一致连续

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一致连续性描述定义在一定度量空间上的函数的性质。与连续性刻画函数在局部的性质不同,一致连续刻画的是函数的整体性质。一致连续是比连续更苛刻的条件。一个函数在某度量空间上一致连续,则其在此度量空间上必然连续,但反之未必成立。直观上,一致连续可以理解为,当自变量x在足够小的范围内变动时,函数值y的变动也会被限制在足够小的范围内。
ε-δ定义
设(X,d1)displaystyle (X,d_1)和(Y,d2)displaystyle (Y,d_2)
是两个度量空间,M⊆Xdisplaystyle Msubseteq X
并且N⊆Ydisplaystyle Nsubseteq Y
,则一个函数f:M→Ndisplaystyle f:Mto N
一致连续当且仅当对任意的ϵ>0displaystyle epsilon >0
,存在δ>0displaystyle delta >0
,使得任意的x,y∈Mdisplaystyle x,yin M
只要d1(x,y)<δdisplaystyle d_1(x,y)<delta
,就有d2(f(x),f(y))<ϵdisplaystyle d_2(f(x),f(y))<epsilon
。
当Xdisplaystyle X和Ydisplaystyle Y
都是实数集的子集,d1displaystyle d_1
和d2displaystyle d_2
为欧几里得度量所定义的距离|⋅|cdot
时,一致连续的定义可表述为:如果对任意的ϵ>0displaystyle epsilon >0
,存在δ>0displaystyle delta >0
,使得对任意的|x−y|<δx-y
,都有|f(x)−f(y)|<ϵdisplaystyle
,则f(x)displaystyle f(x)
在Xdisplaystyle X
上一致连续。
连续与一致连续
定理:
一个从紧致度量空间到度量空间的连续函数是一致连续的。
证明:
设函数f:X→Ydisplaystyle f:Xto Y,(X,d1)displaystyle (X,d_1)
为紧致度量空间,(Y,d2)displaystyle (Y,d_2)
为度量空间。
假设fdisplaystyle f不是一致连续的,則存在一個ϵ>0displaystyle epsilon >0
,对于任意n都存在xn,yndisplaystyle x_n,y_n
满足条件d1(xn,yn)<1ndisplaystyle d_1(x_n,y_n)<tfrac 1n
并且d2(f(xn),f(yn))≥ϵdisplaystyle d_2(f(x_n),f(y_n))geq epsilon
。
因为Xdisplaystyle X为紧致度量空间,Xdisplaystyle X
是序列紧致的,所以存在一个(xn)displaystyle (x_n)
的收敛子序列(xkn)displaystyle (x_k_n)
,设其收敛到xdisplaystyle x
。
d1(xkn,ykn)<1kn≤1n→0displaystyle d_1(x_k_n,y_k_n)<tfrac 1k_nleq tfrac 1nto 0,所以(ykn)→xdisplaystyle (y_k_n)to x
。
因为fdisplaystyle f连续,ϵ≤d2(f(xkn),f(ykn))→d2(f(x),f(x))=0displaystyle epsilon leq d_2(f(x_k_n),f(y_k_n))to d_2(f(x),f(x))=0
,矛盾,定理得证。
一致连续相比于连续是一个更强的结论。一般情况下,连续不意味着一致连续。
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