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Topos Uranos

魏尔斯特拉斯最值定理

摘要

本课开启从逐点到整体的过渡。函数在一点处的连续性只控制该点附近的函数;魏尔斯特拉斯定理断言,若函数在有界闭区间的所有点处连续,则它在整个区间上有界,并在其上取得最大值和最小值。这两个结论都借助上确界、用完备性公理来证明,与波尔查诺定理一样:有界性,借助函数直到其处都保持有界的那些点的上确界,以及关于极限与连续性的那一课中的局部有界性;最大值的存在,借助函数值的上确界,以及一个辅助函数,假如该上确界取不到,这个辅助函数就会连续而无界。本课用反例说明任何一个条件都不能去掉,推出有界闭区间的像是同类型的区间,并推出若函数在两个端点处取值相同,则它的最大值和最小值之一在内部取得;最后把定理应用于正函数、周期函数和在整条直线上有定义的函数。

学习目标

  1. 区分函数值的上确界与函数的最大值,并用量词表述函数在一个集合上取得最大值或最小值。
  2. 用完备性公理证明在有界闭区间上连续的函数有界,并且取得最大值和最小值。
  3. 用反例说明,若区间不是闭的、不是有界的,或函数不连续,则定理不成立,并认识到定理的条件是充分的而非必要的。
  4. 将该定理与介值定理及无穷远处的极限结合起来,求有界闭区间的像,并证明函数在不是有界闭区间的定义域上取得最值。

函数的最大值、最小值与上确界

前两个单元研究的是函数在一点处的性质:极限、连续性和导数描述的是在 aa 附近发生的事。然而,许多问题涉及整个集合:函数在一个区间上取到的最大的值是多少(如果存在的话),或者在哪一点取得。函数 xx 在 (0,1)\ioo{0}{1} 上没有比其他所有值都大的值:对该区间中的每个 xx,数 x+12\frac{x + 1}{2} 也在该区间中,而且更大。它的值趋近于 11 而取不到它。因此应当区分两个概念:值的最小上界,只要值有界它就存在;以及最大值,它是函数的一个值。

定义有界函数;函数在集合上的最大值与最小值

设 ff 是定义在集合 AA 上的函数,SS 是 AA 的非空子集。称 ff 在 SS 上有上界,如果存在数 KK,使得 f(x)≤Kf(x) \leq K 对任意 xx(属于 SS)成立;称它有下界,如果存在 KK,使得 f(x)≥Kf(x) \geq K 对任意 xx(属于 SS)成立;称它有界,如果两者兼备,即存在 KK,使得 ∣f(x)∣≤K\abs{f(x)} \leq K 对任意 xx(属于 SS)成立。称 ff 在 SS 上于点 x0x_0(属于 SS)处取得最大值,如果值 f(x0)f(x_0) 不被 ff 在 SS 上的任何其他值超过;称它在 x0x_0 处取得最小值,如果在 SS 上没有更小的值:

(∀x∈S)(f(x)≤f(x0)),(∀x∈S)(f(x0)≤f(x))(\forall x \in S)\left(f(x) \leq f(x_0)\right), \qquad (\forall x \in S)\left(f(x_0) \leq f(x)\right)

数 f(x0)f(x_0) 称为 ff 在 SS 上的最大值(或最小值),记作 max⁡x∈Sf(x)\max_{x \in S} f(x)(或 min⁡x∈Sf(x)\min_{x \in S} f(x));点 x0x_0 称为最大值点(或最小值点)。

最大值若存在则是唯一的,因为两个最大值将各自大于或等于对方;最大值点则可以不唯一:余弦的最大值 11 在 [0,4π]\icc{0}{4\pi} 上于三个点处取得:00、2π2\pi 和 4π4\pi。关于极值与最值的那一课将指出,这些就是最大值与最小值,它们不同于只把 f(x0)f(x_0) 与附近的值相比较的极大值与极小值。

若 ff 在 SS 上有上界,则它的值的集合 f(S)f(S) 非空且有上界;由完备性公理(在关于实数轴的那一课中回顾过),它有上确界,记作 sup⁡x∈Sf(x)\sup_{x \in S} f(x)。两个概念之间的关系很简单:ff 在 SS 上取得最大值,当且仅当它的值的上确界是其中之一,此时二者相等。事实上,若 f(x0)f(x_0) 是最大值,它就是 f(S)f(S) 的一个上界并且属于 f(S)f(S),而任何更小的数都不可能是上界;反过来,若上确界是一个值 f(x0)f(x_0),则没有任何值超过它。函数 xx 在 (0,1)\ioo{0}{1} 上有界,其上确界为 11 而取不到;其下确界为 00,也取不到。魏尔斯特拉斯定理给出了使这种情况不会发生的条件。