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Grado en Matemáticas

Convergencia puntual y uniforme

Una sucesión de funciones es una sucesión de dibujos: para cada n tenemos una curva nueva. Podemos mirar un punto fijo o pedir que toda la curva quede cerca de la función límite a la vez. Esas dos preguntas producen convergencia puntual y uniforme. Las separaremos con errores que podamos calcular.

Si necesitas repasar:

1. Primero fijamos un punto: aparece una sucesión de números

En fₙ(x), el índice n elige la función y x elige dónde evaluarla. Con x fijo, f₁(x), f₂(x), … son números. Hay convergencia puntual a f si esta sucesión converge a f(x) en cada punto del dominio D.

Escribimos: para todo x∈D y todo ε>0 existe N, posiblemente distinto para cada x, tal que n≥N implica |fₙ(x)−f(x)|<ε. No cambiamos x mientras calculamos este primer límite.

Una recta que se aplana

fₙ(x)=x/n en ℝ.

  1. Elegir una entrada

    En x=6 vemos 6, 3, 2, 3/2, …, que tiende a cero.
  2. Entrada cualquiera

    Con x fijo, x/n→0.
  3. Umbral

    Basta un entero N>|x|/ε para que n≥N dé |x|/n<ε.
Resultado

El límite puntual es la función cero en ℝ.

Lo comprobamos

El umbral elegido depende de |x|. Todavía no hemos encontrado uno para todos los reales.

Una función límite que no es cero

fₙ(x)=x²+1/n en [−2,2].

  1. Fijar x

    El término x² se queda fijo; solo 1/n cambia con n.

  2. Límite

    f(x)=x².
  3. Error

    |fₙ(x)−f(x)|=1/n en cualquier punto.
Resultado

Todas las curvas se acercan a la parábola x².

Lo comprobamos

En este caso el error no depende de x, una pista de una propiedad más fuerte.

2. Uniforme: elegimos un solo momento a partir del cual todos los puntos sirven

La convergencia es uniforme si para todo ε>0 existe N tal que, para todo n≥N y todo x∈D, |fₙ(x)−f(x)|<ε. Primero elegimos N y después cualquier punto; N puede depender de ε y del dominio, pero no de x.

Visualmente ponemos una banda vertical de error ±ε alrededor de f. A partir de una curva, todas las siguientes deben quedar enteras dentro de esa banda. Uniforme implica puntual al usar el mismo N para cada punto fijo; el recíproco puede fallar.

El mismo N para una recta completa

fₙ(x)=x²+1/n en ℝ; pide error menor que 0,02.

  1. Error común

    |fₙ−x²|=1/n.
  2. Elegir

    N=51 da 1/n≤1/51<0,02 cuando n≥51.
  3. Todos los puntos

    La cuenta vale aunque x sea muy grande o negativo.

Resultado

La convergencia a x² es uniforme en toda ℝ.

Lo comprobamos

Las funciones no están acotadas en ℝ; lo que aquí se acota es su diferencia.

El umbral que cambia de punto no basta

fₙ(x)=x/n en ℝ.

  1. Punto fijo

    Para cada x hay un N que funciona.

  2. Probar cualquier índice

    En x=n, el error es |n/n|=1.
  3. Una tolerancia fija

    Con ε=1/2 ningún tramo final de la sucesión funciona en todos los puntos.

Resultado

Es puntual, pero no uniforme en ℝ.

Lo comprobamos

x=n cambia con n: se usa para refutar uniformidad, no para refutar el límite puntual.

3. Medimos el peor error: Eₙ=sup sobre D de |fₙ−f|

El supremo es la menor cota superior, aunque no se alcance en ningún punto. Puede ser infinito. La convergencia uniforme equivale a Eₙ→0: reducir el peor error reduce simultáneamente todos los errores.

Para probarlo basta encontrar una cota independiente de x que tienda a cero. Para calcular Eₙ exactamente necesitamos además justificar que la cota es óptima. Que un error particular sea pequeño no controla el resto del dominio.

Una cota óptima en un dominio infinito

fₙ(x)=x/[n(1+x²)] en ℝ.

  1. Desigualdad

    (|x|−1)²≥0 implica 1+x²≥2|x|.
  2. Cota

    |fₙ(x)|≤1/(2n).
  3. Se alcanza

    En x=1 y x=−1 el módulo vale 1/(2n).
Resultado

Eₙ=1/(2n)→0: convergencia uniforme a cero.

Lo comprobamos

No necesitamos que el dominio sea compacto para obtener una cota uniforme.

