逐点收敛是函数序列的一种收敛方式:在共同定义域的每个固定点处,函数值分别趋于一个极限。在数学分析中,它是通过逐次逼近来定义极限函数的一种基本方式。其核心特点是:使近似达到指定精度所需的起始下标,可以依赖于所考察的点。这与一致收敛不同,后者要求同一个下标适用于整个定义域。(jirka.org)
定义
设 fn:X→Y 是具有共同定义域 X 和陪域 Y 的函数,其中 Y 是距离为 d 的度量空间。若
n→∞limfn(x)=f(x)对每个 x∈X 都成立,
则称该序列逐点收敛于 f:X→Y。因此,固定 x 后,便得到 Y 中一个通常意义下的收敛序列。这一定义尤其适用于取值为实数或复数的函数。(jirka.org)
等价地,
∀x∈X∀ε>0∃N=N(x,ε)∀n≥N:d(fn(x),f(x))<ε.
这里关键在于 N 可以依赖于 x。收敛在某一点处可能很快,而在另一点附近可能任意缓慢。对于实值函数,d(fn(x),f(x)) 就是 ∣fn(x)−f(x)∣。(jirka.org)
在度量空间中,逐点极限若存在,就必定唯一。在子集 A⊆X 上收敛,是指上述条件在 A 的每个点处都成立,而对 A 以外的点不作任何断言。(jirka.org)
例子及与一致收敛的比较
考虑多项式函数
fn(x)=x2n,x∈[−1,1].
当 ∣x∣<1 时,函数值趋于零;在 x=−1 和 x=1 处,函数值始终等于一。因此,
f(x)={0,1,∣x∣<1,x=−1 或 x=1.
每个 fn 都是连续函数,但极限函数在两个端点处不连续。因此,逐点收敛不能保持连续性。(jirka.org)
一致收敛改变了量词的顺序:
∀ε>0∃N∀x∈X∀n≥N:d(fn(x),f(x))<ε.
一致收敛蕴含逐点收敛,但反之不成立。对于上述幂函数,在任一端点附近,都有函数值任意接近一的点,尽管这些点处的极限值为零。因此,对每个 n,都有
x∈[−1,1]sup∣fn(x)−f(x)∣=1.
然而,在任意较小的区间 [−a,a] 上,其中 0<a<1,误差至多为 a2n,因而一致趋于零。这些估计说明,所选定义域会影响收敛性质。(jirka.org)
极限、积分与求导
仅凭逐点收敛,不能保证可以交换极限运算与其他运算的次序。对于连续函数,一致收敛提供了足以保持连续性的控制;逐点收敛则没有类似的一般保证。积分和求导也存在类似的区别。(jirka.org)
例如,在 [0,1] 上,令
gn(x)={n,0,0<x<1/n,其他情形.
直接计算可知,在每个固定点处都有 gn(x)→0:每个正数 x 最终都会落在不断缩小的区间之外,而 gn(0)=0。然而,
∫01gn(x)dx=1,∫01n→∞limgn(x)dx=0.
不断增加的高度抵消了不断减小的宽度,说明一般不能交换积分与逐点极限的次序。(jirka.org)
即使可导函数序列一致收敛,也未必能交换求导与极限的次序。函数
hn(x)=nsin(nx)
在 R 上一致收敛于零,因为 ∣hn(x)∣≤1/n。但对每个 n,都有 hn′(0)=1,而极限函数,即零函数,其导数为零。相应的求导定理需要额外假设,通常要求导数序列一致收敛,并且原函数序列在某一点处收敛。(ocw.mit.edu)
测度论中的变体
在测度论中,几乎处处收敛是指在某个零测集之外逐点收敛。对于实值可测函数,若逐点极限处处存在,则极限函数也是可测的。因此,与连续性不同,可测性在取函数序列的逐点极限时得以保持。(math.mit.edu)
控制收敛定理给出了在几乎处处收敛的情况下,可以在勒贝格积分中取极限的条件。若 fn→f 几乎处处成立,且存在一个固定的可积函数 g,使得 ∣fn∣≤g 几乎处处成立,则
∫∣fn−f∣dμ⟶0,∫fndμ⟶∫fdμ.
控制函数提供了单凭逐点收敛所缺乏的控制。(ocw.mit.edu)
拓扑解释
若 Y 是拓扑空间,则可以利用 Y 中的收敛来定义逐点收敛,而无须选定度量。将所有函数 X→Y 构成的集合 YX 与笛卡尔积 ∏x∈XY 等同起来,则逐点收敛恰好就是积拓扑中的收敛。(math.mit.edu)
f 的一个基本邻域只对有限多个点处的函数值施加限制:
{g∈YX:g(xi)∈Ui, i=1,…,k},
其中,每个 Ui 都是 f(xi) 的开邻域。这种拓扑也称为点开拓扑。上述等价关系可以从序列推广到网,从而使逐点收敛能够在一般拓扑学的框架内加以研究。(math.mit.edu)