Processing math: 100%
Poznański Portal Matematyczny

Od funkcji ciągłych do przestrzeni liniowej funkcji ciągłych na przedziale [0, 1]

Autor: Tadeusz Chawziuk

W szkole podstawowej i średniej poznajemy własności różnych funkcji. Jest mowa o funkcji liniowej, kwadratowej, homograficznej, logarytmicznej, wykładniczej czy funkcjach trygonometrycznych. Kiedy o każdym z tych typów funkcji coś się już wie, przychodzi ochota, aby zacząć je ujmować w bardziej uporządkowany sposób wszystkie razem. W tym tekście chcemy powiedzieć kilka słów o pewnym zbiorze funkcji ciągłych (o ciekawych przykładach funkcji nieciągłych możesz przeczytać w artykule Kilka funkcji „bardzo nieciągłych”).

Dowodzenie ciągłości funkcji wprost z definicji

Przypomnijmy definicję funkcji ciągłej.

Definicja 1. Funkcję f określoną na podzbiorze liczb rzeczywistych i przyjmującą wartości w zbiorze liczb rzeczywistych nazywamy ciągłą w punkcie x0, gdy dla każdej dodatniej liczby ϵ istnieje dodatnia liczba δ taka, że jeżeli |xx0|<δ, to |f(x)f(x0)|<ϵ.

Definicja 2. Funkcję f nazywamy ciągłą, kiedy jest ona ciągła w każdym punkcie swej dziedziny.

Będziemy rozważać zbiór wszystkich funkcji ciągłych określonych na przedziale [0,1] i przyjmujących wartości rzeczywiste. Do naszego zbioru funkcji ciągłych należą więc na przykład wszystkie funkcje liniowe, wszystkie funkcje kwadratowe, ogólnie: wszystkie funkcje wielomianowe, a także funkcja wykładnicza f(x)=ex i funkcje trygonometryczne. Nie należą do niej na przykład funkcja logarytmiczna i funkcja f(x)=1x, gdyż nie są one określone dla x=0, ani funkcja
f(x)={0dla 0x12;1dla 12<x1,
która nie jest ciągła w punkcie x=12.

Udowodnienie bezpośrednio z definicji, że dana funkcja jest ciągła, czasami nie sprawia trudności; ale w innych przypadkach może być rachunkowo zawiłe. Wtedy lepiej posłużyć się sprytnym twierdzeniem.

Na przykład bardzo łatwo pokazać z definicji, że funkcja stała f(x)=a, gdzie a jest dowolną liczbą rzeczywistą, lub funkcja tożsamościowa g(x)=x są ciągłe w dowolnym punkcie x0.

Trochę trudniej pokazać, że funkcja f(x)=sinx jest ciągła w każdym punkcie x0.

Twierdzenie 1. Funkcja f(x)=sinx  jest ciągła w każdym punkcie x0.

Dowód. Niech ε będzie dowolnie małą dodatnią liczbą rzeczywistą. Nasze zadanie polega na znalezieniu takiej liczby δ>0, że
jeśli |xx0|<δ, to |sinxsinx0|<ε.
Okazuje się, że będzie się do tego nadawać liczba δ=ε. Istotnie, korzystając z równości sinαsinβ=2cosα+β2sinαβ2 oraz nierówności |cosα|1 i |sinα||α| prawdziwych dla wszystkich liczb rzeczywistych α i β (każdy, kto uczył się o funkcjach trygonometrycznych, musiał je spotkać), dla dowolnego punktu x0 mamy
|sinxsinx0|=|2cosx+x02sinxx02|2|sinxx02|2|xx02|=|xx0|<δ=ε.
A zatem funkcja f(x)=sinx jest ciągła w każdym punkcie swej dziedziny, czyli na całej prostej rzeczywistej (w szczególności na przedziale [0,1]).

Pośrednie dowodzenie ciągłości funkcji

Udowodnienie bezpośrednio z definicji ciągłości, powiedzmy, funkcji
f(x)=2xx2+1
sprawiłaby nam pewien kłopot. Zamiast tego można posłużyć się twierdzeniem.

