f_n(x)=\frac{\sin(nx)}{n^{3/2}}\chi_{[0,\frac{2\pi}{n}]},这个函数列一致收敛吗?证明
时间: 2023-11-01 08:21:16 浏览: 54
首先,我们需要注意到函数 $f_n(x)$ 在区间 $[0, \frac{2\pi}{n}]$ 以外的部分为零。进一步地,$f_n(x)$ 是连续函数。因此,我们只需要考虑 $f_n(x)$ 在区间 $[0, \frac{2\pi}{n}]$ 上的一致收敛性。
为了判断 $f_n(x)$ 在该区间上的一致收敛性,我们可以考虑其上确界与下确界的差。具体来说,设 $M_n = \sup_{x\in[0,\frac{2\pi}{n}]}|f_n(x)|$,$m_n = \inf_{x\in[0,\frac{2\pi}{n}]}|f_n(x)|$,则 $f_n(x)$ 在该区间的一致收敛性等价于 $\lim_{n\rightarrow\infty}(M_n - m_n) = 0$。
我们现在来计算 $M_n$ 和 $m_n$。首先有:
$$M_n = \sup_{x\in[0,\frac{2\pi}{n}]}|f_n(x)| = \frac{1}{n^{3/2}}$$
这是因为 $\sin(nx)$ 的最大值为 $1$,而 $\frac{1}{n^{3/2}}$ 在 $n$ 趋于无穷大时趋于零。
接下来,我们来计算 $m_n$。注意到 $\sin(nx)$ 是奇函数,因此 $|\sin(nx)| = \sin(nx)$。因此:
$$m_n = \inf_{x\in[0,\frac{2\pi}{n}]}|f_n(x)| = \inf_{x\in[0,\frac{2\pi}{n}]}\frac{|\sin(nx)|}{n^{3/2}} = \frac{\sin(\frac{\pi}{n})}{n^{3/2}}$$
这是因为 $\sin(nx)$ 在 $[0,\frac{\pi}{n}]$ 上单调递增,而在 $[\frac{\pi}{n}, \frac{2\pi}{n}]$ 上单调递减,且 $\sin(\frac{\pi}{n})$ 是其最小值。
因此,我们有:
$$M_n - m_n = \frac{1}{n^{3/2}} - \frac{\sin(\frac{\pi}{n})}{n^{3/2}} = \frac{1-\sin(\frac{\pi}{n})}{n^{3/2}}$$
显然,$\lim_{n\rightarrow\infty}(M_n - m_n) = 0$。因此,$f_n(x)$ 在 $[0,\frac{2\pi}{n}]$ 上一致收敛,进而一致收敛于其定义域 $[0,2\pi]$ 上的连续函数。
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