问题

如果幂级数的收敛圆是B(0,R),且在收敛圆内一致收敛,那么是否在收敛圆的闭包也一致收敛?

回答
这个问题触及了幂级数收敛性理论中的一个重要概念:收敛圆与闭包上的收敛性。答案是否定的,幂级数在收敛圆的闭包上并不一定一致收敛。我们需要仔细剖析其中的原因。

首先,我们来明确一下“收敛圆”和“收敛圆的闭包”的概念。

收敛圆 $B(0,R)$: 这是指一个以原点 $0$ 为中心,半径为 $R$ 的开圆盘。对于幂级数 $sum_{n=0}^{infty} a_n x^n$(这里我们以单变量为例,推广到多变量情况原理类似),收敛半径 $R$ 定义为使得级数在 $|x| < R$ 的所有点上收敛,但在 $|x| > R$ 的所有点上发散的那个值。如果 $R = infty$,则在整个实数轴(或复数域)上都收敛。

收敛圆的闭包 $overline{B(0,R)}$: 这指的是收敛圆的边界也包含在内的区域,即 $|x| leq R$ 的所有点。

现在,我们来讨论一下在收敛圆内(即 $B(0,R)$)一致收敛性。如果一个幂级数在 $|x| < R$ 上收敛,我们通常说它在收敛圆内是“逐点收敛”的。然而,在收敛圆的开区间内,幂级数往往是“局部一致收敛”的,或者说在任何更小的闭区间上是一致收敛的。

让我解释一下为什么会这样:

设幂级数为 $f(x) = sum_{n=0}^{infty} a_n x^n$,收敛半径为 $R$。
对于任意一个小于 $R$ 的正数 $r'$(即 $0 < r' < R$),我们考虑区间 $[r', r']$。
在这个区间上,我们有 $|x| leq r'$。
由于 $r' < R$,根据收敛半径的定义,对于任意的 $|x| leq r'$,幂级数 $sum_{n=0}^{infty} a_n x^n$ 是收敛的。
更重要的是,存在一个 $M$ 使得对于所有 $n$ 和所有 $|x| leq r'$,都有 $|a_n x^n| leq M_n$,并且 $sum_{n=0}^{infty} M_n$ 是收敛的。
具体来说,我们可以选择 $r''$ 使得 $r' < r'' < R$。那么在 $[r', r']$ 上,$|x| leq r'$。
由于 $r'' < R$,所以 $sum_{n=0}^{infty} |a_n| (r'')^n$ 是收敛的。
令 $M_n = |a_n| (r'')^n$。那么,对于所有 $|x| leq r'$,我们有 $|a_n x^n| = |a_n| |x|^n leq |a_n| (r')^n leq |a_n| (r'')^n = M_n$。
由于 $sum_{n=0}^{infty} M_n = sum_{n=0}^{infty} |a_n| (r'')^n$ 是收敛的(这是 Weierstrass Mtest 的应用),所以根据 Weierstrass Mtest,幂级数 $sum_{n=0}^{infty} a_n x^n$ 在闭区间 $[r', r']$ 上是一致收敛的。
这表明,在收敛圆的内部,只要是任何一个比它小的闭区间,幂级数都是一致收敛的。

然而,问题出在收敛圆的边界上,即 $|x|=R$ 的点。

在收敛圆的边界上,幂级数可能收敛,也可能发散。

情况一:在收敛圆的边界上收敛。
例如,考虑级数 $sum_{n=1}^{infty} frac{x^n}{n}$。
它的收敛半径是 $R=1$。
在 $|x| < 1$ 时,级数收敛。
在 $x=1$ 时,级数变为 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n}$,这是调和级数,发散。
在 $x=1$ 时,级数变为 $sum_{n=1}^{infty} frac{(1)^n}{n}$,这是交错调和级数,收敛(根据莱布尼茨判别法)。
在这个例子中,收敛圆是 $|x|<1$。收敛圆的闭包是 $|x| leq 1$。
在 $|x| leq 1$ 的区域内,级数在 $x=1$ 处发散。因此,在整个闭包 $|x| leq 1$ 上,级数不是处处收敛的,更谈不上一致收敛。

情况二:在收敛圆的边界上也收敛。
例如,考虑级数 $sum_{n=1}^{infty} frac{x^n}{n^2}$。
它的收敛半径也是 $R=1$。
在 $|x| < 1$ 时,级数收敛。
在 $x=1$ 时,级数变为 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^2}$,这是 p级数,收敛。
在 $x=1$ 时,级数变为 $sum_{n=1}^{infty} frac{(1)^n}{n^2}$,这个级数也是收敛的(绝对收敛)。
在这个例子中,收敛圆是 $|x|<1$。收敛圆的闭包是 $|x| leq 1$。
在闭包 $|x| leq 1$ 上,级数是处处收敛的。但是,它是否一致收敛呢?

