}. نقطيًا: تتقارب من أجل كل x[0,1)x \in \intco01 (بالمقارنة مع المتسلسلة الهندسية). ناظميًا على [0,a]\intcc{0}{a}، مع a<1a < 1: un,[0,a]=ann\norm{u_n}_{\infty,\intcc0a} = \frac{a^n}{n}، وهي قابلة للجمع. وليست ناظمية على [0,1)\intco{0}{1}: un,[0,1)=1n\norm{u_n}_{\infty,\intco01} = \frac1n، و1n\sum\frac1n تتباعد. وليست حتى منتظمة على [0,1)\intco{0}{1}: إذ يقاوم الباقي قرب 11،

RN(x)=n>Nxnnn=N+12NxnnNx2N2N=x2N2x112,R_N(x) = \sum_{n>N}\frac{x^n}{n} \geq \sum_{n=N+1}^{2N}\frac{x^n}{n} \geq \frac{N\,x^{2N}}{2N} = \frac{x^{2N}}{2} \xrightarrow[x\to1^-]{} \frac12 ,

ومن ثم sup[0,1)RN12\sup_{\intco01}\abs{R_N} \geq \frac12 من أجل كل NN. والفكرة الختامية: تتعايش الأحكام الأربعة بسلام — فالمجموع ln(1x)-\ln(1-x) متصل على [0,1)\intco{0}{1} لأن الاتصال لا يحتاج إلا الانتظام قرب كل نقطة، أي على القطع [0,a]\intcc0a؛ والانفجار عند الحافة حقٌّ للمجموع.

مثال 10.13 (دالة ريمان ζ\zeta)

تتقارب ζ(s)=n1ns\zeta(s) = \sum_{n\geq1} n^{-s} ناظميًا على كل نصف مستقيم [a,+)\intco{a}{+\infty}، مع a>1a > 1 (لأن ns=na\norm{n^{-s}}_\infty = n^{-a}، وهي قابلة للجمع): ومن ثم فإن ζ\zeta متصلة على (1,+)\intoo{1}{+\infty}؛ وبالاشتقاق حدًّا حدًّا (فالمتسلسلة المشتقة lnn  ns\sum -\ln n\; n^{-s} تتقارب ناظميًا هي أيضًا على [a,)\intco{a}{\infty})، تكون ζ\zeta من الصنف C1C^1 — وبالتكرار، من الصنف CC^\infty — مع ζ(s)=lnnns\zeta'(s) = -\sum \frac{\ln n}{n^s}. ولاحظ الانضباط: يُتحقَّق من التقارب الناظمي على أنصاف المستقيمات الجزئية، لا على المفتوح (1,)\intoo{1}{\infty} نفسه، حيث يفشل.

مثال 10.14 (متسلسلة لوغاريتمية، منفَّذة إلى النهاية)

لتكن F(x)=n1enxnF(x) = \sum_{n\geq1} \frac{\eu^{-nx}}{n} على (0,)\intoo{0}{\infty}. وكل حدّ محدود على [δ,)\intco{\delta} \infty بالمقدار enδnenδ\frac{\eu^{-n\delta}}{n} \leq \eu^{-n\delta}، وهو حدّ متسلسلة هندسية متقاربة: فالتقارب ناظمي على كل [δ,)\intco\delta\infty، ومن ثم فإن FF متصلة على (0,)\intoo{0}{\infty}. والمتسلسلة المشتقة enx\sum -\eu^{-nx} متقاربة ناظميًا كذلك على [δ,)\intco\delta\infty (enx,[δ,)=enδ\norm{\eu^{-nx}}_{\infty,\intco\delta\infty} = \eu^{-n\delta})، ومن ثم فإن FF من الصنف C1C^1 بمشتق هندسي:

F(x)=n1enx=ex1ex=1ex1.F'(x) = -\sum_{n\geq1}\eu^{-nx} = \frac{-\eu^{-x}}{1 - \eu^{-x}} = \frac{-1}{\eu^{x} - 1} .

وبالتكرار، تكون FF من الصنف CC^\infty. وبمكاملة FF' (فكلٌّ من FF وxln(1ex)x \mapsto -\ln(1 - \eu^{-x}) ينعدم عند ++\infty ولهما المشتق نفسه على (0,)\intoo0\infty):

F(x)=ln(1ex),F(x) = -\ln\bigl(1 - \eu^{-x}\bigr),

وهي المتسلسلة اللوغاريتمية عند t=ext = \eu^{-x}. والفكرة الختامية: حين x0+x \to 0^+، F(x)=ln(x+O(x2))=ln1x+O(x)F(x) = -\ln(x + O(x^2)) = \ln\frac1x + O(x) — فتتباعد المتسلسلة لوغاريتميًا عند الحدّ، تمامًا مثل المتسلسلة التوافقية التي تصيرها عند x=0x = 0؛ والتقارب الناظمي على [δ,)\intco\delta\infty دون (0,)\intoo0\infty هو العَرَض.

اقرأ في الفصل ←