El supremo puede ser infinito

fₙ(x)=x/n en ℝ; el límite puntual es cero.

  1. Fijar n

    Para cualquier M>0 elegimos x=n(M+1).
  2. Superar la cota

    |fₙ(x)|=M+1>M.
  3. Supremo

    No hay cota finita para ese error en toda ℝ.

Resultado

Eₙ=+∞ para cada n; no hay convergencia uniforme.

Lo comprobamos

En cada punto fijo el error sigue tendiendo a cero. Son dos órdenes distintos de elección.

4. xⁿ: primero encontramos la función límite y después comparamos

En [0,1), una potencia xⁿ tiende a cero; en x=1 vale siempre uno. La función límite no es la función cero en todo [0,1]. En el extremo uno el error respecto del límite correcto es exactamente cero.

Cada punto fijo puede acercarse al límite sin que el peor error disminuya
fₙ(x)=xⁿ en [0;1]01n=1, 3, 10, 30Límite: 0 si x<1 ; 1 si x=1
Curvas x a la potencia n en cero uno, con n uno, tres, diez y treinta. La función límite vale cero antes de uno y uno exactamente en uno. Para cada n hay puntos muy próximos a uno por la izquierda con error cercano a uno; el error supremo no disminuye.

Para cada n, al acercarnos a uno por la izquierda, xⁿ se acerca a uno mientras f(x)=0. El supremo del error es uno, aunque ningún punto tenga error exactamente uno. Esa franja difícil se mueve hacia el extremo.

Calcular el supremo sin inventar un máximo

fₙ(x)=xⁿ en [0,1].

  1. Límite

    f(x)=0 con 0≤x<1 y f(1)=1.
  2. Error

    Es xⁿ antes de uno y cero en uno.

  3. Supremo

    Para cualquier c<1 suficientemente cercano a uno hay x<1 con xⁿ>c; todos los errores son menores que uno.

Resultado

Eₙ=1 para todo n: la convergencia no es uniforme.

Lo comprobamos

No escribimos error uno en x=1: allí fₙ y f coinciden.

Un testigo que cambia con la curva

Elige xₙ=(3/4)^(1/n).

  1. Dónde está

    0<xₙ<1, por tanto f(xₙ)=0.
  2. Evaluar

    fₙ(xₙ)=3/4.
  3. Tolerancia

    El error 3/4 supera ε=1/2 para todos los índices.

Resultado

No puede existir un N común.

Lo comprobamos

xₙ→1, pero nunca es uno; sustituirlo por el extremo borraría precisamente el error que buscamos.

5. El dominio forma parte de la pregunta

Una sucesión puede ser uniforme en un dominio y dejar de serlo al ampliarlo. Una cota que contiene el tamaño del dominio sigue siendo uniforme si ese tamaño es fijo. No confundimos uniforme en cada compacto con uniforme en toda la unión de compactos.

Al restringir el dominio, un supremo no aumenta; por eso toda convergencia uniforme se conserva en subconjuntos. Ampliar el dominio requiere una nueva estimación.

Separarnos del extremo problemático

fₙ(x)=xⁿ en [0,r], donde 0≤r<1 está fijado.

  1. Límite

    Todos esos puntos son menores que uno; f=0.

  2. Peor error

    Eₙ=rⁿ, alcanzado en r.
  3. Límite numérico

    rⁿ→0.
    Si r=0 el error ya es cero.
Resultado

La convergencia es uniforme en [0,r].

Lo comprobamos

r debe permanecer fijo: dejar que r se acerque a uno con n cambia el problema.

Uniforme en cada tramo, pero no en toda la recta

fₙ(x)=x/n en [−M,M], M>0 fijo.

  1. Cota

    |x|/n≤M/n.
  2. Umbral

    Cualquier entero N>M/ε funciona para todo el intervalo.

  3. Comparar

    En ℝ no hay un M finito que acote todos los puntos.

Resultado

Uniforme en cada intervalo acotado; puntual pero no uniforme en ℝ.

Lo comprobamos

La uniformidad local no proporciona un único umbral para todos los tamaños M.

6. Cómo negar una afirmación uniforme sin perder los cuantificadores

Para refutar uniformidad buscamos una tolerancia fija ε₀>0 tal que, por grande que sea N, exista algún n≥N y algún x del dominio con error al menos ε₀. No basta encontrar un primer índice malo: deben quedar errores grandes arbitrariamente lejos.

Una estrategia útil es construir puntos xₙ con error fijo para todos los n, o para una subsucesión de índices que crece sin límite. Que esos puntos se muevan está permitido porque la afirmación uniforme prometía servir para todos.

