Кіріспе

Функциялардың өзгеруін біркелкі шектеу. Математикада, нақты сандардың нақты функциясы, егер оң нақты сан болса, онда функцияның кез келген функциялық домен аралығындағы мәндері біз қалағандай жақын болады, біркелкі үздіксіз деп аталады. Басқаша айтқанда, нақты сандардың біркелкі үздіксіз нақты функциясы үшін, егер функция мәндерінің айырмашылығы кез келген оң нақты саннан кем болғанын қаласақ, онда кез келген және кез келген функция аралығындағы өлшемі бар оң нақты сан табылады. Біркелкі үздіксіздік пен (қалыпты) үздіксіздік арасындағы айырмашылық – біркелкі үздіксіздікте тек қана тәуелді болатын жаһандық қолданылатын (функция мәндерінің айырмашылықтары кем болатын функция домені аралығының мөлшері) бар, ал (қалыпты) үздіксіздікте тек қана тәуелді болатын жергілікті қолданылатын бар. Сондықтан біркелкі үздіксіздік – үздіксіздікке қарағанда күштірек үздіксіздік шарты; біркелкі үздіксіз функция үздіксіз, бірақ үздіксіз функция міндетті түрде біркелкі үздіксіз емес. Біркелкі үздіксіздік және үздіксіздік ұғымдарын метрикалық кеңістіктер арасында анықталған функцияларға кеңейтуге болады. Үздіксіз функциялар шектелген доменде шектелмеген жағдайда, мысалы, нақты (сан) түзуінде, немесе егер олардың еңістері шексіз доменде шектелмеген жағдайда біркелкі үздіксіз болмай қалуы мүмкін. Алайда, метрикалық кеңістіктер арасындағы кез келген Липшиц функциясы біркелкі үздіксіз, әсіресе кез келген изометрия (өлшемді сақтайтын функция). Ұқсастықты жалпы топологиялық кеңістіктер арасындағы функциялар үшін анықтауға болады, бірақ біркелкі үздіксіздікті анықтау үшін қосымша құрылым қажет. Бұл ұғым әртүрлі нүктелердің маңындағы аймақтардың өлшемдерін салыстыруға негізделген, сондықтан метрикалық кеңістік немесе жалпы алғанда біркелкі кеңістік қажет.

Метрик кеңістіктердегі функциялардың анықтамасы

Метрикалық кеңістіктер мен функция үшін бірыңғай үзділістік және (қалыпты) үзділістік келесідей анықталады.

Бірыңғай сабақтастықтың анықтамасы

Егер әр нақты сан үшін, әрбір ε үшін, нақты сан δ бар болса, онда оны біркелкі үздіксіз деп атайды. Әрбір x саны үшін, (x-δ, x+δ) жиыны x санының маңы, ал әрбір y саны үшін, (y-ε, y+ε) жиыны y санының маңы болып табылады, бұл метрикалық кеңістікте маңның анықтамасы бойынша. Егер X және Y нақты сызықтың ішкі жиындары болса, онда x пен y арасындағы қашықтық стандартты бір өлшемді Евклидтік қашықтық болуы мүмкін, нәтижесінде келесі анықтама шығады: әрбір нақты сан ε үшін, әрбір x үшін, егер |x - y| < δ болса, онда |f(x) - f(y)| < ε. Басқаша айтқанда, f функциясы біркелкі үздіксіз деп аталады, егер кванторлар (∀, ∃, x, y және ε) қолданылса. Басқаша айтқанда, f функциясы үздіксіздік модулін қабылдаса, біркелкі үздіксіз болады.

(Жалпы) сабақтастықтың анықтамасы

жалғасты деп аталады, егер әр нақты сан үшін, оған сәйкес нақты сан табылатын болса, онда кез келген үшін, егер , онда болады. Жинақ - бұл санның маңы. Сондықтан, (қалыпты) үздіксіздік – функцияның берілген нүктедегі жергілікті қасиеті. Балама ретінде, функция үздіксіз деп аталады, егер . Тағы бір мүмкіндік, функция үздіксіз деп аталады, егер барлық оң нақты сандардың функциясы және , ең үлкен оң нақты санды көрсететін болса, онда әрбір үшін, егер шарт орындалса, онда . Кез келген нүктеде , монотонды түрде кемімейтін функция болып табылады.

