(1)一致连续定理(又称Cantor定理):
若函数f(x)在闭区间[a,b]上连续,则它在闭区间[a,b]上一致连续。
(2)若函数f(x)在[a,+∞)上连续,且x→+∞limf(x)=A(有限数),则它在[a,+∞)上一致连续。(并且:f(x)在[a,+∞)上有界)
思路 (1)利用反证法证明,用到不一致连续的充要条件>>(点这里)和致密性定理(又称Bolzano-Weierstrass定理):有界数列必有收敛的子列。
(2) 根据定义将区间拆分为闭区间和另一个区间。用到函数极限的柯西定理:
f(x)极限存在且有限⇔∀ε>0,∃X,∀x′,x′′>X,∣f(x′)−f(x′′)∣<ε.
证明 (1)反证法. 假设f(x)在闭区间[a,b]上不一致连续,根据不一致连续的充要条件,
∃ε0>0及{xn′},{xn′′},且∣xn′−xn′′∣<n1,n=1,2,3,⋯
但是∣f(xn′)−f(xn′′)∣≥ε0.
{xn′}有界⟹∃子列{xnk′},s.t.k→∞limxnk′=ξ
再取{xn′’}的子列{xnk′′}(与{xnk′}有相同指标,且∣xnk′−xnk′′∣<nk1
⟹k→∞limxnk′′=k→∞limxnk′+(xnk′′−xnk′)=k→∞limxnk′=ξ
⟹k→∞limf(xnk′)=k→∞limf(xnk′′)=ξ (f(x)在点ξ连续)
⟹k→∞lim(f(xnk′)−f(xnk′′))=ξ
这与∣f(xn′)−f(xn′′)∣≥ε0矛盾。
(2) (i)先证明有界。
a. x→+∞limf(x)=A⟹取ε=1,∃X>0,x>X,s.t.∣f(x)−A∣<1
⟹A−1<f(x)<A+1
b. f(x)在区间x∈[a,X]上连续,必有界(∣f(x)∣<B)
只需取M=max{B,A+1},m=min{−B,A−1}
便有:m<f(x)<M,∀x∈[a,+∞).
(ii)再证一致连续性.用到函数极限的柯西定理:
a. x→+∞limf(x)=A⇔∀ε>0,∃X,∀x′,x′′>X,∣f(x′)−f(x′′)∣<ε.
b. f(x)在区间x∈[a,X]上连续,根据(1), 得到一致连续,根据定义:
∃δ∈(0,1),∀x′,x′′∈[a,X]当∣x′−x′′∣<ε,∣f(x′)−f(x′′)∣<ε
综上,对一切x∈[a,+∞),当∣x′−x′′∣<ε,∣f(x′)−f(x′′)∣<ε,得证.