Teorema limit seragam

Dalam matematika, **teorema limit seragam** menyatakan bahwa limit seragam dari suatu barisan fungsi kontinu juga fungsi kontinu.

## Isi Pernyataan
Lebih tepatnya, diberikan X adalah suatu ruang topologis dan Y adalah ruang metrik. Misalkan f_n \colon X \to Y adalah barisan fungsi yang konvergen seragam ke fungsi f \colon X \to Y. Menurut teorema limit seragam, jika fungsi f_n adalah fungsi kontinu (untuk setiap bilangan asli n), maka limit fungsinya (yaitu fungsi f) adalah fungsi kontinu juga.

Teorema ini tidak berlaku jika hipotesis konvergensi seragam diganti dengan konvergensi titik demi titik. Sebagai contoh, misalkan f_n \colon \left[ 0, \, 1 \right] \to \mathbb{R} adalah barisan fungsi f_n (x) = x^n. Dari definisi fungsi f_n, terlihat jelas bahwa fungsi f_n adalah fungsi kontinu, untuk setiap bilangan asli n. Akan tetapi, barisan tersebut konvergen titik demi titik ke suatu fungsi f yang diskontinu, dengan
 f(x) = \left\{ \begin{array}{ccl} 0 & & \text{untuk } x \in \left[ 0, \, 1 \right) \\ 1 & & \text{untuk } x = 1 \end{array} \right. Contoh lainnya dapat dilihat pada gambar di bagian kanan atas halaman ini.

Dalam istilah pada ruang fungsi, teorema limit seragam menyatakan bahwa ruang \mathcal{C} (X, \, Y) dari semua fungsi kontinuu dari ruang topologis X ke ruang metrik Y adalah himpunan bagian tertutup dari Y^X terhadap norma seragam. Pada kasus di mana Y merupakan ruang metrik lengkap, hal tersebut mengakibatkan \mathcal{C} (X, \, Y) juga merupakan ruang metrik lengkap. Lebih lanjut, jika Y adalah ruang Banach, maka \mathcal{C} (X, \, Y) itu sendiri adalah ruang Banach terhadap norma seragam.

Teorema limit seragam juga berlaku jika hipotesis fungsi kontinu diganti dengan kontinu seragam. Dengan kata lain, jika X dan Y adalah ruang metrik dan f_n \colon X \to Y adalah barisan fungsi kontinu seragam yang konvergen seragam ke fungsi f, maka fungsi f juga fungsi yang kontinu seragam.

## Bukti
### Kasus Khusus : Bilangan Riil dengan Jarak Euklides
Untuk membuktikan kekontinuan dari fungsi f pada interval \left[ a, \, b \right] \subseteq \mathbb{R} dengan fungsi jarak beda mutlak, maka berdasarkan definisi kekontinuan, harus ditunjukkan bahwa
\left( \forall \varepsilon > 0 \right) \left( \exists \delta > 0 \right) \left( \left( \left| x - c \right| 
untuk setiap c \in \left[ a, \, b \right].

