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MathematicalAnalysis/02函数及其连续性.tex
2022-10-05 23:50:54 +08:00

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\chapter{函数及其连续性}
\section{映射的一般概念和性质}
\begin{definition}[映射]
$A \eqco B$是两个集合,如果$\forall x \in A \eqco \exists ! f(x) \in B$,则记$f: A \to B$$f$称为由$A$$B$的一个映射。集$A$称为定义域,$B$称为值域。
\end{definition}
\begin{definition}[满射]
$f: A \to B$。若$\forall y \in B \eqco \exists x \in A$满足$f(x) = y$$x \in A$不必唯一),则称$f$是一个满射。
\end{definition}
\begin{definition}[单射]
$f: A \to B$。若$\forall x_1, x_2 \in A \eqco x_1 \neq x_2$必有$f(x_1) \neq f(x_2)$,则称$f$是一个单射。
\end{definition}
\begin{definition}[一一映射]
$f: A \to B$。如果$f$即是满射又是单射,则称$f$是双射(一一对应)。
\end{definition}
\begin{corollary}
$B_1 = \{f(x) \vert x \in A\}$,则$f: A \to B_1$是满射。
又若$f: A \to B$是单射,则$f: A \to B_1$是双射。
\end{corollary}
\begin{definition}[像集]
$f: A \to B$。令$E \subset A$。记$f(E) = \{f(x) \vert x \in E\}$$f(E)$称为$E$的像(集)。
\end{definition}
\begin{definition}[逆像]
$f: A \to B$。令$K \subset B$。记$f^{-1}(K) = \{x \in A \vert f(x) \in K\}$$f^{-1}(K)$称为$K$的逆像(原像)。
\end{definition}
\begin{remark}
原像可以是空集,如果映射不是满射的话。
\end{remark}
\begin{definition}[逆映射]
$f: A \to B$是单射,记$B_1 = f(A)$,则$\forall y \in B_1$$\exists ! x \in A$满足$f(x) = y$。定义$f^{-1}(y) = x$,由此得到映射$f^{-1}: B_1 \to A$,成为$f$的逆映射。
\end{definition}
\begin{remark}
仅当$f$为单射式,才能定义逆映射$f^{-1}: B_1 \to A$,否则$\exists y \in B_1$$f^{-1}(y)$不唯一,不符合映射的定义。
\end{remark}
\begin{corollary}
$f: A \to B$的逆映射$f^{-1}: B \to A$存在当且仅当$f$是双射时。
\end{corollary}
\begin{definition}[复合映射]
$g: A \to B$$f: C \to D$,满足$g(A) \subset C$,则可以定义映射$f \circ g : A \to D$$\forall x \in A$$(f \circ g)(x) = f(g(x)) \in D$称为$f$$g$的复合。
\end{definition}
\begin{theorem}
$f: A \to B$是双射,则逆映射$f^{-1}: B \to A$存在且$f(A) = B$$f^{-1}(B) = A$,所以复合映射
\[f \circ f^{-1}: B \to B \eqco f^{-1} \circ f: A \to A\]
都存在,且二者分别是$B$$A$上的恒等映射:
\begin{equation*}
\begin{aligned}
\forall y \in B \eqco (f \circ f^{-1})(y) = y\\
\forall x \in A \eqco (f^{-1} \circ f)(x) = x
\end{aligned}
\end{equation*}
\end{theorem}
\section{函数的表示、运算与性质}
\begin{definition}[函数]
$A$为实数集合,则$f: A \to \realnum$称为函数。$\forall x \in A$$\exists ! f(x) \in \realnum$。称这里的实数$x$为自变量,$f(x)$称为函数值。
\end{definition}
\begin{definition}[函数的四则运算]
$f: A \to \realnum$$g: B \to \realnum$$D = A \cap B$非空,定义
\begin{enumerate}
\item $f \pm g : D \to \realnum$$\forall x \in D$$(f \pm g)(x) = f(x) \pm g(x)$
\item $fg: D \to \realnum$$\forall x \in D$$(fg)(x) = f(x)g(x)$
\item $f / g: D \to \realnum$$\forall x \in D_0$,其中$D_0 = \{x \in D \vert g(x) \neq 0\}$$(f/g)(x) = \dfrac{f(x)}{g(x)}$