Twierdzenie 2. Jeżeli funkcje f(x) i g(x) są ciągłe w punkcie x0, to również ciągłe są w tym punkcie następujące funkcje
f(x)+g(x)f(x)g(x)f(x)g(x)f(x)g(x),
przy czym w przypadku ostatniej funkcji zakładamy, że g(x0)0 (aby wykluczyć dzielenie przez zero).

Wykorzystując to twierdzenie łatwo już pokazać, że funkcja f(x)=2xx2+1 jest ciągła w dowolnym punkcie x0. Skoro funkcja stała i funkcja tożsamościowa są ciągłe w każdym punkcie, to ich iloczyny, sumy i ilorazy dają funkcje ciągłe w każdym punkcie (z wyjątkiem przypadku, gdy dzielilibyśmy przez zero). Funkcja f(x) powstaje jako wynik kilku takich operacji, a zatem musi ona być ciągła w każdym punkcie x0!

Dowód. Pokażemy najpierw, że jeśli funkcje f(x) i g(x) są ciągłe w punkcie x0, to ich suma f(x)+g(x) również jest ciągła w tym punkcie.

Zgodnie z definicją ciągłość funkcji f(x) i g(x) oznacza, że dla dowolnie wybranej liczby ε>0 istnieją takie liczby δ1>0 i δ2>0, że
jeśli |xx0|<δ1, to |f(x)f(x0)|<ε2
oraz
jeśli |xx0|<δ2, to |g(x)g(x0)|<ε2.

Oznaczmy przez δ mniejszą z liczb δ1, δ2, tzn. δ=min(δ1,δ2). Przypuśćmy, że |xx0|<δ. Korzystając z tego, że dla dowolnych liczb rzeczywistych α i β zachodzi nierówność |α+β||α|+|β|, oraz z powyższych dwóch implikacji, mamy
|f(x)+g(x)(f(x0)+g(x0))|=|f(x)f(x0)+g(x)g(x0)||f(x)f(x0)|+|g(x)g(x0)|<ε2+ε2=ε.
A więc dla dowolnej liczby ε>0 znaleźliśmy liczbę δ taką, że
jeśli |xx0|<δ, to |f(x)+g(x)(f(x0)g(x0)|<ε,
co oznacza, że funkcja f(x)+g(x) jest ciągła w punkcie x0.

Dowód ciągłości funkcji f(x)g(x) przebiega identycznie.

Istota powyższego dowodu polega na tym, że od „epsilona” dla funkcji f(x)+g(x) przechodzimy do mniejszych „epsilonów” – w tym przypadku ε2 – dla funkcji f(x) i g(x), a potem korzystamy z ciągłości tych funkcji pozwalającej dobrać liczby δ1 i δ2; mniejsza z nich będzie odgrywała rolę „delty” dla wyjściowego „epsilona”.

W dowodzie tego, że funkcja f(x)g(x) jest ciągła w punkcie x0, o ile każda z funkcji f(x) i g(x) jest w tym punkcie ciągła, dobranie mniejszych „epsilonów” stanowi trochę większe wyzwanie.

Z ciągłości funkcji f(x) wynika, że do „epsilona” równego 1 można dobrać takie δ0>0, że
jeśli |xx0|<δ0, to |f(x)f(x0)|<1.
Ponieważ dla wszystkich liczb rzeczywistych α i β zachodzi nierówność |α||β||αβ|, czyli |α||αβ|+|β|, powyższy warunek możemy zapisać w następujący sposób:
jeśli |xx0|<δ0, to |f(x)|<1+|f(x0)|.
Warunek ten oznacza, że funkcja f(x) jest ograniczona przez liczbę 1+|f(x0)| w pobliżu punktu x0.

Teraz możemy ustalić odpowiednie „epsilony” dla funkcji f(x) i g(x), tak aby w ostatniej nierówności wszystko do siebie pasowało.

