Предложите контрпример к утверждению: "Если последовательность функций f_n сходится равномерно к f на [a,b], то интеграл из |f_n| сходится к интегралу из |f|" — объясните, при каких условиях утверждение истинно
Короткий ответ: на компактном отрезке контрпримера нет — утверждение верно. Контрпример возможен на множестве бесконечной меры. Контрпример (неограниченная по мере область): на [0,∞)[0,\infty)[0,∞) положим fn(x)=1n(x≥0).
f_n(x)=\frac{1}{n}\quad(x\ge0). fn(x)=n1(x≥0).
Тогда fn→0f_n\to0fn→0 равномерно (так как supx∣fn(x)−0∣=1/n→0\sup_x|f_n(x)-0|=1/n\to0supx∣fn(x)−0∣=1/n→0), но ∫0∞∣fn(x)∣ dx=∫0∞1n dx=+∞↛∫0∞0 dx=0.
\int_0^\infty |f_n(x)|\,dx=\int_0^\infty\frac{1}{n}\,dx=+\infty\not\to\int_0^\infty 0\,dx=0. ∫0∞∣fn(x)∣dx=∫0∞n1dx=+∞→∫0∞0dx=0.
Итого: равномерная сходимость сама по себе не гарантирует сходимость интегралов, если область интегрирования имеет бесконечную меру или функции не интегрируемы. Когда утверждение истинно: пусть fnf_nfn и fff интегрируемы на конечном отрезке [a,b][a,b][a,b] и fn→ff_n\to ffn→f равномерно. Тогда абсолютная функция непрерывна, значит ∣fn∣→∣f∣|f_n|\to|f|∣fn∣→∣f∣ равномерно, и, в частности, supx∈[a,b]∣∣fn(x)∣−∣f(x)∣∣→0.
\sup_{x\in[a,b]} \big||f_n(x)|-|f(x)|\big|\to0. x∈[a,b]sup∣fn(x)∣−∣f(x)∣→0.
Используя неравенство ∣∣x∣−∣y∣∣≤∣x−y∣\big||x|-|y|\big|\le|x-y|∣x∣−∣y∣≤∣x−y∣, получаем ∣∫ab∣fn∣−∫ab∣f∣∣≤∫ab∣∣fn∣−∣f∣∣≤(b−a)supx∈[a,b]∣∣fn(x)∣−∣f(x)∣∣→0.
\left|\int_a^b |f_n|-\int_a^b |f|\right|\le\int_a^b \big||f_n|-|f|\big|\le (b-a)\sup_{x\in[a,b]}\big||f_n(x)|-|f(x)|\big|\to0. ∫ab∣fn∣−∫ab∣f∣≤∫ab∣fn∣−∣f∣≤(b−a)x∈[a,b]sup∣fn(x)∣−∣f(x)∣→0.
Следовательно ∫ab∣fn∣→∫ab∣f∣\int_a^b |f_n|\to\int_a^b |f|∫ab∣fn∣→∫ab∣f∣. Аналогично для измеримых функций и Лебега: при конечной мере множества и равномерной сходимости имеем доминирование постоянной supx∣fn(x)∣\sup_x|f_n(x)|supx∣fn(x)∣ и можно применять теорему о доминированной сходимости.
Контрпример (неограниченная по мере область): на [0,∞)[0,\infty)[0,∞) положим
fn(x)=1n(x≥0). f_n(x)=\frac{1}{n}\quad(x\ge0).
fn (x)=n1 (x≥0). Тогда fn→0f_n\to0fn →0 равномерно (так как supx∣fn(x)−0∣=1/n→0\sup_x|f_n(x)-0|=1/n\to0supx ∣fn (x)−0∣=1/n→0), но
∫0∞∣fn(x)∣ dx=∫0∞1n dx=+∞↛∫0∞0 dx=0. \int_0^\infty |f_n(x)|\,dx=\int_0^\infty\frac{1}{n}\,dx=+\infty\not\to\int_0^\infty 0\,dx=0.
∫0∞ ∣fn (x)∣dx=∫0∞ n1 dx=+∞→∫0∞ 0dx=0. Итого: равномерная сходимость сама по себе не гарантирует сходимость интегралов, если область интегрирования имеет бесконечную меру или функции не интегрируемы.
Когда утверждение истинно: пусть fnf_nfn и fff интегрируемы на конечном отрезке [a,b][a,b][a,b] и fn→ff_n\to ffn →f равномерно. Тогда абсолютная функция непрерывна, значит ∣fn∣→∣f∣|f_n|\to|f|∣fn ∣→∣f∣ равномерно, и, в частности,
supx∈[a,b]∣∣fn(x)∣−∣f(x)∣∣→0. \sup_{x\in[a,b]} \big||f_n(x)|-|f(x)|\big|\to0.
x∈[a,b]sup ∣fn (x)∣−∣f(x)∣ →0. Используя неравенство ∣∣x∣−∣y∣∣≤∣x−y∣\big||x|-|y|\big|\le|x-y| ∣x∣−∣y∣ ≤∣x−y∣, получаем
∣∫ab∣fn∣−∫ab∣f∣∣≤∫ab∣∣fn∣−∣f∣∣≤(b−a)supx∈[a,b]∣∣fn(x)∣−∣f(x)∣∣→0. \left|\int_a^b |f_n|-\int_a^b |f|\right|\le\int_a^b \big||f_n|-|f|\big|\le (b-a)\sup_{x\in[a,b]}\big||f_n(x)|-|f(x)|\big|\to0.
∫ab ∣fn ∣−∫ab ∣f∣ ≤∫ab ∣fn ∣−∣f∣ ≤(b−a)x∈[a,b]sup ∣fn (x)∣−∣f(x)∣ →0. Следовательно ∫ab∣fn∣→∫ab∣f∣\int_a^b |f_n|\to\int_a^b |f|∫ab ∣fn ∣→∫ab ∣f∣.
Аналогично для измеримых функций и Лебега: при конечной мере множества и равномерной сходимости имеем доминирование постоянной supx∣fn(x)∣\sup_x|f_n(x)|supx ∣fn (x)∣ и можно применять теорему о доминированной сходимости.