Gleichmäßige Konvergenz und Integration

Satz 16K9 (Gleichmäßige Konvergenz und Integration)

(fn)R[a,b](f_n)\subset\mathcal{R}[a,b] und fnff_n \xrightarrow{||\cdot||_\infty} f. Dann gilt fR[a,b]f\in\mathcal{R}[a,b] und
limnabfndx \lim_{n\rightarrow\infty} \int\limits_a^b f_n\d x=ablimnfndx =\int\limits_a^b \lim_{n\rightarrow\infty} f_n\d x=abfdx =\int\limits_a^bf\d x
Konvergiert die Funktionenreihe n=1fn\sum\limits_{n=1}^\infty f_n gleichmäßig gegen gg, so gilt gR[a,b]g\in\mathcal{R}[a,b] und
n=1abfndx \sum\limits_{n=1}^\infty \int\limits_a^b f_n\d x=abn=1fndx =\int\limits_a^b \sum\limits_{n=1}^\infty f_n\d x=abgdx =\int\limits_a^bg\d x.

Beweis

(fn)R[a,b](f_n)\in\mathcal{R}[a,b], fnf f_n\xrightarrow{||\cdot||_\infty} f fR[a,b] \Rightarrow f\in\mathcal{R}[a,b] (nach Satz 16K8). Sei ε>0\varepsilon>0. Dann existiert nεNnnε:fnfεn_\varepsilon\in\N \, \forall n\geq n_\varepsilon:||f_n-f||_\infty\leq\varepsilon abfndxabfdx \left|\int\limits_a^bf_n\d x-\int\limits_a^bf\d x\right| =ab(fnf)dx = \left|\int\limits_a^b(f_n-f)\d x\right|abfnfdx \leq \int\limits_a^b |f_n-f|\d x=abfn(x)f(x)dx = \int\limits_a^b |f_n(x)-f(x)|\d x abfnfdx \leq \int\limits_a^b ||f_n-f||_\infty \d xabεdx \leq \int\limits_a^b\varepsilon \d x =ε(ba) = \varepsilon(b-a) für nnε n\geq n_\varepsilon . Dies heißt, dass limabfn(x)dx\lim\int\limits_a^b f_n(x)dx=ablimfn(x)dx =\int\limits_a ^b \lim f_n(x)dx=abfdx =\int\limits_a^b fdx. Die Behauptung zur Funktionenreihe beweist man durch Übergang zu den Partialsummen und Benutzen des gerade Bewiesenen.\qed

Bemerkungen

Satz 16K9 gilt nicht bei punktweiser Konvergenz.
fn:[0,1]Rf_n:[0,1]\rightarrow\R fn(x):=max{nn2x1n;0} f_n(x):=\max\{n-n^2|x-\dfrac{1}{n}|;0\}={n2x0x1n2nn2x1nx2n02nx1 = \begin{cases} n^2x & 0\leq x\leq \dfrac{1}{n}\\ 2n-n^2x & \dfrac{1}{n}\leq x \leq\dfrac{2}{n}\\ 0 & \dfrac{2}{n}\leq x\leq 1 \end{cases} fn(x)0f_n(x)\rightarrow 0 punktweise. fnf_n ist nicht gleichmäßig konvergent gegen 0. Denn fnf=fn0||f_n-f||_\infty =||f_n-0||_\infty=fn=n =||f_n||_\infty=n, was unbeschränkt wächst. Für n2 n\geq 2 ist abfn(x)dx=1\int\limits_a^b f_n(x)\d x=1 , also lim01fn(x)dx=1\lim\int\limits_0 ^1 f_n(x)\d x=1. Aber 01limnfn(x)dx\int\limits_0^1\lim_{n\rightarrow\infty} f_n(x)\, \d x=010dx=0 =\int\limits_0^1 0\, \d x=0.
Satz 16K9 gilt nicht für uneigentliche Integrale (unendliche Intervalle).
fn:[0,[Rf_n:[0,\infty[\rightarrow\R, fn(x):=xn2exnf_n(x):=\dfrac{x}{n^2}\, \e^{-\dfrac{x}{n}}, fn=1ne||f_n||_\infty=\dfrac{1}{n\e}, fn0 ||f_n||_\infty\rightarrow 0. Aber 0fn(x)dx=1n+11\int\limits _0^\infty f_n(x)\d x=\dfrac{1}{n}+1\rightarrow 1 und 0limfn(x)dx=00dx=0\int\limits _0^\infty\lim f_n(x)\d x=\int\limits_0^\infty0\, \d x=0.
 
 

Die Furcht vor der Mathematik steht der Angst erheblich näher als der Ehrfurcht.

Felix Auerbach

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