根据 Abel 定理(Abel's Theorem),如果一个幂级数 $sum_{n=0}^{infty} a_n x^n$ 在收敛半径为 $R$ 时,在边界点 $x=R$(这里我们设 $R=1$ 方便讨论)处收敛,那么该幂级数在闭区间 $[0, 1]$ 上是一致收敛的。更一般地说,如果在 $|x| < R$ 时级数收敛,并且在边界 $|x|=R$ 的某个点 $x_0$ 处也收敛,那么级数在包含 $x_0$ 的收敛圆闭包的相应部分上是一致收敛的。

回到 $sum_{n=1}^{infty} frac{x^n}{n^2}$ 在 $|x| leq 1$ 上的情况:
当 $x in [1, 1]$ 时,我们可以写成 $|a_n x^n| = |frac{x^n}{n^2}| leq frac{1}{n^2}$。
由于 $sum_{n=1}^{infty} frac{1}{n^2}$ 是收敛的,根据 Weierstrass Mtest,级数 $sum_{n=1}^{infty} frac{x^n}{n^2}$ 在闭区间 $[1, 1]$ 上是一致收敛的。

那么,为什么第一个例子($sum frac{x^n}{n}$)在边界发散,而第二个例子($sum frac{x^n}{n^2}$)在边界收敛且在闭包上一致收敛呢?

关键在于边界点处的收敛性。如果幂级数在收敛圆的边界上全部发散,那么它在收敛圆的闭包上自然不可能是收敛的,更谈不上一致收敛。即使在边界的某些点收敛,也需要满足一定的条件才能保证在整个闭包上一致收敛。

更普遍地来看,一个幂级数在收敛圆的闭包上一致收敛,当且仅当它在收敛圆的边界上的所有点都收敛。

为什么会这样呢?

1. 如果幂级数在收敛圆的闭包上一致收敛:
如果级数在闭包 $overline{B(0,R)}$ 上一致收敛,那么它一定在 $overline{B(0,R)}$ 的每个点上逐点收敛。因此,它在边界 $|x|=R$ 的所有点上都必须是收敛的。

2. 如果幂级数在收敛圆的边界上的所有点都收敛:
假设幂级数 $sum a_n x^n$ 在 $|x| < R$ 时收敛,并且在 $|x|=R$ 的所有点都收敛。
根据 Abel 定理的一个更强的形式(或者通过其他分析方法),如果级数在 $|x| < R$ 收敛,并在 $|x|=R$ 的所有点上收敛,那么该级数在闭合的圆盘 $overline{B(0,R)}$ 上是一致收敛的。
对于单变量的复值幂级数 $sum_{n=0}^{infty} a_n z^n$,收敛半径为 $R$。若该级数在 $|z|=R$ 的所有点上收敛,则它在整个闭圆盘 $|z| leq R$ 上是一致收敛的。

回到最初的提问:

如果幂级数的收敛圆是 $B(0,R)$,且在收敛圆内一致收敛,那么是否在收敛圆的闭包也一致收敛?

不一定。

前面我们已经强调了,在收敛圆的开区间内部,幂级数可以看作是在任何更小的闭区间上是一致收敛的。但是,“在收敛圆内一致收敛”这个表述本身可能有点歧义。通常我们说一个函数在某个集合上一致收敛,是指在该集合上的所有点都收敛,并且收敛具有一致性。

如果我们将其理解为:对于任意取定的 $0 < r' < R$,级数在 $|x| leq r'$ 上一致收敛。那么这是正确的,并且是幂级数性质的直接结果。

但如果问题是问:“如果已知级数在 $|x|
总结来说:

幂级数在收敛半径 $R$ 的开圆盘 $B(0,R)$ 内总是收敛的。
更进一步,幂级数在收敛半径 $R$ 的任何小于 $R$ 的闭区间上都是一致收敛的。
然而,在收敛圆的闭包 $overline{B(0,R)}$ 上是否一致收敛,取决于级数在边界 $|x|=R$ 上的收敛情况。
只有当幂级数在收敛圆的所有边界点上都收敛时,它才会在收敛圆的闭包上一致收敛。
如果级数在边界上的任何一点发散,那么它在整个闭包上就不可能一致收敛。

所以,仅仅知道级数在收敛圆内收敛(即使是在内部的任何子集上都一致收敛),并不能自动推导出它在包含边界的闭包上也能一致收敛。你需要额外的信息,即关于边界收敛性的信息。

网友意见

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(The Poisson kernel)

在 时一致收敛(Weierstrass M-test),但是在 时发散,例如可以取 .

如果觉得这个幂带着绝对值有点别扭,可以只看 这一部分或者只看另一部分。

(知乎这个公式编辑器真难用,没有mathds天理难容!!!)

另外还可以证明

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