Қасиеттері

Әрбір біркелкі үздіксіз функция үздіксіз болады, бірақ керісіне дұрыс емес. Мысалы, нақты сандар жиынындағы үздіксіз функцияны қарастырайық. Кез келген оң нақты сан үшін, біркелкі үздіксіздік талабы бойынша, оң нақты сан δ табылуы керек, осылайша, |x - y| < δ болған кезде, |f(x) - f(y)| < ε болады. Бірақ, егер x шексізке ұмтылса, δ-ның мәні ε-ны қанағаттандыру үшін тым кішкентай болуы керек. Бұл, кез келген қанша кішкентай болса да, δ-ның мәнін табу мүмкін емес екенін білдіреді, сондықтан функция біркелкі үздіксіз емес. Кез келген абсолютті үздіксіз функция (жинақ аралықта) біркелкі үздіксіз болады. Екінші жағынан, Кантор функциясы біркелкі үздіксіз, бірақ абсолютті үздіксіз емес. Біркелкі үздіксіз функция астындағы толық шектелген ішкі жиынның бейнесі толық шектелген болады. Алайда, біркелкі үздіксіз функция астындағы кез келген метрикалық кеңістіктің шектелген ішкі жиынының бейнесі шектелген болуы міндетті емес: кері мысал ретінде, дискретті метрикамен жабдықталған бүтін сандардан әдеттегі Евклидтік метрикамен жабдықталған бүтін сандарға сәйкестік функциясын қарастырайық. Хайне-Кантор теоремасы, компактты жиындағы әрбір үздіксіз функция біркелкі үздіксіз екенін мәлімдейді. Атап айтқанда, егер функция нақты түзудің жабық шектелген аралығында үздіксіз болса, онда ол сол аралықта біркелкі үздіксіз болады. Үздіксіз функциялардың Дарбукс интегралдануы осы теоремадан тікелей туындайды. Егер нақты мәнді функция үздіксіз болса және лимит бар болса (және шекті болса), онда ол біркелкі үздіксіз болады. Әсіресе, шексіздікте жоғалатын үздіксіз функциялар кеңістігінің әрбір элементе біркелкі үздіксіз болады. Бұл жоғарыда аталған Хайне-Кантор теоремасының жалпылауы, себебі .

Мысалдар

Сызықтық функциялар – біркелкі үздіксіз функциялардың ең қарапайым мысалдары. Интервалдағы кез келген үздіксіз функция да біркелкі үздіксіз болып табылады, себебі ол компакт жиын. Егер функция ашық аралықта туындыланатын болса және оның туындысы шектеулі болса, онда функция сол аралықта біркелкі үздіксіз болады. Екі метрикалық кеңістік арасындағы кез келген Липшиц үздіксіз бейнелеу біркелкі үздіксіз болады. Көбірек айтқанда, кез келген Гельдер үздіксіз функциясы біркелкі үздіксіз болады. Абсолют шама функциясы, оның туындысы болмаса да, біркелкі үздіксіз. Бұл біркелкі үздіксіз функциялардың әрқашан туындылана бермейтінін көрсетеді. Туындысы еш жерде болмаса да, Вейерштрасс функциясы біркелкі үздіксіз болып табылады. Біркелкі тең үздіксіз функциялар жиынының әрбір мүшесі біркелкі үздіксіз болады.

Үлгі жоқ

Шектелген доменде шектелмеген функциялар біркелкі үздіксіз болмайды. Тангенс функциясы интервалда үздіксіз, бірақ сол интервалда біркелкі үздіксіз емес, себебі ол x → ∞ кезінде шексізге ұмтылады. Туындысы x үлкендегенде шексізге ұмтылатын функциялар біркелкі үздіксіз бола алмайды. Экспоненциалдық функция нақты сандар осында барлық жерде үздіксіз, бірақ оның туындысы eˣ-қа тең, және x → ∞ кезінде eˣ те шексізге ұмтылғандықтан, сандар осында біркелкі үздіксіз емес.

Көрнекілендіру

Біркелкі үздіксіз функция үшін, кез келген оң нақты сан үшін, одан да оң нақты сан табылады, осылайша егер екі функция мәні және арақашықтығынан аспаса, онда олардың арасындағы ең үлкен қашықтық болады. Демек, графиктің әрбір нүктесінде, егер сол нүктеден сәл кіші биіктігі және сәл кіші ені бар тіктөртбұрысты салсақ, онда график тіктөртбұрыштың биіктігінің ішінде болады, яғни график тіктөртбұрыштың жоғарғы немесе төменгі жағынан өтпейді. Біркелкі үздіксіз емес функциялар үшін мұндай мүмкін емес; мұндай функциялар үшін график графиктің кейбір нүктелерінде тіктөртбұрыштың биіктігінің ішінде болуы мүмкін, бірақ графикте тіктөртбұрыштың үстінде немесе астында жатқан нүкте табылады. (График тіктөртбұрыштың жоғарғы немесе төменгі жағына еніп өтеді.)

Тарих

Біркелкі сабақтастықтың алғашқы жарияланған анықтамасын 1870 жылы Хайне берді, ал 1872 жылы ол ашық аралықтағы үздіксіз функцияның міндетті түрде біркелкі сабақтас болуы қажет емес екенін дәлелдеді. Осы дәлелдемелер 1854 жылы Дирихленің белгілі интегралдар туралы лекцияларында дерлік сөзсіз келтірілген. Біркелкі сабақтастықтың анықтамасы Болцаноның еңбектерінде одан бұрын кездеседі, онда ол ашық аралықтағы үздіксіз функциялардың біркелкі сабақтас болуы міндетті емес екенін дәлелдеген. Одан әрі, ол жабық аралықтағы үздіксіз функция біркелкі сабақтас екенін айтады, бірақ толыққанды дәлел келтірмейді.

