圓圈入面畫一條線去圓圈出面,條線一定會掂到個圓圈
看似必然,但係又好似答唔出點解
上次我地定義咗continuity at a point
咁如果條function喺每一點都係continuous嘅話
我地就叫呢條function做continuous喇
係咪好理所當然先
跟住落嚟我地就睇吓一啲生活喺比較正常嘅domain嘅function, 例如 [a,b] 咁,我地叫呢啲做closed interval ( (a,b)就叫做open interval)
翻譯蒟蒻:
[a,b]代表滿足 a≤x≤b 嘅實數
如果我地想掉走個bound,我地就用"(" 代替 "["
例如 [a,b)代表滿足 a≤x<b嘅實數
如果我地要寫大過a嘅數,我地就寫(a,∞)
(我地用圓括號係因為冇∞呢個數)
神奇嘅事發生了:
如果條function喺個closed interval入面係continuous,咁佢就唔會爆炸
點證呢?
如果 f 係unbounded,咁對於任何M≥0, 我地都搵到 x 使到 |f(x)|>M
咁我地就可以整一條sequence {x
n}出嚟,使到 |f(x
n)|>n
咁Bolzano-Weierstrass Theorem(仲記得嗎
)就話{x
n}有一條convergent subsequence {x
nk}
咁我地叫嗰條{x
nk}嘅limit做L
依家我地睇吓f(L)
首先,因為 f 係continuous at L,所以 {f(x
nk)} 一定converge去f(L)
但係根據我地{x
nk}嘅定義,|f(x
nk)|>k,所以
{f(x
nk)}係divergent
「以子之矛陷子之楯,何如?」其人弗能應也。
如果我地得出嘅結果有矛盾,咁即係我地嘅假設( f 係unbounded)有錯
所以 f 唔可以係unbounded,換言之,f 係bounded
搞掂咗第一part
跟住我地就要prove條function真係掂到佢嘅bound
我地再一次用反證法
Reductio ad absurdum is one of a mathematician’s finest weapons. - G.H. Hardy
因為 f 係bounded,{f[a,b]}呢個set會有一個supremum t
{f[a,b]}係一個image set:
如果 f(x)=t 冇solution
咁我地考慮呢條function
咁 g 就會係一條continuous function
但由於t係{f[a,b]}嘅supremum
對於任意自然數n,我地都搵到 x 使到f(x)>t-1/n
即係話 g(x)>n
所以 g 係unbounded
但係我地啱啱先證明咗呢樣野唔可能發生
所以我地會搵到 x 使到 f(x)=t
同理,條function會掂到infinum (maximal lower bound)
搞掂
要注意嘅係就算你只係抹走咗個closed inverval入面其中一點(例如 [0,1] 變咗(0,1]),咁條theorem就唔work
一個反例係f(x)=1/x,佢喺(0,1]上面係continuous,但係佢唔係bounded
學數學一樣好重要嘅野
就係諗點解呢個證明對於呢個case係唔work
(我地好似從來冇喺個proof度講過"因為佢係一個closed interval,所以點點點"?)
咁點解呢?
當我地定義{x
nk}嘅時候
佢個limit其實係0, 但係 0 唔喺個interval入面,所以你唔可以話因為 f is continuous at 0, 所以點點點
然後我地就講吓Intermediate Value Theorem (IVT) (因為好常用,所以我地畀個acronym佢)
佢要講嘅係如果條function一邊大過L,一邊細過L,咁f(x)=L一定會有答案
無錯,係可以多過一個嘅
如果f(a)<L<f(b) (另一個case證法一樣唔寫了)
我地整個新function: g(x):= f(x)-L
:=係define to be咁解
咁我地想證g(x)=0有答案
我地定義一個set
由於E係nonempty (a喺入面)同埋bounded (by b),佢有個supremum,叫c
我地依家就證g(c)=0
如果唔係,咁g(c)<0或者g(c)>0
如果g(c) = -ϵ<0,咁因為 g 係continuous,我地會搵到個δ,使到g(c+δ)<-ϵ+ϵ=0
所以 c 唔係 E 嘅supremum,矛盾
同樣,如果g(c) = ϵ>0,咁我地會搵到個δ,使到g(c-δ)>ϵ-ϵ=0
所以c 唔係 E 嘅supremum (因為佢唔係"least" upper bound),矛盾
所以g(c)一定要係0
搞掂
依家大家可以諗吓點解喺圓圈入面畫一條線去圓圈出面,條線一定會掂到個圓圈喇