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几个闭区间一致连续的结论

  • 几个闭区间一致连续的结论

(1)一致连续定理(又称Cantor定理):
若函数f(x)f(x)在闭区间[a,b][a,b]上连续,则它在闭区间[a,b][a,b]上一致连续。

(2)若函数f(x)f(x)[a,+)[a,+\infty)上连续,且limx+f(x)=A\lim\limits_{x\rightarrow +\infty}f(x)=A(有限数),则它在[a,+)[a,+\infty)上一致连续。(并且:f(x)f(x)[a,+)[a,+\infty)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)f(x)极限存在且有限\Leftrightarrowε>0,X,x,x>X,f(x)f(x)<ε.\forall \varepsilon >0, \exists X,\forall x^{'},x^{''}>X,|f(x^{'})-f(x^{''})|<\varepsilon.

证明 (1)反证法. 假设f(x)f(x)在闭区间[a,b][a,b]上不一致连续,根据不一致连续的充要条件,

ε0>0{xn},{xn},xnxn<1n,n=1,2,3,\exists \varepsilon_0>0及 \{x'_n\}, \{x''_n\},且|x'_n-x''_n|<\dfrac{1}{n},n=1,2,3,\cdots

但是f(xn)f(xn)ε0.|f(x'_n)-f(x''_n)|\geq \varepsilon_0.

{xn}\{x_n^{'}\}有界子列{xnk}s.t.limkxnk=ξ\Longrightarrow\exists 子列\{x_{n_k}^{'}\},s.t.\lim\limits_{k\rightarrow\infty}x_{n_k}^{'}=\xi

再取{xn}\{x_n^{'’}\}的子列{xnk}\{x_{n_k}^{''}\}(与{xnk}\{x_{n_k}^{'}\}有相同指标,且xnkxnk<1nk|x'_{n_k}-x''_{n_k}|<\dfrac{1}{n_k}

limkxnk=limkxnk+(xnkxnk)\Longrightarrow\lim\limits_{k\rightarrow\infty}x_{n_k}^{''}=\lim\limits_{k\rightarrow\infty}x_{n_k}^{'}+(x_{n_k}^{''}-x_{n_k}^{'})=limkxnk=ξ=\lim\limits_{k\rightarrow\infty}x_{n_k}^{'}=\xi

limkf(xnk)=limkf(xnk)=ξ\Longrightarrow\lim\limits_{k\rightarrow\infty}f(x_{n_k}^{'})=\lim\limits_{k\rightarrow\infty}f(x_{n_k}^{''})=\xi (f(x)f(x)在点ξ\xi连续)

limk(f(xnk)f(xnk))=ξ\Longrightarrow\lim\limits_{k\rightarrow\infty}(f(x_{n_k}^{'})-f(x_{n_k}^{''}))=\xi

这与f(xn)f(xn)ε0|f(x'_n)-f(x''_n)|\geq \varepsilon_0矛盾。

(2) (i)先证明有界。

a. limx+f(x)=A\lim\limits_{x\rightarrow +\infty}f(x)=Aε=1,X>0,x>X,s.t.f(x)A<1\Longrightarrow 取 \varepsilon=1,\exist X>0,x>X,s.t.|f(x)-A|<1

A1<f(x)<A+1\Longrightarrow A-1<f(x)<A+1

b. f(x)f(x)在区间x[a,X]x\in[a,X]上连续,必有界(f(x)<B|f(x)|<B)

只需取M=max{B,A+1},m=min{B,A1}M=\max \{B,A+1\},m=\min\{-B,A-1\}

便有:m<f(x)<M,x[a,+)m<f(x)<M, \forall x\in[a,+\infty).

(ii)再证一致连续性.用到函数极限的柯西定理:

a. limx+f(x)=A\lim\limits_{x\rightarrow +\infty}f(x)=A\Leftrightarrowε>0,X,x,x>X,f(x)f(x)<ε.\forall \varepsilon >0, \exists X,\forall x^{'},x^{''}>X,|f(x^{'})-f(x^{''})|<\varepsilon.

b. f(x)f(x)在区间x[a,X]x\in[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]\exist \delta \in(0,1), \forall x^{'},x^{''}\in[a,X]xx<ε,f(x)f(x)<ε当|x'-x''|<\varepsilon,|f(x^{'})-f(x^{''})|<\varepsilon

综上,对一切x[a,+)x\in[a,+\infty),当xx<ε,f(x)f(x)<ε|x'-x''|<\varepsilon,|f(x^{'})-f(x^{''})|<\varepsilon,得证.