Definición 10.1Matemáticas universitarias — Grado 2 · Capítulo 10 — Sucesiones y series de funciones
Sean fn,f:X→R (o C, o un espacio normado), con X un conjunto cualquiera. (fn) converge a fpuntualmente cuando fn(x)→f(x) para todo x, y uniformemente cuando
∥fn−f∥∞=x∈Xsup∣fn(x)−f(x)∣n→∞0.
La convergencia uniforme implica la puntual; y sobre C([a,b]), la convergencia uniforme es exactamente la convergencia en el espacio de Banach(C([a,b]),∥⋅∥∞) 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.
Ejemplos
Ejemplo 10.2
Sobre [0,1], fn(x)=xn converge puntualmente al límite discontinuof=1{1}; la convergencia no es uniforme: ∥fn−f∥∞≥fn(1−n1)=(1−n1)n→e−1=0. Sobre [0,a] con a<1sí lo es (sup=an→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=n+mn para n,m≥1. Entonces
ambos límites iterados existen y son distintos. Todo teorema de transferencia de este capítulo es una licencia para conmutar dos límites —limn con limx→a (continuidad), con ∫ (integración), con dxd (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], sea fn(x)=1+xnxn. El límite puntual es una función de tres piezas:
f(x)=⎩⎨⎧02110≤x<1,x=1,1<x≤2,
discontinua en 1, de modo que por el Teorema 10.4 la convergencia no puede ser uniforme sobre [0,2]. Sobre las piezas cerradas que evitan el umbral sí lo es: para 0≤x≤a<1,
[0,a]sup∣fn−0∣=1+anan≤an→0,
y para 1<b≤x≤2,
[b,2]sup∣fn−1∣=1+bn1≤b−n→0,
ambos supremos calculados por la monotonía de u↦1+uu y de x↦xn. 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.