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Topos Uranos

摘要

本课把极限引向它的第一个结构性推论,即连续性,后面的一课将把它推广到所有初等函数。函数在一点连续,是指它在该点的值正是附近的值所预示的值;借助前面各课的极限,这一想法写成惯常的挑战与回应,只有一个区别:该点本身不再被排除。由此可知,在聚点处的连续性等价于极限存在且等于函数值,而且连续性的几乎所有定理都可以从极限的运算法则继承,无需新的证明。间断被分为可去间断、跳跃间断和本性间断,可去间断用连续延拓来修补。唯一新的论证是关于复合的论证,在那里连续性比极限做得更多:它去掉了复合函数极限定理所要求的假设,并允许把极限移入连续函数之内。

学习目标

  1. 定义在一点、单侧和在区间上的连续性,并把它与极限联系起来。
  2. 把间断分为可去间断、跳跃间断和本性间断,并对具有可去间断的函数作连续延拓。
  3. 证明连续函数的和、积、商、根式与复合的连续性,并由此推出多项式、有理函数和三角函数的连续性。
  4. 通过把极限移入连续函数来计算极限,并研究只在一点连续或处处不连续的函数。

定义

在关于实变量函数的极限的课中,定义有意排除了点 aa:极限描述的是在 aa 附近发生的事,而不是在 aa 处发生的事,函数在那里甚至可以没有定义。连续性则比较这两者:附近发生的事和该点本身发生的事。

定义在一点连续的函数

设 ff 是定义在集合 AA 上的函数,aa 是 AA 的一个元素。称 ff 在 aa 处连续,如果对任意 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ>0\delta > 0,使得每个 xx(属于 AA 且满足 ∣x−a∣<δ\abs{x - a} < \delta)也满足 ∣f(x)−f(a)∣<ε\abs{f(x) - f(a)} < \varepsilon:

(∀ε>0)(∃δ>0)(∀x∈A)(∣x−a∣<δ→∣f(x)−f(a)∣<ε)(\forall \varepsilon > 0)(\exists \delta > 0)(\forall x \in A)\left(\abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{f(x) - f(a)} < \varepsilon\right)

如果 ff 在 aa 处不连续,就称它在 aa 处间断。如果它在集合 SS(包含于 AA)的所有点处连续,就称它在 SS 上连续;如果它在整个定义域上都连续,就简单地称它是连续的。

这个定义与极限的定义有三点不同。值所必须趋近的数不是任意的 LL,而是 f(a)f(a);因此 aa 必须属于定义域。回应 ∣x−a∣<δ\abs{x - a} < \delta 不排除 x=ax = a,不过把它包括进来毫无代价,因为 ∣f(a)−f(a)∣=0\abs{f(a) - f(a)} = 0。并且不要求 aa 是 AA 的聚点。否定的得法与关于极限的课中相同:ff 在 aa 处间断,如果存在 ε>0\varepsilon > 0,使得对任意 δ>0\delta > 0,都有一个 xx(属于 AA)满足 ∣x−a∣<δ\abs{x - a} < \delta 和 ∣f(x)−f(a)∣≥ε\abs{f(x) - f(a)} \geq \varepsilon。

命题连续性与极限

设 ff 是定义在 AA 上的函数,aa 是 AA 的一个元素。若 aa 是 AA 的聚点,则 ff 在 aa 处连续当且仅当 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a)。若 aa 是 AA 的孤立点,则 ff 在 aa 处连续。 两个定义的要求除在点 aa 处外完全相同,而在该点连续性自动成立。图中,带形区域围住值 f(a)f(a),它现在是图像上的一个实心点;最后是定义域的一个孤立点。

证明

  1. 0<∣x−a∣<δ→∣x−a∣<δ→∣f(x)−f(a)∣<ε0 < \abs{x - a} < \delta \rightarrow \abs{x - a} < \delta \rightarrow \resaltar{\abs{f(x) - f(a)} < \varepsilon}

    若 ff 在 aa 处连续,则回应 δ\delta(对每个挑战 ε\varepsilon 而言)特别地对 xx(满足 0<∣x−a∣<δ0 < \abs{x - a} < \delta)也适用:它是极限的一个回应,其中 L=f(a)L = f(a)。

  2. x=a→∣f(a)−f(a)∣=0<εx = a \rightarrow \abs{f(a) - f(a)} = \resaltar{0} < \varepsilon

    反过来,若极限是 f(a)f(a),极限的回应覆盖所有 xx(不同于 aa),而在 x=ax = a 处条件总是成立:它是连续性的一个回应。

  3. ∣x−a∣<δ∧x∈A→x=a→∣f(x)−f(a)∣=0<ε\abs{x - a} < \delta \wedge x \in A \rightarrow x = a \rightarrow \abs{f(x) - f(a)} = 0 < \varepsilon

    若 aa 是孤立点,则存在 δ>0\delta > 0,使得 AA 中满足 ∣x−a∣<δ\abs{x - a} < \delta 的唯一元素就是 aa 本身。这个 δ\delta 同时回应所有挑战。

因此,在定义域的聚点处,连续性包括三件事:ff 在 aa 处有定义,在 aa 处有极限,并且这个极限是 f(a)f(a)。每一件都可能单独不成立,间断的分类由此而来。例如,有这样一个函数:它的值为 11(在每个 x≠0x \neq 0 处)和 00(在 x=0x = 0 处),来自关于极限的运算法则的课中复合的反例;它的极限为 11(在 00 处),不同于它的值:它在 00 处间断。