連續函數(Continuous Function)

Basis
最後更新: 標籤: 微積分, 連續性

函數極限告訴你函式在某點趨近的值。連續性則追問函式是否抵達——極限是否等於實際的函數值。直觀上,若輸入的微小改變只帶來輸出的微小改變,沒有突然的跳躍或缺口,則函式是連續的。

在某點連續

定義。 函式 f:D→Rf : D \to \mathbb{R} 在 a∈Da \in D 處連續(continuous at aa),若

lim⁡x→af(x)=f(a).\lim_{x \to a} f(x) = f(a).

這將三個條件打包成一個:(1) f(a)f(a) 有定義,(2) lim⁡x→af(x)\lim_{x \to a} f(x) 存在,(3) 極限等於 f(a)f(a)。

用 ε–δ 語言表述:ff 在 aa 連續,若且唯若對每個 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ>0\delta > 0 使得

x∈D 且 ∣x−a∣<δ  ⟹  ∣f(x)−f(a)∣<ε.x \in D \text{ 且 } |x - a| < \delta \implies |f(x) - f(a)| < \varepsilon.

注意與極限定義不同:此處 xx 可以等於 aa——在該點條件顯然成立。

若 aa 是 DD 的孤立點(isolated point)——aa 的某個鄰域不包含 DD 中的其他點——則 ff 在 aa 處自動連續,因為極限條件被空洞地滿足。

在集合上連續

定義。 若 ff 在 SS 的每個點都連續,則稱 ff 在 S⊆DS \subseteq D 上連續(continuous on SS)。當 S=DS = D 時,簡稱 ff 是連續的。

對於定義在閉區間 [a,b][a, b] 上的函式,端點處的連續性以單側方式解釋:lim⁡x→a+f(x)=f(a)\lim_{x \to a^+} f(x) = f(a) 且 lim⁡x→b−f(x)=f(b)\lim_{x \to b^-} f(x) = f(b)。

連續函式的代數封閉性

極限的算術法則可以直接沿用。

定理。 若 ff 和 gg 在 aa 處連續,則下列函式也在 aa 處連續:

  • f+gf + g、f−gf - g、f⋅gf \cdot g
  • f/gf / g,前提是 g(a)≠0g(a) \neq 0
  • c⋅fc \cdot f,其中 cc 為任意常數

證明。 以 f+gf + g 為例:因 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a) 且 lim⁡x→ag(x)=g(a)\lim_{x \to a} g(x) = g(a),極限的和法則給出 lim⁡x→a(f+g)(x)=f(a)+g(a)=(f+g)(a)\lim_{x \to a}(f + g)(x) = f(a) + g(a) = (f + g)(a)。其餘情形類似地由對應的極限法則推得。□\square

複合函式

定理。 若 gg 在 aa 處連續,ff 在 g(a)g(a) 處連續,則 f∘gf \circ g 在 aa 處連續。

證明。 設 ε>0\varepsilon > 0。ff 在 g(a)g(a) 的連續性給出 η>0\eta > 0,使得 ∣y−g(a)∣<η|y - g(a)| < \eta 蘊含 ∣f(y)−f(g(a))∣<ε|f(y) - f(g(a))| < \varepsilon。gg 在 aa 的連續性給出 δ>0\delta > 0,使得 ∣x−a∣<δ|x - a| < \delta 蘊含 ∣g(x)−g(a)∣<η|g(x) - g(a)| < \eta。合併:∣x−a∣<δ|x - a| < \delta 蘊含 ∣f(g(x))−f(g(a))∣<ε|f(g(x)) - f(g(a))| < \varepsilon。□\square

初等函式均連續

每個初等函式(elementary function)在其自然定義域上連續。

函式連續的定義域
多項式R\mathbb{R}
有理式 p/qp/q{x:q(x)≠0}\{x : q(x) \neq 0\}
exe^xR\mathbb{R}
ln⁡x\ln x(0,∞)(0, \infty)
sin⁡x\sin x、cos⁡x\cos xR\mathbb{R}
tan⁡x\tan x{x:cos⁡x≠0}\{x : \cos x \neq 0\}

多項式之所以連續,是因為 lim⁡x→ax=a\lim_{x \to a} x = a,而極限算術將此延伸至所有單項式,再延伸至所有多項式。其他初等函式的連續性則各自依據其定義或級數展開加以證明;複合函式由上述定理保持連續性。

這意味著,只要函式在該點有定義,你可以直接代入該點的值來計算初等表達式的極限。

不連續性

當 ff 在 aa 處不連續時,可按實際發生的情況對不連續性分類:

類型行為
可去不連續(Removable)lim⁡x→af(x)\lim_{x \to a} f(x) 存在但 ≠f(a)\neq f(a),或 f(a)f(a) 無定義
跳躍不連續(Jump)兩個單側極限均存在但不相等:lim⁡x→a−f(x)≠lim⁡x→a+f(x)\lim_{x \to a^-} f(x) \neq \lim_{x \to a^+} f(x)
本質不連續(Essential)至少一個單側極限不存在(或為 ±∞\pm\infty)

可去不連續可以藉由重新定義 f(a)≔lim⁡x→af(x)f(a) \coloneqq \lim_{x \to a} f(x) 來修復。跳躍不連續與本質不連續無法用這種方式補救。

摘要

  • ff 在 aa 處連續若 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a)——極限存在且與函數值吻合。
  • 在集合上連續指在該集合每個點都連續。
  • 連續函式的和、差、積、商(分母非零)及複合均連續。
  • 每個初等函式在其自然定義域上連續;初等表達式的極限可直接代入計算。
  • 不連續性分為可去、跳躍或本質三種——只有可去不連續可以藉由重新定義函數值來修復。