広義一様収束
冪級数は収束円板の内部で各点収束するだけでなく、広義一様収束することが証明できる。
広義一様収束は極限の順序交換を正当化する十分条件であり、これを用いて次の記事で冪級数の項別微分と項別積分を正当化する。
一様収束と広義一様収束
集合A上の関数列fnがfに一様収束するとは、任意のϵ>0に対しある自然数Nが存在して、n≥NならばAのすべてのzで
∣fn(z)−f(z)∣<ϵが成り立つことをいう。
Nがzによらずに取れることが要点である。
領域D上の関数列が広義一様収束するとは、Dに含まれる任意のコンパクト集合の上で一様収束することをいう。
Cの部分集合がコンパクトであるとは、有界かつ閉であることをいう。
以下で使うのは、コンパクト集合の上では連続関数が有界になる、という性質だけである。
収束円板∣z∣<Rに含まれるコンパクト集合は、K<Rなる閉円板∣z∣≤Kに収まる。
冪級数の広義一様収束
冪級数n=0∑∞anznの収束半径をRとする。
このとき0<K<Rなる任意のKに対し、閉円板∣z∣≤Kの上で一様収束する。
すなわち収束円板の内部で広義一様収束する。
収束円板の内部全体で一様収束するとは限らないことに注意しよう。
円周に近づくほど収束が遅くなりうるので、少し内側の閉円板に制限する必要がある。
証明
関数fのA上の一様ノルムとはz∈Asup∣f(z)∣のことである。
一様収束は、差の一様ノルムが0に収束することと同じである。
そして一様ノルムについてのコーシー列であることから収束が導ける。
冪級数の部分和をsn(z)=k=0∑nakzkとする。
∣z∣≤K上での上限をとると、m≥nに対し
∣z∣≤Ksup∣sm(z)−sn(z)∣=∣z∣≤Ksupk=n+1∑makzk≤k=n+1∑m∣ak∣Kk
が成り立つ。
各項が∣z∣の増加関数なので、上限は∣z∣=Kでとれることを使った。
K<Rだからk∑∣ak∣Kkは収束する。
したがって右辺はn,m→∞で0に収束し、snは一様ノルムについてのコーシー列である。
各点収束先をs(z)とする。
任意のϵ>0に対しあるNが存在して、m≥n>Nと∣z∣≤Kなる任意のzに対し
∣sm(z)−sn(z)∣<ϵ
となる。
この式でm→∞の極限をとると
∣s(z)−sn(z)∣≤ϵ
となり、Nがzによらないことから一様収束が従う。
ワイエルシュトラスのM判定法
上の議論は次のように一般化できる。
集合A上の関数列fnに対し、正の実数列Mnであって
z∈Asup∣fn(z)∣≤Mn,n∑Mn<∞を満たすものが存在するとする。
このときn∑fnはA上で一様収束する。
部分和がコーシー列であることがMnを用いた評価から従う、というのが証明である。
冪級数の場合はA={∣z∣≤K}、fn(z)=anzn、Mn=∣an∣Knとすれば、上の定理がそのまま適用できる。