Diambil sembarang c \in \left[ a, \, b \right] dan suatu nilai \varepsilon > 0. Berdasarkan hipotesis,
# Diketahui bahwa fungsi f_n konvergen seragam ke f. Berdasarkan definisi konvergensi seragam, maka \left( \exists k \in \mathbb{N} \right) \left( \left( n \geq k \right) \implies \left( \left| f_n (x) - f(x) \right|  untuk sembarang x \in \left[ a, \, b \right]. Jika dipilih n = k, maka berlaku pertidaksamaan \left| f_k (x) - f(x) \right|  untuk sembarang x \in \left[ a, \, b \right]. Oleh karena c \in \left[ a, \, b \right], maka berlaku juga \left| f_k (c) - f(c) \right| 
# Diketahui bahwa fungsi f_n adalah fungsi kontinu pada interval \left[ a, \, b \right], untuk setiap n \in \mathbb{N}. Berdasarkan definisi kontinuu, maka \left( \exists \delta_n > 0 \right) \left( \left( \left| x - c \right|  Oleh karena k \in \mathbb{N}, maka \left( \exists \delta_k > 0 \right) \left( \left( \left| x - c \right| 
Apabila dipilih \delta = \delta_k, maka semua pertidaksamaan di atas akan terpenuhi, sehingga dengan menggunakan pertidaksamaan segitiga, diperoleh
\begin{align}
\left| f(x) - f_k (x) + f_k (x) - f_k (c) + f_k (c) - f(c) \right| &\leq \underbrace{\left| f(x) - f_k (x) \right|}_{\text{Konvergensi seragam}} + \underbrace{\left| f_k (x) - f_k (c) \right|}_{\text{Kekontinuan dari } f_k (x)} + \underbrace{\left| f_k (c) - f(c) \right|}_{\text{Konvergensi seragam}} 
Oleh karena nilai c dipilih secara sembarang, maka terbukti bahwa fungsi f kontinuu pada \left[ a, \, b \right].

### Perumuman
Untuk membuktikan kekontinuan dari fungsi f pada suatu ruang topologis X dengan suatu ruang metrik Y, maka berdasarkan definisi kekontinuan, harus ditunjukkan bahwa untuk setiap \varepsilon > 0, terdapat suatu persekitaran S dari setiap titik x \in X sedemikian sehingga
\left( \forall y \in S \right) \implies \left( \| f(x) - f(y) \| 

Diambil sembarang x \in X dan suatu nilai \varepsilon > 0. Berdasarkan hipotesis,
# Diketahui bahwa fungsi f_n konvergen seragam ke f. Berdasarkan definisi konvergensi seragam, maka \left( \exists k \in \mathbb{N} \right) \left( \forall a \in X \right) \left( \left( n \geq k \right) \implies \left( \| f_n (a) - f(a) \|  Jika dipilih n = k, maka berlaku pertidaksamaan \| f_k (a) - f(a) \|  untuk sembarang a \in X. Oleh karena x \in X, maka berlaku \| f_k (x) - f(x) \| 
# Diketahui bahwa fungsi f_n adalah fungsi kontinu pada ruang topologis X, untuk setiap n \in \mathbb{N}. Berdasarkan definisi kontinuu, maka \left( \exists S_x \right) \left( \forall y \in S_x \right) \implies \left( \| f_n (x) - f_n (y) \|  Oleh karena k \in \mathbb{N}, maka \left( \exists S_x \right) \left( \forall y \in S_x \right) \implies \left( \| f_k (x) - f_k (y) \| 
Diambil sembarang y \in S_x. Dengan menggunakan aksioma pertidaksamaan segitiga pada ruang metrik Y, diperoleh
\begin{align}
\| f(x) - f_k (x) + f_k (x) - f_k (y) + f_k (y) - f(y) \| &\leq \underbrace{\| f(x) - f_k (x) \|}_{\text{Konvergensi seragam}} + \underbrace{\| f_k (x) - f_k (y) \|}_{\text{Kekontinuan dari } f_k (x)} + \underbrace{\| f_k (y) - f(y) \|}_{\text{Konvergensi seragam}} 
Oleh karena nilai x dan y dipilih secara sembarang, maka terbukti bahwa fungsi f kontinuu pada X.

## Teorema Limit Seragam dalam Analisis Kompleks
Terdapat beberapa variasi dari teorema limit seragam yang digunakan dalam analisis kompleks, walau dengan modifikasi asumsi.

## Catatan

## Referensi

* 

* E. M. Stein, R. Shakarachi (2003). *Complex Analysis (Princeton Lectures in Analysis, No. 2)*, Princeton University Press.

* E. C. Titchmarsh (1939). *The Theory of Functions*, 2002 Reprint, Oxford Science Publications.