MA.2.2 闭区间上连续函数的性质

三值 + 一有界 + 一致连续

闭区间连续函数零值性

若f∈C[a,b], f(a)⋅f(b)<0, 则∃ξ∈(a,b), 使f(ξ)=0

理解:连续+异号=存在零点

证明思路:

证明使用 #区间套定理 + 二分法

保持:区间端点值异号、闭区间、连续


闭区间连续函数介值性

若f∈C[a,b], f(a)<f(b), 则对∀μ∈(f(a),f(b)), ∃ξ∈(a,b), 使f(ξ)=μ

理解:两个端点值之间必存在

Corollary

设I为区间, f(x)∈C(I)⇒f(I)也是区间
逆命题在特殊情况(单调,见下)成立
理解:连续函数定义域连续->值域连续

简证:

∀y1<y2∈f(I), ∃x1,x2∈I,
不妨设x1<x2, f(x1)=y1, f(x2)=y2
∵f(x)∈C[x1,x2], ∴∀μ∈(y1,y2)
根据 #介值定理

若f∈C[a,b], f(a)<f(b), 则对∀μ∈(f(a),f(b)), ∃ξ∈(a,b), 使f(ξ)=μ

理解:两个端点值之间必存在

∃ξ∈(x1,x2), 使f(ξ)=μ
∴[y1,y2]⊂f(I)
再由y1,y2任意性知: f(I)为区间


Corollary

设f∈C[a,b]且f存在反函数, 则f严格单调

理解:否则不是单射

证明思路:

证明使用反证法,此时在端点与函数驻点之间运用 #介值定理 ,必定能找到两个y与x对应


任何奇次多项式至少有一个实零点

见笔记

Lemma

若区间I上单调函数φ的值域为区间,则φ∈C(I)

理解:单调连续函数无间断=值域为区间

简证:

使用反证法,假设单调递增、x0间断,则在间断的去心邻域 U˚(x0,δ) 有界(左右端点函数值)
由 #单调函数单侧极限定理
φ(x0−0)=supf(x0−δ,x0),
φ(x0+0)=inff(x0,x0+δ)
∴φ(x0−0)≤φ(x0)≤φ(x0+0)
由间断知: 等号不能同时取得, 即φ(x0−0)<φ(x0+0)
∵φ(x0){≤φ(x0−0)x<x0≥φ(x0+0)x>x0
∴(φ(x0−0),φ(x0+0))中至多含φ(I)中一点,即φ(x0)
P.S. 至多:当φ(x0)与某一侧极限相等/连续时则不含有点
∴φ(I)非区间, 矛盾


若函数f(x)在区间I严格单调且连续, 记J=f(I), 则其反函数f−1在区间J上连续

证明如下:

非常优雅的证明:
首先, f−1在J上严格单调
其次, ∵f∈C(I), 由推论知: J=f(I)为区间
且, f−1的值域I也为区间
由引理知: f−1在J上连续


Example

证明:limx→0:arcsin⁡xx=1, limx→0:arctan⁡xx=1


闭区间连续函数有界性

若f∈C[a,b], 则f在[a,b]上有界

证明如下

使用反证法:若f在[a,b]无界, 即:
∀M>0, ∃xM∈[a,b], 使|f(xM)|>M

取M=1, ∃x1∈[a,b], 使f(x1)>M
取M=2, ∃x2∈[a,b], 使f(x2)>M
以此类推
取M=n, ∃xn∈[a,b], 使f(xn)>M

运用 #BW定理

#BW定理 列紧性定理 致密性定理

有界数列必存在收敛子列
可以是多个极限不同的数列

由于xn∈[a,b]有界, ∃xnk∈xn
有limk→∞f(xnk)=∞
∵f(xM)>M, ∴|f(xnk)|>xnk≥k,
∴limk→∞f(xnk)=∞

由 #连续函数极限的穿越

若f(x)连续, 则lim和f可交换位置

limk→∞f(xnk)=f(limk→∞xnk)=f(x0)=∞
函数无意义, 矛盾

另:若换成开区间后不成立
例如:x0=a时, 函数取值无意义, lim不可穿越


闭区间连续函数最值性

若f∈C[a,b], 则f在[a,b]上有最大、最小值, 即∃ξ1, ξ2∈[a,b], 使得

f(ξ1)=m=minx∈[a,b]f(x), f(xi2)=M=maxx∈[a,b]f(x)