Стандартты емес талдау

Стандартты емес талдауда, нақты айнымалының нақты мәнді функциясы, егер айырмашылық шексіз кіші болса, нақты бір нүктеде микрожалғастық болып табылады. Осылайша, егер функция жиынның барлық нақты нүктелерінде микрожалғастық болса, онда ол жиында жалғастық болады. Біркелкі жалғастық, (табиғи кеңейтілуі) функциясы микрожалғастық болатын жағдай ретінде ғана емес, сонымен қатар оның стандартты емес аналогының (табиғи кеңейтілуі) барлық нүктелерінде де микрожалғастық болады. Бұл критерийді қанағаттандыратын, бірақ біркелкі жалғастық емес гипернақты функциялар бар, сондай-ақ осы критерийді қанағаттандырмайтын біркелкі гипернақты функциялар да бар. Алайда, мұндай функцияларды кез келген нақты мәнді функция түрінде жазу мүмкін емес (толықрақ мәліметтер мен мысалдар үшін стандартты емес есептеуге қараңыз).

Кеңейту мәселесімен байланысы

Метрикалық кеңістік, болсын, – толық метрикалық кеңістік және – үздіксіз функция. Шешуге қойылған сұрақ: функциясын барлық үшін үздіксіз функцияға қашан кеңейтуге болады? Егер жинағы кеңістігінде жабық болса, онда жауап Тиецтің кеңейту теоремасымен беріледі. Сондықтан жинағының жабылуына дейін кеңейту қажет және жеткілікті, яғни, жалпылығын жоғалтпай, жинағы кеңістігінде тығыз деп есептеуге болады, және бұл кеңейту болған жағдайда, ол бірегей екенін көрсетеді. функциясын үздіксіз функцияға кеңейту үшін жеткілікті шарт – оның Коши үздіксіздігі, яғни, астындағы Коши тізбегінің суреті Коши тізбегі болып қалады. Егер толық болса (демек, –ның толықтырылуы), онда кеңістігінен метрикалық кеңістігіне дейінгі әрбір үздіксіз функция Коши үздіксіз болады. Сондықтан, егер толық болса, функциясы Коши үздіксіз болған жағдайда ғана үздіксіз функцияға дейін кеңейтіледі. Кез келген біркелкі үздіксіз функция Коши үздіксіз екенін байқау оңай, демек, ол кеңейтіледі. Керісінше, жоғарыда көрсетілгендей, функциясы біркелкі үздіксіз емес, бірақ ол үздіксіз және демек, Коши үздіксіз. Жалпы, сияқты шексіз кеңістіктерде анықталған функциялар үшін біркелкі үздіксіздік – өте күшті шарт. Кеңейтілуді анықтау үшін одан әлсіз шарт қажет. Мысалы, нақты сан болсын. Алгебралық дайындық деңгейінде функциясы мәндерінің рационал саны үшін ғана нақты анықтамаға ие болады (оң нақты сандардың түбірінің бар екенін ескере отырып, аралық мән теоремасын қолдану). функциясын барлық үшін анықталған функцияға кеңейтуге ұмтыламыз. Бірақ, кез келген шектелген интервалда функциясының шектеуі біркелкі үздіксіз, демек, Коши үздіксіз, демек, ол үздіксіз функцияға дейін кеңейтіледі. Бұл әрбір үшін орындалғандықтан, функциясын үздіксіз функцияға дейін бірегей кеңейту бар. Жалпы, егер үздіксіз функцияның кез келген шектелген ішкі жиыны біркелкі үздіксіз болса, онда ол кеңістігіне дейін кеңейтіледі, ал керісінше, егер жергілікті тығыз болса, онда дұрыс. Біркелкі үздіксіз функцияны кеңейтудің типолық қолданылуы – кері Фурье түрлендіру формуласын дәлелдеу. Біріншіден, формула тесттік функциялар үшін дұрыс екенін дәлелдейміз, олардың саны тығыз. Содан кейін сызықтық карта үздіксіз екенін пайдалана отырып, кері картаны бүкіл кеңістікке кеңейтеміз; демек, біркелкі үздіксіз.

Біркелкі кеңістікке жалпылау

Тұрақтылықты қарастыру үшін ең табиғи және жалпы жағдай топологиялық кеңістіктер болғандай, біркелкі үздіксіздікті зерттеу үшін ең табиғи және жалпы жағдай – біркелкі кеңістіктер. Біркелкі кеңістіктер арасындағы функция, егер әрбір entourage үшін сол кеңістікте бір entourage табылатын болса, оның ішіндегі әрбір x үшін y де сол entourage-қа жататын болса, біркелкі үздіксіз деп аталады. Осы жағдайда, біркелкі үздіксіз функциялар Коши тізбектерін Коши тізбектеріне айналдырады. Әрбір компактты Хаусдорф кеңістігі топологиямен үйлесімді дәл бір біркелкі құрылымға ие. Осыдан туындайтын салдар – Хайне-Кантор теоремасының жалпылануы: компактты Хаусдорф кеңістігінен біркелкі кеңістікке дейінгі әрбір үздіксіз функция біркелкі үздіксіз болады.