Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Pogrebnoj.doc
Скачиваний:
231
Добавлен:
01.05.2015
Размер:
4.14 Mб
Скачать

Глава 3. Функции вещественных переменных

§1. Непрерывность функций

Пусть функция f задана на множестве X с Rn и принимает вещественные значения. Как всегда, V(x0;d; X) означает d - окрестность точки x0 в множестве X , т. е. множество {xе X: р(x.; x0 )<d} . (Метрика всюду эвклидова, это каждый раз отмечать не будем). Рассмотрим три подхода к понятию непрерывности функции f в точке x0.

Определение Коши (Огюстен Луи Коши, Cauchy)

Функция f называется непрерывной в точке X) по множеству X , если

lim f (x) = f (x0), т. е.

x® ЛЬ xeX

"e > 0$d(e) > 0: xе V(x0; d; X) ^| f(x) - f(x0) |< e . (С)

Определение Гайне (Э. Гайне, 1821-1881, HeineГермания).

Функция f называется непрерывной в точке x0 , если

"(xn)neN с X: xn —-— x0 ^ f (xn) ® f (Л0). (Н)

Чтобы рассмотреть еще одно определение, напомним некоторые простые понятия. Пусть f ограничена на X . Число (Ох ( f) = sup f(x) - inf f (x) называется колебанием функции на

xeX xeX

множестве X. Можно рассмотреть колебание (QVg (x0; f) на окрестности V (x0; d; X). Число w(x0; f) = inf ( (x0; f)

называется колебанием функции в точке x0. Колебание есть неотрицательное вещественное число.

Если f неограниченна в каждой окрестности точки x0, то принимаем, по определению, co(x0; f) = +¥.

Определение Бэра (Р. Бэр, 1874-1932, Ваге,Франция).

Функция f называется непрерывной в точке x0, если ее

колебание в этой точке равно нулю:

w( f,x ) = 0. (В)

Более известны первые два определения. Определение Коши используется для практического доказательства непрерывности, а определение Гайне удобно использовать для доказательства разрывности. Но все эти подходы теоретически равноценны.

Теорема

Определения непрерывности по Коши, Гайне и Бэру эквивалентны. Доказательство

    1. (C) ^ (H). Пусть f (x) непрерывна в точке x по Коши,

(xnLn С X ^ n®¥ > .

Тогда "S > 0$Пэ(S)е N: n > n0 ^ p(xn, x0) < S. Зададимся "e> 0. Из условия (C) найдем S(e) > 0 такое, что p(x, x0) < S f (x) - f (x0)|<e, а по S найдем соответствующий номер n0. Тогда при

n > n0 Н f (xn)- f (x0)\<e, т. е. f(xn) ® f(x0).

    1. (C) ^ (B). Из условия (C) имеем: при xе V(x0;S; X) ^ f(x0)-e< f(x) < f(x0) + e. Это означает, что sup f (x) < f (x, ) + e,

inf f (x)> f(x0)-e для точки x.

Следовательно, a)Xs (x0; f) < 2e . В силу произвольности e > 0, co(x0; f) = inf a>Vs (x0; f) = 0 и условие (B) выполнено.

    1. (B) ^ (C). Пусть w(x0; f), т. е. "e> 0 $d> 0: ((x0); f) <e.

Значит, "xe V(x0;d; X) f (x) - f (x0)|<e и (C) выполнено.

    1. (H) ^ (C). Допустим противное:

3e0 > 0: "d > 0 $xd e V(x; d; X) :| f (d - f (x) |> e.

Положим dn =1.

nn

П°лучим (xn)neN : xn e V(x0;1; X)L | f(xn) - f(x0) |> e0 .

n

В то же время xn ® x0. Противоречие с условием (H).

Теорема доказана. Замечание

Интересно отметить, что доказательство импликации (H) ^ (C) опирается на аксиому произвольного выбора Цермело.

Действительно, мы получим для dn =1, xn ® x0Л | f (x^ |> e0.

n n n 0 0 0

Но существование xs : р(xd; x0) < dL | f (xd) - f (x0) |> e0 не означает существования правила их построения. Достаточно показать, что предположение {xd}=0 ведет к противоречию.

Таким образом, предположение, что f (x) ненепрерывна в т. x0 означает лишь, что для некоторого e > 0 будет: "d > 0 Md={ xe V( x; d; X):| f(x,) - f(x,)|>e}*0 . Переход от M } к (xn )neN может осуществляться лишь путем произвольного выбора xn е Md .

При этом Мп+1 с Mn ^ надо рассматривать Mn \ Mn+1. Берем лишь непустые из них, обозначаем M n и из них на основании аксиомы произвольного выбора выбираем по точке xn.

Обобщением и усилением обычной непрерывности функций есть понятие абсолютной непрерывности. Рассмотрим ее применительно к функциям на отрезке. Пусть f(x) конечна на

[ a; b]. f(x) называется абсолютно непрерывной на [ a; b], если

"e > 0 3 d > 0 : для произвольной системы попарно различных

n

Z( f (bk)-f (ak))

наборов {(a1; ,..., (an; bn)} , если £ |bk - aj <d, то

k=1

<e. (*)

k=1

При n =1 получаем обычную непрерывность. Обратное неверно. Условие (*) можно заменить более сильным:

Z|f (bk)-f (an )| < e . (**)

k=1

К абсолютно непрерывным функциям относятся функции, удовлетворяющие так называемому условию Липшица:

"а,ре [a; b] f (р)- f (a)| < L\b-a|, L = const.

Арифметические действия сохраняют абсолютную непрерывность.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]