证明:

构造辅助函数
由 #闭区间连续函数有界性

若f∈C[a,b], 则f在[a,b]上有界

知 值域f([a,b])非空、f有界
⇒f([a,b])有sup,inf
根据 #确界原理 , 存在上下确界
M=supf([a,b])∈R
下证: 上确界M∈f([a,b]), 即可证有最大值
反证法:若M∉f([a,b]), 则∀x∈[a,b]
有M>f(x)
令F(x)=1M−f(x) Tips: 1C∈C
则F∈C[a,b]
根据 #闭区间连续函数有界性
∃ β>0, 使∀x∈[a,b], 有
F(x)=1M−f(x)<β
∴f(x)<M−1β<M
故M−1β也为上界, 与M=supf([a,b])矛盾

Corollary

设f∈C[a,b], 则值域f([a,b])是闭区间

理解:闭区间→闭区间

设f∈C(R), 且limx→∞f(x)=A∈R, 证明: f有界

证明思路:

证明远处带状区域有界:取ε0=1⇒|f(x)|<|A|+1, (|x|>|X|)
证明中间有界:
当x∈[−X,X],
根据 #闭区间连续函数有界性

若f∈C[a,b], 则f在[a,b]上有界

∴|f(x)|<B
⇒M=max{|A|+1,B}, ∀x∈R, |f(x)≤M


Example

Pasted image 20231101171406.png


Proposition

设f∈C[a,b], M(x)是f在区间[a,x](a≤x≤b)上的最大值, 证明: $$\lim\limits_{x\to a^{+}}M(x)=f(a)$$

简证:

∵limx→a+f(x)=f(a)
∴∀ε>0, ∃δ>0, ∀a≤t<a+δ有
|f(t)−f(a)|<ε⋯(∗)
由 #闭区间连续函数最值性

若f∈C[a,b], 则f在[a,b]上有最大、最小值, 即∃ξ1, ξ2∈[a,b], 使得
f(ξ1)=m=minx∈[a,b]f(x), f(xi2)=M=maxx∈[a,b]f(x)

∃ ξx∈[a,x]⊂[a,a+δ]
使M(x)=f(ξx)⋯(∗∗)
由(∗), (∗∗)
|M(x)−f(x)|=|f(ξx)−f(a)|<ε


一致连续性

f∈U.C(I)

设f在区间I上有定义, 若∀ε>0, ∃δ>0, ∀x′,x″∈I, 且|x′−x″|<δ, 有

|f(x′)−f(x″)|<ε

则称f在I上一致连续, 记为f∈U.C(I)

非逐点定义:整体定义

一致连续与连续的关系及几何意义

函数极限的 #epsilon-delta定义

∀ ε>0, ∃ δ>0, 当 0<|x−x0|<δ 时有
|f(x)−l|<ε
则记为
limx→x0f(x)=l或f(x)→l  (x→x0)


左右单侧极限同理可得

设f在区间I上有定义, 若∀ε>0, ∃δ>0, ∀x′,x″∈I, 且|x′−x″|<δ, 有
|f(x′)−f(x″)|<ε
则称f在I上一致连续, 记为f∈U.C(I)

非逐点定义:整体定义

对比:f∈U.C(I) 与 #连续的epsilon-delta表述 的差异

连续的ε-δ表述
∀x′∈I, ∀ε>0, ∃δ(ε,x′)>0, ∀x″∈I且|x′−x″|<δ,有

|f(x′)−f(x″)|<ε

一致连续性:加强
∀ε>0, ∃δ(ε)>0, ∀x′∈I, ∀x″∈I且|x′−x″|<δ,有

|f(x′)−f(x″)|<ε

一致连续性的否定

∃ε>0, ∀δ>0(不具备可操作性), ∀x′∈I, ∃x″∈I且|x′−x″|<δ,有

|f(x′)−f(x″)|>ε
#不一致连续 肯定叙述

∃ε0>0, ∃xn′,xn″∈I: limn→∞(xn′−xn″)=0, 但 |f(xn′)−f(xn″)|≥ε0

理解:自变量接近,函数值不接近

证明:

