Matemáticas · Glosario

¿Qué es convergencia puntual?

También llamado: convergencia uniforme

Definición 10.1 Matemáticas universitarias — Grado 2 · Capítulo 10 — Sucesiones y series de funciones

Sean fn,f ⁣:XRf_n, f \colon X \to \R (o C\C, o un espacio normado), con XX un conjunto cualquiera. (fn)(f_n) converge a ff puntualmente cuando fn(x)f(x)f_n(x) \to f(x) para todo xx, y uniformemente cuando

fnf=supxXfn(x)f(x)n0.\norm{f_n - f}_\infty = \sup_{x \in X}\, \abs{f_n(x) - f(x)} \xrightarrow[n \to \infty]{} 0 .

La convergencia uniforme implica la puntual; y sobre C([a,b])C(\intcc{a}{b}), la convergencia uniforme es exactamente la convergencia en el espacio de Banach (C([a,b]),)\bigl(C(\intcc{a}{b}), \norm\cdot_\infty\bigr) del Capítulo 5.

La sucesión xn sobre [0, 1]: las gráficas se hunden hacia 0, pero todas han de trepar hasta 1 en x = 1; la distancia del supremo al límite puntual discontinuo nunca baja de una constante.
La sucesión xnx^n sobre [0,1]\intcc{0}{1}: las gráficas se hunden hacia 00, pero todas han de trepar hasta 11 en x=1x = 1; la distancia del supremo al límite puntual discontinuo nunca baja de una constante.

Ejemplos

Ejemplo 10.2

Sobre [0,1]\intcc{0}{1}, fn(x)=xnf_n(x) = x^n converge puntualmente al límite discontinuo f=1{1}f = \mathbf{1}_{\{1\}}; la convergencia no es uniforme: fnffn(11n)=(11n)ne10\norm{f_n - f}_\infty \geq f_n\bigl(1 - \tfrac1n\bigr) = (1 - \tfrac1n)^n \to \eu^{-1} \neq 0. Sobre [0,a]\intcc{0}{a} con a<1a < 1 lo es (sup=an0\sup = a^n \to 0): la uniformidad es una propiedad del dominio tanto como de la sucesión.

Ejemplo 10.3 (Dos límites que se niegan a conmutar)

Todo el capítulo trata de intercambiar límites, así que he aquí el fallo más pequeño posible. Sea an,m=nn+ma_{n,m} = \dfrac{n}{n+m} para n,m1n, m \geq 1. Entonces

limm(limnan,m)=limm1=1,limn(limman,m)=limn0=0:\lim_{m\to\infty}\Bigl(\lim_{n\to\infty}a_{n,m}\Bigr) = \lim_{m\to\infty} 1 = 1, \qquad \lim_{n\to\infty}\Bigl(\lim_{m\to\infty}a_{n,m}\Bigr) = \lim_{n\to\infty} 0 = 0 :

ambos límites iterados existen y son distintos. Todo teorema de transferencia de este capítulo es una licencia para conmutar dos límites —limn\lim_n con limxa\lim_{x\to a} (continuidad), con \int (integración), con  ⁣d ⁣dx\frac{\dd}{\dd x} (derivación)—, y la convergencia uniforme es precisamente el peaje que legaliza la conmutación. Moraleja: siempre que una “demostración” intercambie en silencio dos operaciones de paso al límite, este cuadro de dos líneas es el contraejemplo que conviene oponerle; las jorobas deslizantes del Ejercicio 10.2 son el mismo fenómeno vestido con un signo integral.

Ejemplo 10.5 (La uniformidad falla justo donde se rompe el límite)

Sobre [0,2]\intcc{0}{2}, sea fn(x)=xn1+xnf_n(x) = \dfrac{x^n}{1 + x^n}. El límite puntual es una función de tres piezas:

f(x)={00x<1,12x=1,11<x2,f(x) = \begin{cases} 0 & 0 \leq x < 1,\\[2pt] \tfrac12 & x = 1,\\[2pt] 1 & 1 < x \leq 2, \end{cases}

discontinua en 11, de modo que por el Teorema 10.4 la convergencia no puede ser uniforme sobre [0,2]\intcc{0}{2}. Sobre las piezas cerradas que evitan el umbral sí lo es: para 0xa<10 \leq x \leq a < 1,

sup[0,a]fn0=an1+anan0,\sup_{\intcc{0}{a}}\abs{f_n - 0} = \frac{a^n}{1 + a^n} \leq a^n \to 0 ,

y para 1<bx21 < b \leq x \leq 2,

sup[b,2]fn1=11+bnbn0,\sup_{\intcc{b}{2}}\abs{f_n - 1} = \frac{1}{1 + b^n} \leq b^{-n} \to 0 ,

ambos supremos calculados por la monotonía de uu1+uu \mapsto \frac{u}{1+u} y de xxnx \mapsto x^n. Moraleja: el fallo de la uniformidad está localizado en la discontinuidad del límite —la misma geometría que en el Ejemplo 10.2— y es la razón de que la disciplina de “uniforme sobre cada segmento interior” se repita a lo largo de todo el capítulo.

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