\end{enumerate}
\end{definition}
\begin{definition}[函数的复合运算]
$f: A \to \realnum$$g:B \to \realnum$$g(B) \subset A$,则得到的复合映射$f \circ g:B \to \realnum$也是一个函数,成为复合函数
\[(f \circ g)(x) = f(g(x)) \eqco \forall x \in B\]
\end{definition}
\begin{definition}[单调函数]
$f: A \to \realnum$$A \subset \realnum$
\begin{itemize}
\item$\forall x_1, x_2 \in A \eqco x_1 < x_2$时,$f(x_1) \leq f(x_2)$,则称$f$单调增;
\item$\forall x_1, x_2 \in A \eqco x_1 < x_2$时,$f(x_1) \geq f(x_2)$,则称$f$单调减。
\end{itemize}
若上面的不等号时严格不等号,则称为严格单调。
\end{definition}
\begin{corollary}
$f: A \to \realnum$严格单调,记$f(A) = D$,则
\begin{enumerate}
\item $f^{-1}: D \to A$存在;
\item $f^{-1}$也严格单调,且与$f$的增减性相同。
\end{enumerate}
\end{corollary}
\section{基本初等函数}
基本初等函数有:
\begin{enumerate}[label=(\arabic{*})]
\item 多项式函数(由常值函数和恒等函数的加乘运算生成)
\[P(x) = a_0x^n + a_1x^{n-1} + \cdots + a_{n-1}x + a_n \eqco x \in \realnum\]
其中$a_0, a_1, a_2, \cdots, a_n \in \realnum$为常数。
\item 幂函数
\[f(x) = x^a \eqco x > 0\]
特别当$a = n \in \naturalnum$时,$f(x) = x^n \eqco x \in \realnum$
$a = -n , n \in \naturalnum$时,$f(x) = x^{-n} = \dfrac{1}{x^n} \eqco x \neq 0$
$a = \dfrac{n}{m} \eqco m,n \in \integer$时,$f(x) = x^{\frac{n}{m}} = \sqrt[m]{x^n} \eqco x > 0$
\item 指数函数
$a > 0$固定
\[f(x) = a^x \eqco x \in \realnum\]
\item 对数函数
$a > 0$$a \neq 1$
\[f(x) = \log_a x \eqco x > 0\]
\item 三角函数
\begin{equation*}
\begin{aligned}
f_1(x) = \sin x \eqco x \in \realnum\\
f_2(x) = \cos x \eqco x \in \realnum
\end{aligned}
\end{equation*}
\item 反三角函数
\begin{equation*}
\begin{aligned}
f_1^{-1} = \arcsin x \eqco \vert x \vert < 1\\
f_2^{-1} = \arccos x \eqco \vert x \vert < 1
\end{aligned}
\end{equation*}
\end{enumerate}
\section{函数的极限}
\begin{definition}[函数的极限]
设函数$f$在点$x_0$附近有定义(除$x_0$以外)。$A \in \realnum$,若$\forall \varepsilon > 0$$\exists \delta > 0$,使所有满足$0 < \vert x - x_0 \vert < \delta$$x$都有
\[\vert f(x) - A \vert < \varepsilon \eqco\]
则称当$x$趋于点$x_0$$f(x)$的极限为$A$,或$f(x)$趋于$A$,记作
\[\toxzero f(x) = A \eqco\]
或记作
\[f(x) \to A (x \to x_0) \eqper\]
\end{definition}
\begin{definition}[单侧极限]
设函数$f$在点$x_0$附近有定义。则它的
\begin{itemize}
\item 右极限:$\forall \varepsilon > 0$$\exists \delta > 0$,使得当$0 < x - x_0 < \delta$$\vert f(x) - A \vert < \varepsilon$,记作$\lim \limits_{x \to x_0^+} f(x) = A$$f(x_0+) = A$
\item 左极限:$\forall \varepsilon > 0$$\exists \delta > 0$,使得当$-\delta < x - x_0 < 0$$\vert f(x) - A \vert < \varepsilon$,记作$\lim \limits_{x \to x_0^-} f(x) = A$$f(x_0-) = A$
\end{itemize}
\end{definition}
\begin{corollary}
$\toxzero f(x) = A$当且仅当$\lim \limits_{x \to x_0^+} f(x) = \lim \limits_{x \to x_0^-} f(x) = A$
