函数的一致连续性定义是:设f为定义在区间I上的函数,若对任给的ε>0,都存在δ>0,使对任何x’,x”∈I,只要|x’-x”|<δ,就有|f(x’)-f(x”)|<ε,则称函数f在区间I上一致连续。我们应该怎么解读这个定义呢?
想要更好地解读一致连续性的定义,我们还要拿连续性的定义来做一个对比。f在I上连续的定义是:任给ε>0,对任何x∈I,都存在δ=δ(ε,x),只要x’∈I且|x-x’|<δ,就有|f(x)-f(x’)|<ε.
比较两个定义,最大的区别就在于连续性的定义中,δ与x相关,可以把δ看作是ε和x的二元函数。当ε取定之后(虽然ε是任给的,但一经给出就取定了),δ就可以看作是x的函数。也 就是说,不同的x要取不同的δ。而一致连续性的定义中,δ只与ε有关,ε一经取定,δ就变成一个常数,它与x无关。也就是说,不同的x有相同的δ。
那么这个δ到底是一个什么东西呢?重新解题连续性以及一致连续性的定义,不论是|x-x’|<δ还是|x’-x”|<δ,它们都是指两个自变量的距离小于δ。而|f(x)-f(x’)|<ε或者|f(x’)-f(x”)|<ε,同样指的是两个函数值的(竖直)距离小于ε。而ε是一个变量,它可以是任意正数,但我们主要研究它无限小的时候的情况,因为当|f(x’)-f(x”)|小于一个较小的ε时,肯定也小于一个较大的ε。换句话说,就是在x或x'的附近,有一个区域,这个区域也叫做x或x'的邻域,这个邻域的半径就是δ,记做U(x,δ)或U(x',δ),在这个邻域内的任意x或x",都满足|f(x)-f(x’)|<ε或|f(x’)-f(x”)|<ε。
这么看来,两个概念还是蛮统一的嘛。没错,虽然连续性的δ与x有关,但所有的x对应的无数个δ中,我们只要取最小的一个,记为δ’, 则U(x,δ’)包含于U(x,δ),也就是说,在x以δ’为半 径的邻域上,都有|f(x)-f(x’)|<ε。注意,此时的δ’就与x无关了。因此连续和一致连续是有可能统一的。这就引出了重要的一致连续性定理:若f在闭区间[a,b]上连续,则f在[a,b]上一致连续。简单说成:在闭区间上连续必一致连续。
换句话说,在开区间上,连续就未必一致连续了。这是怎么回事呢?这是因为函数在开区间的端点上有可能趋于无穷大。这个时候,函数在开区间端点的附近(极小的区域内),就有可能出现一个ε,记为ε0,使得不论δ多小,在这个极小的区域内,可能存在两个自变量x', x"的距离|x'-x"|<δ,但|f(x’)-f(x”)|却大于ε0。这就不符合一致连续性的定义,所以就算函数在开区间上连续,它也未必在这个开区间上一致连续。
比如y=x^2,它在R上是连续的,但却不一致连续。因为存在一个ε0=1,不管正数δ多么小,只要n充分大,总有x’=n+1/n,x”=n,使|x’-x”|=1/n<δ,而|f(x’)-f(x”)|=(n+1/n)^2-n^2)=2>ε0,即f(x)=x^2在R上不一致连续.
不过只要你细想,这里其实是存在争议的。上面说“不管正数δ多么小,只要n充分大,……1/n<δ”,那为什么就不能有δ<1/n,假如只能有1/n<δ,那是不是就说明1/n就是最小的正数了呢?这显然是不对的。反过来说,如果上面的证明是合理的,那么根据连续性的定义,y=x^2在x'和x"这两个点上,都是不连续的啊。注意:x’是U(x",δ)上的任意点,x"也是U(x',δ)上的任意点)。这样的话,那不就证明了y=x^2是不连续函数了吗?
老黄不是在否定自己,因为上面的知识都是从教材中提炼出来的。也不是在否定教材,其实数学在“无穷”的概念上本身就存在很多争论。老黄只是在教材的基础上提出一些疑问罢了。学数学,就是要保持一个质疑的态度,这样才有可能取得进步,你说呢?