바이어슈트라스 함수 W(x)=∑n=0∞ancos(bnπx) (a=21, b=13)가 R 전체에서 연속임을 바이어슈트라스 M-판정법으로 증명하세요. (힌트: 급수 장의 m-test 장면.)
un(x)=ancos(bnπx),∣un(x)∣≤(21)n=:Mn
n=0∑∞Mn=2<∞M-test∑un converges uniformly on R
∣W(x)−WN(x)∣≤n=N+1∑∞Mn=(21)Nfor every x
n=6: 꼬리 상한 (1/2)6=0.015625 — 이 곡선은 진짜 W와 모든 x에서 0.016 이내에 있다 (W6(0)=1.984375).증명 보기
각 항 un(x)=ancos(bnπx)는 연속함수이다. 모든 x에 대해 ∣cos∣≤1이므로 ∣un(x)∣≤an=(21)n=:Mn이고, ∑n=0∞Mn=∑n=0∞(21)n=2<∞이다. 바이어슈트라스 M-판정법(급수 장의 m-test 장면)에 의해 ∑un은 R에서 균등 수렴한다.
연속함수들의 균등 극한은 연속이다: x0을 고정하면 ∣W(x)−W(x0)∣≤∣W(x)−WN(x)∣+∣WN(x)−WN(x0)∣+∣WN(x0)−W(x0)∣이고, 처음과 마지막 항은 꼬리 상한 (1/2)N으로, 가운데 항은 연속인 유한합 WN으로 작게 만들 수 있다. 따라서 W는 x0에서 연속이고, x0은 임의였으므로 W는 R 전체에서 연속이다.
숫자로 확인하자: N=6일 때 ∣W(x)−W6(x)∣≤(1/2)6=0.015625가 모든 x에 대해 성립한다 — 화면의 곡선은 진짜 W에서 0.016 이내에 있다. N을 키우면 꼬리 상한 (1/2)N은 0으로 가므로, 화면의 WN은 W에 균등하게 다가간다.
정리를 서술하세요: b가 홀수이고 ab>1+23π이면 바이어슈트라스 함수 W는 어떤 점에서도 미분가능하지 않습니다 (우리의 a=21, b=13은 ab=6.5>5.712을 만족합니다). 아래 증명은 아이디어 수준의 개요(sketch)입니다 — 메커니즘은 정확히 전달하되, 고전적 증명의 상수 추적을 한 줄 한 줄 재현하지는 않습니다.
ab=6.5>1+23π≈5.712,b=13 odd
at scale b−n: the n-th harmonic completes a full spike, so some xn→x0 has
xn−x0W(xn)−W(x0)≳(ab)n→∞(idea sketch, not the full proof)
n=8: 꼬리 상한 (1/2)8=0.00390625 — 매끄러운 항을 8개나 더했는데도 곡선은 모든 스케일에서 들쭉날쭉하다 (W8(0)=1.99609375, W8(1)=−1.99609375).증명 보기
정리 (Weierstrass–Hardy): b가 홀수인 정수이고 ab>1+23π이면 W(x)=∑n=0∞ancos(bnπx)는 어떤 점에서도 미분가능하지 않다. 우리는 a=21, b=13을 쓰므로 ab=6.5>1+23π≈5.712이다 — 조건을 만족한다.
메커니즘 — 스케일 b−n에서 들여다보기: n번째 조화항 cos(bnπx)는 길이가 b−n 정도인 구간마다 한 주기를 완성하므로, 임의의 점 x0 근처에는 ∣xn−x0∣≲b−n이면서 n번째 코사인이 거의 골에서 봉우리까지 (≈2만큼) 움직이는 스파이크 점 xn이 있다. 이 스파이크를 가로지르는 n번째 항의 차분몫은 an⋅(≈2)/(≈b−n)≈2(ab)n=2⋅6.5n→∞이다 (n=8에서 ≈6.37×106).
나머지 항들은 이 스파이크를 이기지 못한다: k<n인 항들은 이 스케일에서 거의 평평하므로(미분하면 akbkπ가 나오고, 공비가 ab인 기하급수라 스파이크보다 작은 상수를 갖는다), k>n인 항들은 꼬리 상한 2an+1/(1−a)로 균등하게 작다. 고전적 증명은 스파이크 점을 정교하게 선택해 세 부분의 상수를 모두 추적하고, ab>1+23π라는 조건이 정확히 "스파이크의 상수가 이긴다"는 부등식임을 보인다.
정직한 표시: 이것은 아이디어 수준의 개요이다. 완전한 증명은 스파이크 점을 구성하고 세 부분의 상수를 끝까지 추적하는 고전적 Weierstrass–Hardy 구성으로, 여기서는 한 줄 한 줄 재현하지 않는다. 전달하려는 핵심은 이것이다 — 차분몫이 스파이크 수열 xn→x0을 따라 무한대로 발산하므로, 어떤 유한한 수도 W′(x0)이 될 수 없고, x0은 임의였으므로 W는 어디에서도 미분가능하지 않다.
각 부분합 WN은 유한개의 코사인 합이므로 R에서 매끄럽게(무한히) 미분가능합니다. 그런데 WN→W는 균등 수렴이고(문제 1), W는 어디에서도 미분가능하지 않습니다(문제 2). 따라서 미분가능한 함수들의 균등 극한은 미분가능하지 않을 수 있음을 결론지으세요.
WN(x)=n=0∑Nancos(bnπx)smooth on R
WNuniformlyW,∣W−WN∣≤(21)N→0
W differentiable nowhere (problem 2)
n=2: 매끄러운 항 3개의 합 (W2(0)=1.75, 꼬리 상한 (1/2)2=0.25) — 이렇게 매끄러운 것들의 균등 극한이 미분가능하지 않을 수 있다.증명 보기
각 WN은 유한합이므로 항별 미분이 정당하다: WN′(x)=−∑n=0Nanbnπsin(bnπx)가 모든 x에서 존재한다. 예를 들어 W2′(x)=−πsin(πx)−213πsin(13πx)−4169πsin(169πx)이다 (a1b1π=213π, a2b2π=4169π). 화면의 모든 곡선은 매끄러운 함수이다.
그런데 문제 1의 꼬리 상한 ∣W−WN∣≤(1/2)N→0에 의해 WN→W는 R에서 균등 수렴이다. 그리고 문제 2에 의해 극한 W는 어떤 점에서도 미분가능하지 않다.
따라서 미분가능한 함수들의 균등 극한은 미분가능하지 않을 수 있다 — 연속성은 균등 극한에서 보존되지만(문제 1의 논증), 미분가능성은 그렇지 않다. 이것이 해석학이 항별 미분에 더 강한 수렴(예: 도함수들의 균등 수렴)을 요구하는 이유이다.