El límite continuo tampoco garantiza uniformidad

fₙ(x)=nx/(1+n²x²) en [0,1].

  1. Límite puntual

    En x=0 vale cero; con x>0 fijo, dividir por n² da límite cero.

  2. Punto móvil

    xₙ=1/n pertenece al dominio y fₙ(xₙ)=1/2.
  3. Refutar

    ε₀=1/4 detecta un fallo en cada índice.
Resultado

El límite cero es continuo y, aun así, la convergencia no es uniforme.

Lo comprobamos

La continuidad del límite es necesaria para límites uniformes de continuas, pero no suficiente.

No exigir un fallo en todos los índices

En [0,1], fₙ=0 si n es par y fₙ=xⁿ si n es impar.

  1. Límite correcto

    Antes de uno ambos tipos tienden a cero; en uno la sucesión alterna cero y uno.

  2. Primera comprobación

    En uno ni siquiera hay convergencia puntual.

  3. Restringir

    En [0,1), sí hay límite puntual cero; los índices impares tienen puntos con error mayor que 1/2 arbitrariamente tarde.

Resultado

En [0,1) falla uniformidad aunque infinitos índices pares tengan error cero.

Lo comprobamos

Primero revisamos la existencia del límite en el dominio real de la pregunta; después buscamos los índices malos.

7. Por qué un límite uniforme de funciones continuas sigue siendo continuo

Queremos controlar |f(x)−f(a)|. Insertamos una sola función fₙ entre ambos valores: la distancia queda acotada por |f(x)−fₙ(x)|+|fₙ(x)−fₙ(a)|+|fₙ(a)−f(a)|. Son dos errores de aproximación y un error de continuidad.

Elegimos primero un n fijo que haga los dos errores exteriores menores que ε/3 en todo el dominio. Después la continuidad de esa fₙ en a proporciona δ para el término central. La suma es menor que ε. La continuidad es relativa al dominio y no requiere compacidad.

Una serie con suma continua aunque no la despejemos

fₙ(x)=Σ desde k=1 hasta n de sin(kx)/2ᵏ en ℝ.

  1. Cada parcial

    Es suma finita de funciones continuas.

  2. Cola

    Para m>n, el módulo de la cola es ≤Σ desde k=n+1 hasta m de 2⁻ᵏ<2⁻ⁿ.
  3. Límite

    La sucesión es uniformemente de Cauchy y tiene límite uniforme real; el teorema prueba que es continuo.

Resultado

No hace falta una fórmula cerrada de la suma para probar continuidad.

Lo comprobamos

La existencia uniforme usada aquí se explica en el paso siguiente mediante completitud.

Usar el teorema como prueba por contradicción

fₙ(x)=xⁿ en [0,1].

  1. Aproximantes

    Cada potencia es continua.

  2. Límite puntual

    Vale cero antes de uno y uno en uno: es discontinuo en ese extremo.

  3. Contradicción

    Si la convergencia fuera uniforme, el teorema obligaría a que el límite fuera continuo.

Resultado

La discontinuidad del límite confirma que no es uniforme.

Lo comprobamos

No es una prueba de que todo límite continuo sea uniforme; el ejemplo de picos anterior muestra que no.

8. Cauchy uniforme: comparar curvas entre sí antes de conocer la última

Decimos que fₙ es uniformemente de Cauchy si para todo ε>0 existe N tal que m,n≥N implican |fₙ(x)−fₘ(x)|<ε para todo x. Para valores reales o complejos, esto equivale a que exista un límite uniforme.

La completitud produce primero un límite f(x) para cada x. Una cota común de Cauchy, aplicada con ε/2 y haciendo m→∞, da |fₙ(x)−f(x)|≤ε/2<ε para todos los x. Para series, el criterio de Weierstrass ofrece ese control cuando |uₖ(x)|≤Mₖ y ΣMₖ converge.

Una serie numérica controla todas las entradas

Σ desde k=1 hasta ∞ de cos(kx)/3ᵏ en ℝ.

  1. Dominación

    |cos(kx)/3ᵏ|≤3⁻ᵏ.
  2. Cola geométrica

    Σ desde k=n+1 hasta ∞ de 3⁻ᵏ=1/(2·3ⁿ).
  3. Cauchy común

    Toda diferencia entre dos sumas parciales tardías tiene módulo acotado por esa cola.

Resultado

La serie converge uniforme y absolutamente en ℝ.

Lo comprobamos

La convergencia absoluta por separado en cada punto no habría dado por sí sola una cota uniforme.

