均勻收斂,或稱均匀收敛,(英語:Uniform convergence),是數學中關於函數序列收斂的一種定義。其概念大致可想成:若函數序列 fn 一致收斂至函數 f,代表對所有定義域中的點 x,fn(x) 收斂至 f(x) 會有(大致)相同的收斂速度[註 1]。由於它對收斂要求較逐點收斂更強,故能保持一些重要的分析性質,例如連續性、黎曼可積性。
當函數序列中的函數的對應域是
或
時,此時均勻收歛的定義為:
讓
是定義在
上,對應域為
或
的一組函數序列,若序列
均勻收歛至函數
在集合
上,即表示對所有
,存在
,使得當所有
且
時有
![{\displaystyle |f_{n}(x)-f(x)|<\epsilon .}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/c06d7b96bd063253ce6c9d29691f213bd8ccd11f)
可將這定義推廣到一般的度量空間:
設
為一集合,
為度量空間。若對一組函數序列
,存在函數
滿足
對所有
,存在
,使得當所有
且
時有
![{\displaystyle d(f_{n}(x),f(x))<\epsilon ,}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/96c9ff48516adad1ed15fa141089a4b2de6b6bc8)
則稱序列
一致收斂到
。
注意到,一致收敛和逐点收敛定义的区别在于,在一致收敛中
的選取仅与
相关,而在逐点收敛中
还多了与點
相关。所以一致收敛必定逐点收敛,而反之则不然。
在[-1,1]上一致收斂到絕對值函數的多項式序列
例子一:對任何
上的連續函數
,考慮多項式序列
![{\displaystyle P_{n}(x):=\sum _{k=0}^{n}f\left({\frac {k}{n}}\right){n \choose k}x^{k}(1-x)^{n-k}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4c42121d642d6083418119bbef535f8fd414f848)
可證明
在區間
上一致收斂到函數
。其中的
稱為伯恩斯坦多項式。
透過坐标的平移與縮放,可知在任何閉區間上都能用多項式一致地逼近連續函數,這是斯通-维尔斯特拉斯定理的一個建構性證明。
逐點收斂而非一致收斂的例子
例子二:考慮區間
上的函數序列
,它逐點收斂到函數
![{\displaystyle f(x)={\begin{cases}0&,x\neq \pi /2\\1&,x=\pi /2\end{cases}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/1f120ab158bad30a5a4c98606307056ae570d2dc)
然而這並非一致收斂。直觀地想像:當
愈靠近
,使
接近
所需的
便愈大。可以依此想法循定義直接證明,也可以利用下節關於連續的性質證明,因為在此例中
皆連續,而
不連續。
讓
為一組函數序列,對應域為
或
,此時有下述性質:
- 連續性:若函數序列
均勻收歛至函數
,則有:
- 假設函數序列的定義域是闭包(closure)集合
,且
是
的中的一點。若每個
都在
點連續,則
也在
點連續。
- 若对集合
的每個緊緻子集
,每個
都在
上連續,則
在
上連續。
- 與積分的交換:令
為定義在緊緻區間
的函數序列,且序列
均勻收歛至函數
。若每個
都是黎曼可積,則
也是黎曼可積,而且
[註 2]
- 與微分的交換:可微函數序列
均勻收歛至函數
,並不能保證
是可微的,還需要對該函數序列的微分,
,做些限制,請參看以下定理:
- 讓
為定義在閉區間
的可微函數序列,且存在一點
使得極限
存在(且有限)。若序列的微分
在區間
一致收斂到函數
,則序列
均勻收歛至函數
且
亦是可微函數,且有:
。
- Konrad Knopp, Theory and Application of Infinite Series; Blackie and Son, London, 1954, reprinted by Dover Publications, ISBN 0-486-66165-2.
- G.H. Hardy, Sir George Stokes and the concept of uniform convergence; Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 19, pp. 148-156(1918)
- Bourbaki; Elements of Mathematics: General Topology. Chapters 5-10(Paperback); ISBN 0-387-19374-X