取ε1=1, ∃ε0>0, x1′,x1″∈I且|x1′−x1″|<1n ⇒limn→∞(x1′−x1″)=0, 有

f(x1′)−f(x1″)≥ε0

⇕
取εn=1n, ∃ε0>0, xn′,xn″∈I且|xn′−xn″|<1n ⇒limn→∞(xn′−xn″)=0, 有

f(xn′)−f(xn″)≥ε0
Example

设f(x)=ax+b, 证明f∈U.C(R)

证明:∀ε>0, 取δ=ε|a|+1, ∀x′,x″∈R
且|x′−x″|<δ时, 有
|f(x′)−f(x″)|=|a||x′−x″|<|a|⋅ε|a|+1<|a|⋅ε|a|=ε


思考: 震荡
证明f(x)=sin⁡1x在(0,1)内不一致连续

证明:取ε0=1, 令xn′=12nπ, xn″=12nπ+π2∈(0,1)
limn→∞(xn′−xn″)=0, 但 |f(xn′)−f(xn″)|=1


证明f(x)=x2在R上不一致连续

证明:取ε0=1, 令xn′=n, xn″=n+1∈(0,1)
limn→∞(xn′−xn″)=0, 但 |f(xn′)−f(xn″)|=1

或

令xn′=n, xn″=n+1n, 下略


f∈C[a,b], ⇒f∈U.C[a,b]

证明:

若f∉U.C[a,b], 即 ∃ε0>0,xn′,xn″⊂[a,b], 满足limn→∞(xn′−xn″)=0
但|f(xn′)−f(xn″)|>ε0
∵{xn′}有界
根据 #BW定理

#BW定理 列紧性定理 致密性定理

有界数列必存在收敛子列
可以是多个极限不同的数列

∃{xnk′}∈{xn′}收敛,
limk→∞xnk=x0∈[a,b]
而limk→∞xnk″=limk→∞[(xnk″−xnk′+xnk′] #添项
∵|f(xnk′)−f(xnk″)|≥ε0(∀k∈N+)
使用 #连续函数极限的穿越
∴ε0≤limk→0|f(xnk′)−f(xnk″)|=|limk→0f(xnk′)−f(xnk″)|=|f(limk→0xnk′)−f(limk→0xnk″)|=|f(x0)−f(x0)|=0


Theorem

设f∈C(a,b), 则
f∈U.C(a,b)⇔f(a+0), f(b−0)存在

理解:
一致连续=端点不陡峭=单侧极限存在

证明:

⇒
∵f∈C(a,b)
∴∀ε>0, ∃δ>0,∀x′, x″∈(a,b),|x′−x″|<δ,有

|f(x′)−f(x″)|<ε

∴∀x′,x″∈(a,a+δ):|x′−x″|<ε
使用 #Cauchy判别准则

limx→x0f(x)存在⇔
∀ε>0,∃δ>0,∀x′,x″∈U˚(x0,δ): |f(x′)−f(x″)|<ε
其他五种极限不再赘述

∴∃f(a+0)
同理,∃f(b−0)


⇐
"补充定义"
F(x):={f(a+0),x=af(x),x∈(a,b)f(b−0),x=b
∴limx→a+f(x)=f(a+0)=F(a)
类似地, limx→b−f(x)=f(b−0)=F(b)
∴F在x=a右连续, x=b左连续,且x∈C(a,b)
∴F∈C[a,b]
由 #Cantor定理
F∈U.C[a,b]→F∈U.C(a,b)

Example

判断f∈?U.C(I)
f(x)=xsin⁡1x,x∈(0,+∞)
f(x)=sin⁡xx, x∈(0,+∞)
f(x)=1xsin⁡1x, x∈(0,1)
f(x)=sin(x2), x∈R

Bonus: 证明sin⁡(x2)非周期函数


Proposition

若f∈C(a,+∞), 且x→∞时有极限⇒f∈U.C(a,+∞)

Proposition

若f∈C(R)且为周期函数 ⇒ f∈U.C(R)

理解:连续周期函数必一致连续