連續函數(英語:continuous function)是指函數在數學上的屬性為連續。直觀上來說,連續的函數就是當輸入值的變化足夠小的時候,輸出的變化也會隨之足夠小的函數。
如果輸入值的某種微小的變化會產生輸出值的一個突然的跳躍甚至無法定義,則這個函數被稱為是不連續函數,或者說具有不連續性。非連續函數一定存在間斷點。
舉例來說,考慮描述一棵樹的高度隨時間而變化的函數,那麼這個函數是連續的(除非樹被砍斷)。又例如,假設表示地球上某一點的空氣溫度,則這個函數也是連續的。事實上,古典物理學中有一句格言:「自然界中,一切都是連續的。」相比之下,如果表述在時間t的時候銀行賬戶上的錢幣金額,則這個函數無論在存錢或者取錢的時候都會有跳躍,因此函數是不連續的。
實值連續函數
最基本也是最常見的連續函數是定義域為實數集的某個子集、取值也是實數的連續函數。例如前面提到的樹的高度,就是屬於這一類型。這類函數的連續性可以用直角坐標系中的圖像來表示。一個這樣的函數是連續的,如果粗略地說,它的圖像為一個單一的不破的曲線,並且沒有間斷、跳躍或無限逼近的振盪。
嚴格來說,設是一個從實數集的子集射到的函數:。在中的某個點處是連續的當且僅當以下的兩個條件滿足:
我們稱函數到處連續或處處連續,或者簡單的稱為連續,如果它在其定義域中的任意一點都連續。更一般地,當一個函數在定義域中的某個子集的每一點處都連續時,就說這個函數在這個子集上是連續的。
不用極限的概念,也可以用下面所謂的方法來定義實值函數的連續性。
仍然考慮函數。假設是的定義域中的元素。函數被稱為是在點連續當且僅當以下條件成立:
對於任意的正實數,存在一個正實數使得對於任意定義域中的,只要滿足,就有成立。
連續性的「定義」由柯西首先給出。
更直觀地,函數是連續的當且僅當任意取一個中的點的鄰域,都可以在其定義域中選取點的足夠小的鄰域,使得的鄰域在函數上的映射下都會落在的鄰域之內。
以上是針對單變量函數(定義域在上的函數)的定義,這個定義在推廣到多變量函數時也是成立的。度量空間以及拓撲空間之間的連續函數定義見下一節。
如果兩個函數和是連續的,為一個實數,那麼、和都是連續的。所有連續函數的集合構成一個環,也構成一個向量空間(實際上構成一個代數)。如果對於定義域內的所有,都有,那麼也是連續的。
兩個連續函數的複合函數也是連續函數。
如果實函數在閉區間內連續,且是某個和之間的數,那麼存在某個內的,使得。這個定理稱為介值定理。例如,如果一個小孩在五歲到十歲之間身高從1米增長到了1.5米,那麼期間一定有某一個時刻的身高正好是1.3米。
如果在內連續,且和一正一負,則中間一定有某一個點,使得。這是介值定理的一個推論。
如果在閉區間內連續,則它一定取得最大值,也就是說,總存在,使得對於所有的,有。同樣地,函數也一定有最小值。這個定理稱為極值定理。(注意如果函數是定義在開區間內,則它不一定有最大值和最小值,例如定義在開區間內的函數。)
如果一個函數在定義域中的某個點可微,則它一定在點連續。反過來不成立;連續的函數不一定可微。例如,絕對值函數在點連續,但不可微。
度量空間之間的連續函數
現在考慮從度量空間到另一個度量空間的函數。
- 在是連續的,則對任何實數,存在一個實數使得,只要滿足,就滿足。
- 如果函數在點連續,則對中任何序列,只要,就有。連續函數將極限變成極限。
後一個條件可以減弱為:
- 在點連續,當且僅當對中任何序列,只要,就滿足序列是一個柯西序列。連續函數將收斂序列變成柯西序列。
拓撲空間之間的連續函數
如上連續函數的定義可以自然地推廣到一個拓撲空間到另一拓撲空間的函數:對拓撲空間與,函數是連續的當且僅當任何開集的逆像是中開集。
歷史
函數的連續性質在很長時間內被認為是當然的。
第一個比較嚴格的定義歸功於伯納德·波爾查諾[1]。他在1817年用德文寫下的定義是這樣的:函數在點是連續的,當且僅當:
- 「……若足夠小時,比任何事先給定的量都小」[2]。
然後波爾查諾在證明中值定理時用來表示所謂「事先給定的量」。
六年以後,柯西在1823年也給了一個定義,但此定義還不如波爾查諾前面給出的定義清楚:
- 「……的大小隨着的減小而不確定地減小。……變量(指)的一個無窮小的增長會導致函數本身(指)的一個無窮小的增長」。
這裡的無窮小指的是:一個量的「絕對值不斷而無止境地減小以至於小於任何一個事先給定的量」。
現代的定義只要把波爾查諾在其證明里的寫法中「事先給定的量」用來代替就可以了。這個現代定義第一次公開發表在刊物上是1874年由魏爾斯特拉斯的一個學生海涅根據魏爾斯特拉斯的講義寫的。
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注釋
參考文獻
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