No hay que conocer de antemano el límite

fₙ(x)=Σ desde k=1 hasta n de xᵏ/k² en [−1,1].

  1. Términos

    |xᵏ/k²|≤1/k².
  2. Serie dominante

    La serie numérica Σ1/k² converge.

  3. Concluir

    Weierstrass garantiza un límite uniforme de las sumas parciales.

Resultado

La función suma existe y es continua en todo [−1,1].

Lo comprobamos

Que haya derivadas de las sumas parciales no autoriza derivar la serie sin otro control.

9. Qué conserva la uniformidad y qué necesita condiciones nuevas

Si cada fₙ es uniformemente continua y la convergencia es uniforme, f también es uniformemente continua: en la prueba de tres errores usamos la δ global de una única fₙ elegida. En un intervalo finito, funciones integrables con límite uniforme permiten pasar el límite dentro de la integral.

Ni la derivación ni la integración en un dominio de longitud infinita se resuelven solo con uniformidad de valores. Las pendientes pueden oscilar mientras la altura se reduce; una altura pequeña también puede ocupar una región enorme. Cada operación pide su propio control.

Integrar con una longitud conocida

fₙ(x)=x+cos(nx)/n en [0,2].

  1. Uniformidad

    |fₙ−x|≤1/n.
  2. Error integral

    |∫₀²fₙ−∫₀²x|≤2/n.
  3. Resultado

    ∫₀²x=2 y el error tiende a cero.
Resultado

Las integrales convergen a 2.

Lo comprobamos

No usamos una estimación de la derivada oscilante, porque la operación solicitada es integrar en un intervalo finito.

No derivar solo porque la altura baja

fₙ(x)=sin(nx)/n en ℝ.

  1. Valores

    |fₙ|≤1/n: límite uniforme cero.
  2. Pendientes

    fₙ′(x)=cos(nx).
    En x=0 valen uno para todo n.
  3. Comparar

    La derivada del límite cero vale cero, no uno.

Resultado

La convergencia uniforme de valores no permite intercambiar límite y derivada.

Lo comprobamos

Una hipótesis suficiente usa convergencia uniforme de las derivadas y un valor de referencia convergente.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Convergencia uniforme

fₙ(x)=sin x/n en R.

  1. Leer la fórmula

    fₙ(x)=(sin x)/n: el índice divide al seno; no se trata de sin(x/n).

  2. Límite puntual

    Para x fijo, sin x es constante y fₙ(x)→0.
  3. Cota común

    |sin x|≤1 da |fₙ(x)|≤1/n para todo real.
  4. Supremo exacto

    En x=π/2 se alcanza 1/n.
  5. Elegir umbral

    Para ε>0 toma un entero N>1/ε; si n≥N el error es menor que ε.

  6. Conclusión

    El mismo N sirve en toda ℝ: la convergencia es uniforme a cero.

Resultado

Convergencia uniforme a cero.

Lo comprobamos

La misma estimación funciona en cualquier subconjunto de R; ampliar el dominio a toda la recta no aumenta el supremo más allá de 1/n.

EJEMPLO RESUELTO 2

Puntos que se desplazan

Refuta la uniformidad de xⁿ en [0,1].

  1. Límite correcto

    En [0,1), xⁿ→0; en uno, xⁿ=1.

    Definimos f con esos dos casos.

  2. Punto testigo

    xₙ=(1/2)^(1/n) pertenece a (0,1).
  3. Evaluar aproximante

    fₙ(xₙ)=1/2.
  4. Evaluar límite

    Como xₙ<1, f(xₙ)=0.
  5. Error fijo

    |fₙ(xₙ)−f(xₙ)|=1/2>1/4 en cada índice.
  6. Negar uniformidad

    Para ε₀=1/4 siempre hay un punto malo, por grande que sea el índice. No existe un N común.

Resultado

No converge uniformemente.

Lo comprobamos

El límite es discontinuo en uno y cada xⁿ es continua. El teorema de conservación de continuidad confirma independientemente el fallo.

Los símbolos que hemos usado

D
Dominio común de todas las funciones y del límite.
fₙ(x), f(x)
Valor de la función de índice n y valor de la función límite en x.
ε>0
Tolerancia de error solicitada.
N(x,ε)
Índice que puede depender del punto en convergencia puntual.
N(ε)
Índice común para todo el dominio en convergencia uniforme.
‖fₙ−f‖∞
Supremo del error |fₙ(x)−f(x)| al variar x∈D; puede ser infinito.
xₙ
Punto del dominio que puede variar con el índice para probar un fallo uniforme.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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