\end{corollary}
\section{函数极限的性质}
函数极限的性质与数列极限的性质类似。
\begin{proposition}[唯一性]
$\toxzero f(x)$存在,则极限值唯一。
\end{proposition}
\begin{proposition}[有界性【局部】]
$\toxzero f(x) = A$,则$\exists \delta > 0$,使得
\[\forall 0 < \vert x - x_0 \vert < \delta \eqco \vert f(x) \vert \leq 1 + \vert A \vert\]
即在$x_0$附近(不包含$x_0$$f(x_0)$有界。
\end{proposition}
\begin{proposition}[保号性]
$\toxzero f(x) = A$
\begin{enumerate}
\item 若在$x_0$附近(除去$x_0$$f(x) \geq 0$,则$A \geq 0$
\item$A > 0$,则$\exists \delta > 0$,使得$0 < \vert x - x_0 \vert < \delta$$f(x) > 0$
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proposition}[极限的四则运算]
$\toxzero f(x) = A$$\toxzero g(x) = B$,则
\begin{enumerate}
\item $\toxzero [f(x) \pm g(x)] = A \pm B$
\item $\toxzero f(x)g(x) = AB$
\item $\toxzero \dfrac{f(x)}{g(x)} = \dfrac{A}{B}$,只要$B \neq 0$
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{corollary}[保序性]
$\toxzero f(x) = A$$\toxzero g(x) = B$,则
\begin{enumerate}
\item 若在$x_0$附近(除去$x_0$之外)$f(x) \geq g(x)$,则$A \geq B$
\item$A > B$,则$\exists \delta > 0$,使得$0 < \vert x - x_0 \vert < \delta$$f(x) > g(x)$
\end{enumerate}
\end{corollary}
\begin{theorem}[Heine定理子列性质]\label{Heine定理}
$\toxzero f(x) = A$的充要条件是:对任何数列\setname{x_n}满足$x_n \neq x_0$$toinf x_n = x_0$都有$\toinf f(x_n) = A$
\end{theorem}
\begin{corollary}
若有两数列\setname{x_n}\setname{y_n}满足$x_n \neq x_0$$y_n \neq x_0$$\toinf x_n = x_0$$\toinf f(x_n) = A$,以及$\toinf y_n = x_0$$\toinf f(y_n) = B \neq A$$\toxzero f(x)$不存在。
\end{corollary}
\begin{theorem}[夹逼原理]
设在$x_0$附近$f \eqco g \eqco h$满足
\[f(x) \leq g(x) \leq h(x)\]
如果$\toxzero f(x) = \toxzero h(x) = A$,则$\toxzero g(x) = A$
\end{theorem}
\begin{proof}
证明$\toxzero g(x) = A$即证明$\forall x_n \to x_0 \eqco \toinf g(x_n) = A$
由定理\ref{Heine定理}和已知,$\toxzero f(x) = \toxzero h(x) = A$。得
\[\forall x_n \to x_0 (n \to 0)\text{} \toxzero f(x_n) = \toxzero h(x_n) = A \eqper\]
由已知$\exists \delta_0$$\vert x - x_0 \vert < \delta_0$$f(x) < g(x) < h(x)$
因此$\exists N \in \naturalnum$$n > N$$\vert x - x_0 \vert < \delta_0$,那么$f(x_n) < g(x_n) < h(x_n)$
由数列夹逼原理,$\toinf g(x_n) = A$,从而$\toxzero g(x) = A$
\end{proof}
\begin{proposition}[单调收敛原理]
\ \par
\begin{enumerate}
\item $f$$(a,b)$上的单增有上界,则$\lim \limits_{x \to b^-} f(x) = \sup \limits_{a < x < b} f(x)$
\item $f$$(a,b)$上的单减有下界,则$\lim \limits_{x \to b^-} f(x) = \inf \limits_{a < x < b} f(x)$
\item $f$$(a,b)$上的单增有下界,则$\lim \limits_{x \to a^+} f(x) = \inf \limits_{a < x < b} f(x)$
\item $f$$(a,b)$上的单减有上界,则$\lim \limits_{x \to a^+} f(x) = \sup \limits_{a < x < b} f(x)$
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{proof}
