函数的一致连续性

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哈尔滨师范大学

学年论文

题目关于函数一致连续的探究学生万鑫

指导教师曾伟梁副教授

年级 2008级

专业信息与计算科学

系别信息系

学院数学学院

哈尔滨师范大学

2011年 6 月

关于一致连续函数的判据

万鑫

摘 要:连续与一致连续是数学分析中非常重要也非常基础的概念。这两个概念来自于实际问题,现实问题。我们经常观察的自然现象,如生物的连续生长,反映的是事物连续不断的变化的过程,如果用函数来刻画即是函数的连续性。数学分析研究种种不同性质的函数,其中有一类重要的函数就是一致连续函数。我们通过给出一致连续函数与非一致连续函数的定义,从而对函数的一致连续性进行探讨。

关键词:一致连续 非一致连续 判别依据 比较判别法 比值判别法。

一 函数)(x f 一致连续的概念

定义1:设函数()x f 在()a u 上有定义,若函数()x f 在点a 上存在极限,且极限是()a f ,

即()()a f x f a

x =→lim ,则称函数()x f 在点a 上连续,也称a 是函数()x f 的连续点.

用“δε—”语言叙述:函数()x f 在a 上连续⇔0>∀ε,0>∃δ,

x ∀:,δ<-a x 时,有()()ε

定义2: 设函数()x f 在区间I (开区间,闭区间,半开区间及无穷区间)上有定义,若0>∀ε,0>∃δ,I x x ∈∀21,,

δ<-X

X 2

1

时,有()()ε

可以看出,函数c 在I 上一直连续是指:不管x 1,x 2在I 中的位置如何,只要他们的距离小于δ,可使()()ε

x 1

,x 2

无关。

定义3: 设函数()x f 在区间I 上有定义,若0>∃ε,0>∀δ ,I x x ∈∃21, ,

δ<-X

X 2

1

时有()()ε≥-x x f f 21,则称函数()x f 在I 上非一致连续。

对于函数()x f 在区间I 上非一致连续,也就是说存在某个正数ε

,不论任何的

正数δ,在区间I 内至少存在两点与

x 1

x

2

,虽然

δ<-X

X 2

1

,但

()()ε≥-x x f f 21。

评注1:一直连续的实在,就是当这个区间的任意两个彼此充分靠近的点上的值之差(就绝对值来说)可以任意小。

用定义证明函数)(x f 在I 上一致连续,通常的方法是设法证明函数)(x f 在I 上满足lipschitz 条件,)()(x f x f ''-'≤x x ''-',∀x ',x ''∈I ,其中L 为某一常值函数,此条件必成立。特别的若函数)(x f '在I 上是有界函数,则函数)(x f 在I 上lipschitz 条件成立。

二 函数一致性连续的判断依据

(一)一致连续函数()x f 的运算性质

性质1 设函数()x f 与()x g 在区间I 上一致连续,则()()x bg x af +在区间I 上也一致连续(b a ,为任意常数)。

性质 2 设函数()x f 与()x g 在区间r 上一致连续且有界,则()()x g x f *在区间r 上一致连续且有界。

性质3 设函数()x f 在区间I (有限或无限)上一致连续,且有正的下确界(或负的上确界),则

()

x f 1

在区间I 上也一致连续。 性质 4 设函数()x f 在区间I 上一致连续,()x g 在区间u 上一致连续,且

()I u g ∈

,则复合函数()()x g f 在区间u 上一致连续。

性质5 设函数()x f 与()x g 在有限区间I 上一致连续,则()()x g x f *在有限区间I 上也一致连续。

必需指出,对于一致连续函数的反函数的一致连续性未必成立。例如函数

()x x f =在()+∞,0上一致连续,而它的反函数在()+∞,0上非一致连续。但可以证明在有限区间上此结论为真。

例1 若函数()x f 是有限区间I 上的一直连续函数,()x g 在I 上非一致连续,问:()()x g x f ±在区间I 上一致连续性?

解:假设()()x g x f +在区间I 上一致连续,又()x f 是有限I 上的一直连续函数,由性质1可得()()()[]()x f x g x f x g -+=在I 的一致连续,这与条件矛盾!所以()()x g x f +在区间I 上非一致连续,同理()()x g x f -在区间I 上非一致连续,所以()()x g x f ±在区间I 上非一致连续性.

(二)一致连续的判断依据

命题 1 若函数()x f 在区间I 上满足lipschitz 条件,即I y x ∈∀,,有

()()y x k y f x f -<-,其中k 为常数,则函数()x f 在区间I 上一致连续。 证明:因为函数在区间I 上满足lipschitz 条件,即I y x ∈∀,,有()()y x k y f x f -<-,于是,0>∀ε,由于()()ε<-<-y x k y f x f ,有k

y x ε

<-,

取0>=

k

ε

δ,且δ与y x ,无关,从而0>∀ε, 0>=

∃k

ε

δ,I x x ∈∀21,:

δ<-X

X 2

1

,有()()ε

命题2(康托定理)若函数()x f 在区间],[b a 上连续,则函数()x f 在区间],[b a 上也一致连续.

证明(反证法) 假设函数()x f 在区间],[b a 非一致连续,取n

1

=

δ,......)3,2,1(=n ,则在],[b a 区间内存在两点

x n

1,

x n

2

......)3,2,1(=n ,有

n x x n n

121<-,但ε021≥⎪⎭

⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛x x n n f f .根据魏斯特拉斯定理知,在有界数列}1{x n

中存在一个收敛的子列x x n k

01

→ )(∞→k ,其中

],[0

b a x ∈,又由于

n

x x k n n k k 121<-即021→-x x n n k k )(∞→k ,因为x x n

k

01→)(∞→k ,并且

ε021≥⎪⎭

⎫ ⎝⎛-⎪⎭⎫ ⎝⎛x x n

n f f 对一切k 都成立。另外函数()x f 在点x 0连续,根据函数极限与数列极限的关系,有()x x f n f x k

k 01lim 0=⎪⎭⎫

⎝⎛→,().20lim 0

x x f n

f x k

k =⎪⎭

⎛→于是

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