Satz von Dini

In der Mathematik besagt der (nach Ulisse Dini benannte) Satz von Dini, dass eine monotone Folge reellwertiger stetiger Funktionen mit stetiger Grenzfunktion auf Kompakta gleichmäßig konvergiert.

Aussage

Sind <math>X</math> ein kompakter topologischer Raum,

<math>(f_i\colon X \rightarrow \mathbb{R})_{i\in\N}</math>

eine Folge reellwertiger, stetiger Funktionen mit

für alle natürlichen Zahlen <math>i</math> und alle <math>x\in X</math> und existiert eine stetige Grenzfunktion <math>f</math>, das heißt

<math>\lim_{i\to \infty}f_i(x) = f(x)</math>

für alle <math>x\in X</math>, so konvergiert die Folge bereits gleichmäßig gegen <math>f</math>, das heißt

<math>\lim_{i\to \infty} \sup_{x\in X}|f_i(x) - f(x)| = 0.</math>

Beweis

Für ein vorgegebenes <math>\varepsilon>0</math> setze

<math>E_i:=\{x\in X \mid f(x)-f_i(x)<\varepsilon\}</math>.

Da die Folge der <math>f_i</math> punktweise gegen <math>f</math> konvergiert, bilden die <math>E_i</math> eine Überdeckung von <math>X</math>, die wegen der vorausgesetzten Stetigkeit offen ist. Die Überdeckung <math>(E_i)_i</math> ist monoton wachsend, da die Funktionenfolge diese Eigenschaft hat. Weil <math>X</math> kompakt ist, wird <math>X</math> bereits von endlich vielen der <math>E_i</math> überdeckt. Ist <math>N</math> der größte Index dieser endlich vielen Überdeckungsmengen, so gilt <math>E_i=X</math> für alle größeren Indizes <math>i</math>. Also ist

<math>|f(x)-f_i(x)| = f(x)-f_i(x)<\varepsilon \,</math> für alle <math>x\in X</math> und <math>i>N \,</math>,

woraus die Behauptung folgt.

Bemerkung

Der Satz von Dini gilt auch für monoton fallende Folgen, wie man entweder durch einen entsprechend angepassten Beweis oder durch Übergang zur Folge <math>(-f_i)_{i\in \N}</math> sieht.

Auf die Voraussetzung, dass die Grenzfunktion wieder stetig ist, kann nicht verzichtet werden, wie man an dem Beispiel <math> f_i(x) = 1 - x^i </math> auf <math>X = [0,1]</math> einfach sehen kann.

Literatur

Otto Forster: Analysis. Band 3: Maß- und Integrationstheorie, Integralsätze im Rⁿ und Anwendungen, 8. verbesserte Auflage. Springer Spektrum, Wiesbaden, 2017, ISBN 978-3-658-16745-5.
Dirk Werner: Funktionalanalysis. Springer, Berlin 2005, ISBN 3-540-43586-7.