只证1$\{f(x) \vert x \in (a, b)\}$非空有上界,从而有上确界
\[A = \sup \{f(x) \vert x \in (a, b)\} \eqper\]
由上确界的定义,
\[\forall \varepsilon > 0 \eqco \exists x_1 \in (a, b) \eqco \text{s.t. } f(x_1) > A - \varepsilon\]
\[f(x) \leq A \eqco \forall x \in (a, b) \eqper\]
因为$f$单增,则$\forall x \in (x_1, b)$,有
\[A - \varepsilon < f(x_1) \leq f(x) \leq A \eqper\]
因此$\lim \limits_{x \to b^-} f(x) = A$
\end{proof}
\begin{theorem}
$(a, b)$上的单调函数在每一点处左右极限都存在。
\end{theorem}
\begin{proof}
不妨设$f$$(a,b)$上单增,$x_0 \in (a, b)$,往证$\lim \limits_{x \to x_0^-} f(x)$存在(同理可证$\lim \limits_{x \to x_0^+} f(x)$存在)。
$f$单增,$\{f(x) \vert x \in (a, x_0)\}$非空有上界$f(x_0)$,从而有上确界
\[A = \sup \{f(x) \vert x \in (a, x_0)\} \eqper\]
由上确界的定义,
\[\forall \varepsilon > 0 \eqco \exists x_1 \in (a, x_0) \eqco \text{s.t. } f(x_1) > A - \varepsilon\]
\[f(x) \leq A \eqco \forall x \in (a, x_0)\]
因为$f$单增,因此$\forall x \in (x_1, x_0)$,有
\[A - \varepsilon < f(x_1) \leq f(x) \leq A \eqper\]
因此$\lim \limits_{x \to x_0^-} f(x) = A$
\end{proof}
\begin{theorem}
$f$$U(x_0, \rho)$中有定义,则以下命题等价:
\begin{enumerate}[label=(\arabic{*})]
\item 函数极限的Cauchy收敛原理$\forall \varepsilon > 0 \eqco \exists \delta > 0 \eqco \forall x, y \in U(x_0, \delta)$,有$\vert f(x) - f(y) \vert < \varepsilon$
\item Heine定理$\exists A \in \realnum$,对$U(x_0, \rho)$中任意收敛到$x_0$的点列\setname{x_n},有$\toinf f(x_n) = A$
\item $\toxzero f(x) = A$
\end{enumerate}
\end{theorem}
\begin{proof}
先证1$\Rightarrow$2
$x_n \in U(x_0, \rho)$$\toinf x_n = x_0$$\forall \varepsilon > 0$1
\[\exists \delta > 0 \eqper \forall x, y \in U(x_0, \delta) \eqco \text{} \vert f(x) - f(y) \vert < \varepsilon \eqper\]
对此$\delta$,因为$\toinf x_n = x_0$,所以$\exists N \in \naturalnum$,使$\forall n > N$$x_n \in U(x_0, \delta)$
那么$\forall m, n > N$$x_m, x_n \in U(x_0, \delta)$$\vert f(x_n) - f(x_m) \vert < \varepsilon$。因此\setname{f(x_n)}为Cauchy列\setname{f(x_n)}收敛,$\exists A \in \realnum$,满足$\toinf f(x_n) = A$
$\toinf y_n = x_0$,同理$\toinf f(y_n) = B$。只要证$A = B$即可。构造点列\setname{z_n}
$\left\{
\begin{aligned}
&z_{2n-1} = x_n\\
&z_{2n} = y_n
\end{aligned}
\right.$
$\toinf z_n = x_0$\setname{f(z_n)}收敛,且$A = \toinf f(z_{2n-1}) = \toinf f(z_n) = \toinf f(z_{2n}) = B$
再证2$\Rightarrow$3
$\toxzero f(x) \neq A$。则$\exists \varepsilon_0 > 0$$\forall n \in \naturalnum$$\exists x_n \in U\left(x_0, \dfrac{1}{n}\right)$满足
\[\vert f(x_n) - A \vert > \varepsilon_0 \eqper\]
此时,$\toinf x_n = x_0$,但$\toinf f(x_n) \neq A$2矛盾。
3$\Rightarrow$1由定义即可得证。
\end{proof}
\begin{remark}
$\toinf x_n = \toinf y_n = x_0$
\begin{itemize}
\item $\toinf f(x_n) = A \neq B = \toinf f(y_n) \Rightarrow \toxzero f(x)$不存在;
