K를 컴팩트 거리공간이라 하자. 각 fn:K→R가 연속이고, 각 x∈K에서 fn(x)가 단조 증가하면서 연속함수 f:K→R에 수렴할 때, fn→f가 K에서 균등수렴함을 증명하세요.
En={x∈K:f(x)−fn(x)<ε},En⊆En+1,K=n=1⋃∞En
n=8: 최대 간격 1/9≈0.1111 — n이 커질수록 간격이 한꺼번에 줄어든다.증명 보기
ε>0을 고정하고 En={x∈K:f(x)−fn(x)<ε}이라 두자. f−fn은 연속이므로 각 En은 K의 열린 부분집합이다. 단조 증가 fn(x)≤fn+1(x)이므로 f(x)−fn(x)≥f(x)−fn+1(x)이고, 따라서 En⊆En+1이다.
각 x에서 fn(x)→f(x)이므로, f(x)−fn(x)<ε인 n이 존재하고 따라서 x∈En이다. 즉 {En}은 K의 열린 덮개이다.
K가 컴팩트이므로 유한 부분덮개 En1,…,Enk가 존재한다. N=max{n1,…,nk}라 두면 단조성에 의해 K⊆EN이다. n≥N이면 EN⊆En이므로 모든 x∈K에 대해 f(x)−fn(x)<ε이다 — x에 의존하지 않는 하나의 N이 전체 K에 통하므로 균등수렴이다. (단조 감소인 경우 −fn에 적용한다.)
n=20: sup 간격이 1에 묶여 있음 — 곡선들은 0에 달라붙지만 절대 균등하게 붙지 않는다.증명 보기
각 gn은 연속이고, 0<x<1에서는 gn+1(x)=xn+1≤xn=gn(x)이므로 단조 감소한다. 각 점별 수렴: 0<x<1이면 xn→0이고, x=1에서는 gn(1)=1이므로 극한 g는 x=1에서 불연속이다.
(0,1) 위에서 supx∈(0,1)∣g(x)−gn(x)∣=supx∈(0,1)xn=1이다 (x→1−). 즉 ε=21에 대해 어떤 n도 모든 x에 동시에 통하지 않으므로 균등수렴이 아니다.
단조성·연속성은 디니 정리와 같은 설정인데도 실패한다 — 빠진 것은 정의역의 컴팩트성이다. (0,1]은 닫혀 있지 않고, 증명의 유한 부분덮개 단계가 여기서 막힌다. 균등수렴하는 연속함수열의 극한은 연속이어야 한다는 사실도 같은 결론을 준다: 극한 g는 x=1에서 불연속이다.
∑n=1∞n2xn가 [0,1]에서 균등수렴함을 디니 정리로 보이세요.
SN(x)=k=1∑Nk2xk↑S(x),0≤k2xk≤k21
n=12, compact 모드: [0,1] 위의 단조 연속함수열 — 최대 간격 1/13≈0.0769가 균등하게 줄어든다.증명 보기