天天看点

漫步数学分析三十二——可微映射的连续性

对于单变量实值函数而言, f:(a,b)→R 在 x0 处可微,那么

limx→x0(f(x)−f(x0))=limx→x0(f(x)−f(x0)x−x0)⋅(x−x0)=f′(x0)⋅limx→x0(x−x0)=f′(x0)⋅0=0

所以 limx→x0(f(x)−f(x0))=0 ,这就意味着 f 在x0处连续。

这些想法可以推广到更一般的情况: f:A⊂Rn→Rm ,从而引出下面的定理。

定理3 假设 A⊂Rn 是开集且 f:A→Rm 在 A 上可微,那么f是连续的。事实上,对于每个 x0∈A 存在一个常数 M>0,δ0>0 使得 ∥x−x0∥<δ0 意味着 ∥f(x)−f(x0)∥≤M∥x−x0∥ 。(这就是利普希茨(Lipschitz)性质)

前面我们讨论的都是实值函数的特殊情况, f:Rn→R ,函数 c:R→Rm 也是重要的,这里的 c 表示Rm中的曲线或路径,这种情况下 Dc(t):R→Rm 用向量

⎛⎝⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜⎜dc1dt⋅⋅⋅dcmdt⎞⎠⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟⎟

表示,其中 c(t)=(c1(t),…,cm(t)) 。这个向量用 c′(t) 表示并称为曲线的切向量或速度向量,如果注意到 c′(t)=limh→0(c(t+h)−c(t))/h 并利用事实: [c(t+h)−c(t)]/h 是近似曲线切线的一条弦,那么我们将看到 c′(t) 应该表示精确的且向量(如图1)。 用移动的质点来说的话, (c(t+h)−c(t))/h 是速度的近似,因为它是位移/时间,所以 c′(t) 是瞬时速度。

严格来讲我们应该讲 c′(t) 表示成列向量,因为矩阵 Dc(t) 矩阵是一个 3×1 矩阵。然而这样的话排版比较麻烦,所以我们以后写 c′(t) 时表示行向量。

例1: 证明 f:R→R,x↦|x| 是连续的但在0处不可微。

解: 对于 x≥0,f(x)=x ,对于 x<0,f(x)=−x ,所以 f 在(0,∞),(−∞,0)上是连续的。因为 limx→0f(x)=0=f(0) ,那么 f 在0处也是连续的,所以f在所有点处均连续。最后, f 在0处不可微,因为如果可微的话,那么

limx→0f(x)−f(0)x−0=limx→0f(x)x

将会存在,但是当 x>0 时, f(x)/x 为+1,当 x<0 时, f(x)/x 为-1,从而极限不可能存在。

漫步数学分析三十二——可微映射的连续性

图1

例2: 函数的导数一定连续吗?

解: 答案为否,但是实例不是很明显。也许最简单的例子是

f(x)={x2sin(1x),0,x≠0x=0

如图2所示。

为了证明零处不可微,我们需要说明

当x→0时,f(x)x→0

事实上,当 x→0 时 |f(x)/x|=|xsin(1/x)|≤|x|→0 ,从而 f′(0) 存在且是零,故 f 在0处可微。接下来,根据基本微积分内容

f′(x)=2xsin(1x)−cos(1x),x≠0

当 x→0 时第一项 →0 但是第二项在 +1,−1 之间震荡,所以 limx→0f′(x) 不存在,从而 f′ 存在但是不连续。

漫步数学分析三十二——可微映射的连续性

图2

例3: 令 c(t)=(t2,t,sint) ,找出 c(t) 在点 c(0)=(0,0,0) 处的切向量。

解: c′(t)=(2t,1,cost) ,令 t=0,c′(0)=(0,1,1) ,即 c(t) 在点 (0,0,0) 处的切向量。