\item $\toinf f(x_n)$不存在$\Rightarrow$ $\toxzero f(x)$不存在。
\end{itemize}
\end{remark}
\begin{theorem}
$\toxzero u(x) = a$$\toxzero v(x) = b$$a^b$有意义,则$\toxzero u(x)^{v(x)} = a^b$
\end{theorem}
\begin{proof}
\begin{equation*}
\toxzero u(x)^{v(x)} = \toxzero e^{v(x) \ln u(x)} = e^{\toxzero \left(v(x) \ln u(x)\right)} = e^{\toxzero v(x) \cdot \toxzero \ln u(x)} = e^{b \ln a} = a^b \eqper
\end{equation*}
\end{proof}
\section{复合函数极限}
\begin{proposition}[复合函数极限]
$\toxzero f(x) = A$$\lim \limits_{t \to t_0} g(t) = x_0$并且满足附加条件:$f(x_0) = A$,或者在$t = t_0$附近($t = t_0$除外)$g(t) \neq x_0$,这时复合函数有极限$\lim \limits_{t \to t_0} f(g(t)) = A$
\end{proposition}
\section{无穷远处的极限}
\begin{definition}[无穷远处的极限]
\ \par
\begin{enumerate}
\item$f: (a, +\infty) \to \realnum$,记$\lim \limits_{x \to +\infty} f(x) = A$,如果$\forall \varepsilon > 0$$\exists M > 0$,使得$\forall x > M$都有$\vert f(x) - A \vert < \varepsilon$,称$x$趋于正无穷时$f(x)$趋向于$A$
\item$f: (-\infty, a) \to \realnum$,记$\lim \limits_{x \to -\infty} f(x) = A$,如果$\forall \varepsilon > 0$$\exists M > 0$,使得$\forall x < -M$都有$\vert f(x) - A \vert < \varepsilon$,称$x$趋于负无穷时$f(x)$趋向于$A$
\item$\vert x \vert$充分大时$f(x)$有定义,记$\lim \limits_{x \to \infty} f(x) = A$,如果$\forall \varepsilon > 0$$\exists M > 0$,使得$\forall \vert x \vert > M$都有$\vert f(x) - A \vert < \varepsilon$,称$x$趋于无穷时$f(x)$趋向于$A$
\end{enumerate}
\end{definition}
无穷远处的极限的性质与$x$趋于$x_0$时的极限类似,无穷远处的极限也有相应性质:唯一性、有界性、保号/保序性、四则运算性质、子列性质、Cauchy收敛原理、夹逼原理等。
无穷远处的复合函数的极限:
\begin{proposition}
如果$\lim \limits_{x \to +\infty} f(x) = A$$\lim \limits_{t \to t_0} g(t) = + \infty$,则$\lim \limits_{t \to t_0} f(g(t)) = A$
\end{proposition}
类似于单/双侧极限的关系,无穷远处极限也有同样的性质
\begin{proposition}
$\lim \limits_{x \to \infty} f(x) = A \Leftrightarrow \lim \limits_{x \to -\infty} f(x) = \lim \limits_{x \to +\infty} f(x) = A$
\end{proposition}
\section{无穷大与无穷小}
\begin{definition}[无穷大量]
设函数$f$$x_0$附近有定义($x_0$除外),如果$\forall M > 0$$\exists \delta > 0$,使得$\forall 0 < \vert x - x_0 \vert < \delta$都有
\begin{enumerate}
\item $f(x) > M$,则称$x \to x_0$$f(x) \to +\infty$,记为$\toxzero f(x) = +\infty$
\item $f(x) < -M$,则称$x \to x_0$$f(x) \to -\infty$,记为$\toxzero f(x) = -\infty$
\item $\vert f(x) \vert > M$,则称$x \to x_0$$f(x) \to \infty$,记为$\toxzero f(x) = \infty$
\end{enumerate}
以上情况称$x \to x_0$$f(x)$为无穷大量。
\end{definition}
\begin{definition}[无穷小量]
$\toxzero f(x) = 0$,则称$x \to x_0$$f(x)$为无穷小量。
\end{definition}
\begin{remark}
在其它极限过程($x \to x_0^\pm, x \to \pm \infty$)中可以类似地定义无穷大/小量。
\end{remark}
\begin{corollary}
在同一极限过程中$f(x)$为无穷大量$\Leftrightarrow$ $\dfrac{1}{f(x)}$为无穷小量。
\end{corollary}