3.2 函数的连续性

1 函数连续性的定义

函数的连续性

若 f(x) 在 x0 的某个邻域里有定义, 且

limx→x0f(x)=f(x0),

则称 x0 是 f(x) 的连续点, 也即 f (x) 在 x0 处连续.
这种表述也等价于 ∀ε>0,∃δ>0,∀x∈o(x0,δ):|f(x)−f(x0)|<ε.

根据定义, 容易证明基本初等函数在定义域区间的每一点处连续.

左右连续

  • 若 limx→x0+f(x)=f(x0), 则称 f(x) 在 x0 处右连续.
  • 若 limx→x0−f(x)=f(x0), 则称 f(x) 在 x0 处左连续.

定理

由定义立即看出, f(x) 在 x0 处连续 ⇔f(x) 在 x0 处左连续, 且 f(x) 在 x0 处右连续:

limx→x0+f(x)=limx→x0−f(x)=f(x0).
区间连续

  • 若 f(x) 在 (a,b) 内每一点处连续, 则记 f(x)∈C(a,b).
  • 若 f(x)∈C(a,b), 且在 a 处右连续, 在 b 处左连续, 则记 f(x)∈C[a,b].

2 间断点

间断点

设 x0 的任意去心邻域与定义域的交不空, 若 f(x) 在 x0 处不连续, 则称 f(x) 在 x0 处间断.
间断的情形有三类:

  1. 第一类是 f(x) 在 x0 处没有定义.
  2. 第二是 f(x) 在 x0 处有定义, 但 limx→x0f(x) 不存在.
  3. 第三是 f(x) 在 x0 处有定义, 且 limx→x0f(x) 存在, 但 limx→x0f(x)≠f(x0).

若 limx→x0f(x)=∞, 则称 x0 是 f(x) 的无穷间断点.
若 limx→x0+f(x),limx→x0−f(x) 存在但不相等, 则称 x0 是 f(x) 的跳跃间断点.
若 limx→x0f(x) 存在, 但 limx→x0f(x)≠f(x0), 则称 x0 是 f(x) 的可去间断点.

将跳跃间断点和可去间断点统称为第一类间断点, 即它们都满足 x0 处存在单侧极限. 将无穷间断点归入第二类间断点, 除无穷间断点外的第二类间断点称为震荡间断点.

3 连续函数的性质

连续函数的性质

设 f(x),g(x) 在 x0 处连续, 则有:

  1. 局部有界性 ∃M>0,∃δ0>0,∀x∈o(x0,δ0):|f(x)|≤M.
  2. 局部保号性 若 f(x0)>0, 则 ∀0<l<1,∃δ0>0,∀x∈o(x0,δ0):f(x)>lf(x0)>0.
  3. 局部不等式性 若 f(x0)>g(x0), 则 ∃δ0>0,∀x∈o(x0,δ0):f(x)>g(x).
  4. 若 {xn} 收敛 (且 limn→∞xn 存在), limn→∞f(xn)=f(limn→∞xn).
  5. 四则运算 若 f(x),g(x) 在 x0 处连续, 则 (f±g)(x),(fg)(x),(fg)(x) 在 x0 处连续 (这里 g(x0)≠0).
  6. 复合运算 若 limu→u0f(u)=f(u0),limx→x0g(x)=g(x0),u0=g(x0), 则 (f∘g)(x) 在 x0 处连续.
反函数的连续性

设 y=f(x) 在区间 I 上严格单调, y=f(x)∈C(I), 则 f−1(y)∈C(J), 其中 J=f(I).

由连续函数的性质和反函数的连续性可得, 初等函数在定义域内的每一个点连续, 在端点处左/右连续.

4 一致连续性

一致连续性

设 y=f(x) 在区间 E 上连续, 并且: ∀ε>0,∃δ>0,∀x′,x″∈E, 且 |x′−x″|<δ:|f(x′)−f(x″)|<ε, 则称 f(x) 在 E 上一致连续, 记为 f(x)∈U.C(E).

函数的连续性刻画的是一种局部性质, 而一致连续性刻画的是函数整体的性质, 函数具有一致连续性即要求函数的变化趋势不能过于“陡峭”.
由定义立得 f(x)∉U.C(E) 等价于

∃ε0>0,∀δ>0,∃x′,x″∈E,且|x′−x″|<δ:|f(x′)−f(x″)|≥ε0.

进一步地, 也等价于

∃ε0>0,∃{xn′},{xn″}⊂E,且limn→∞|xn′−xn″|=0,但|f(xn′)−f(xn″)|≥ε0.

由定义显然可以得到:

Lipshitz 条件

∃L>0,∀x,y∈E:|f(x)−f(y)|≤L|x−y|⇒f(x)∈U.C(E).