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


(X,d1)displaystyle (X,d_1)(X,d_1)(Y,d2)displaystyle (Y,d_2)(Y,d_2)是两个度量空间,M⊆Xdisplaystyle Msubseteq XMsubseteq X并且N⊆Ydisplaystyle Nsubseteq YNsubseteq Y,则一个函数f:M→Ndisplaystyle f:Mto Nf:Mto N 一致连续当且仅当对任意的ϵ>0displaystyle epsilon >0epsilon >0,存在δ>0displaystyle delta >0delta >0,使得任意的x,y∈Mdisplaystyle x,yin Mx,yin M只要d1(x,y)<δdisplaystyle d_1(x,y)<delta displaystyle d_1(x,y)<delta ,就有d2(f(x),f(y))<ϵdisplaystyle d_2(f(x),f(y))<epsilon displaystyle d_2(f(x),f(y))<epsilon


Xdisplaystyle XXYdisplaystyle YY都是实数集的子集,d1displaystyle d_1d_1d2displaystyle d_2d_2为欧几里得度量所定义的距离|⋅|cdot |cdot |时,一致连续的定义可表述为:如果对任意的ϵ>0displaystyle epsilon >0epsilon >0,存在δ>0displaystyle delta >0delta >0,使得对任意的|x−y|<δx-y|x-y|<delta ,都有|f(x)−f(y)|<ϵdisplaystyle |f(x)-f(y)|<epsilon ,则f(x)displaystyle f(x)f(x)Xdisplaystyle XX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 Ydisplaystyle f:Xto Y(X,d1)displaystyle (X,d_1)displaystyle (X,d_1)为紧致度量空间,(Y,d2)displaystyle (Y,d_2)displaystyle (Y,d_2)为度量空间。


假设fdisplaystyle ff不是一致连续的,則存在一個ϵ>0displaystyle epsilon >0epsilon >0,对于任意n都存在xn,yndisplaystyle x_n,y_ndisplaystyle x_n,y_n满足条件d1(xn,yn)<1ndisplaystyle d_1(x_n,y_n)<tfrac 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 displaystyle d_2(f(x_n),f(y_n))geq epsilon


因为Xdisplaystyle XX为紧致度量空间,Xdisplaystyle XX是序列紧致的,所以存在一个(xn)displaystyle (x_n)(x_n)的收敛子序列(xkn)displaystyle (x_k_n)displaystyle (x_k_n),设其收敛到xdisplaystyle xx


d1(xkn,ykn)<1kn≤1n→0displaystyle d_1(x_k_n,y_k_n)<tfrac 1k_nleq tfrac 1nto 0displaystyle d_1(x_k_n,y_k_n)<tfrac 1k_nleq tfrac 1nto 0,所以(ykn)→xdisplaystyle (y_k_n)to xdisplaystyle (y_k_n)to x


因为fdisplaystyle ff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))=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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