Niech ε będzie dowolną dodatnią liczbą rzeczywistą. Istnieją liczby δ1>0 i δ2>0 takie, że
jeśli |xx0|<δ1, to |f(x)f(x0)|<ε2|g(x0)|
oraz
jeśli |xx0|<δ2, to |g(x)g(x0)|<ε2(1+|f(x0)|).

Dzięki temu doborowi stałych i znanej sztuczce polegającejna dodaniu i odjęciu tego samego otrzymujemy
|f(x)g(x)f(x0)g(x0)|=|f(x)g(x)f(x)g(x0)+f(x)g(x0)f(x0)g(x0)|=|f(x)(g(x)g(x0))+(f(x)f(x0))g(x0)||f(x)||g(x)g(x0)|+|f(x)f(x0)||g(x0)|<(1+|f(x0)|)ε2(1+|f(x0)|)+ε2|g(x0|)|g(x0)|=ε2+ε2=ε.
Pokazaliśmy, że dla δ=min(δ0,δ1,δ2) zachodzi implikacja
jeśli |xx0|<δ, to |f(x)g(x)f(x0)g(x0)|<ε,
co oznacza, że funkcja f(x)g(x) jest ciągła w punkcie x0.

Załóżmy teraz, że funkcja g(x) jest ciągła w punkcie x0 i że g(x0)0. Pokażemy, że funkcja 1g(x) jest ciągła w punkcie x0.

Z ciągłości funkcji g(x) wynika, że do „epsilona” równego |g(x0)|2 można dobrać takie δ0>0, że
jeśli |xx0|<δ0, to |g(x)g(x0)|<|g(x0)|2.
Ponieważ dla wszystkich liczb rzeczywistych α i β zachodzi nierówność |β||α||αβ|, czyli |β||αβ|+|α|, powyższy warunek możemy zapisać następująco:
jeżeli |xx0|<δ0, to |g(x0)|<|g(x0)|2+|g(x)|, czyli 1|g(x)|<2|g(x0)|.
Niech ε będzie dowolną dodatnią liczbą rzeczywistą. Istnieje taka liczba δ1>0, że
jeśli |xx0|<δ1, to |g(x)g(x0)|<ε|g(x0)|22.
Otrzymujemy
|1g(x)1g(x0)|=|g(x)g(x0)g(x)g(x0|<|g(x)g(x0)|2|g(x0)|2<ε|g(x0)|222|g(x0)|2=ε,
o ile |xx0|<δ=min(δ0,δ1). Oznacza to, że funkcja 1g(x) jest ciągła w punkcie x0.

Ponieważ f(x)g(x)=f(x)1g(x), wystarczy teraz powołać się na ciągłość iloczynu funkcji ciągłych, aby otrzymać ciągłość ilorazu funkcji ciągłych. W ten sposób zakończyliśmy dowód twierdzenia.

Prawdziwe są również twierdzenia o ciągłości funkcji odwrotnej do funkcji ciągłej i o ciągłości złożenia dwóch funkcji ciągłych. Podamy je bez dowodu.

Twierdzenie 3. Jeżeli funkcja f(x) jest ciągła w punkcie x0 i ma funkcję odwrotną f1(y), to funkcja f1(y) jest ciągła w punkcie y0=f(x0).

Twierdzenie 4. Jeżeli istnieje złożenie f(g(x)) funkcji f(x) i g(x) i funkcja g(x) jest ciągła w punkcie x0, a funkcja f(x) jest ciągła w punkcie g(x0), to złożenie f(g(x)) jest ciągłe w punkcie x0.

Dzięki pierwszemu z tych twierdzeń łatwo na przykład możemy wnioskować, że funkcja f(x)=arcsinx jest ciągła w każdym punkcie swojej dziedziny, czyli w każdym punkcie przedziału [π2,π2], gdyż jest to funkcja odwrotna do ciągłej funkcji sinus; a dzięku drugiemu, że na przykład funkcja f(x)=sin(logx) jest ciągła na dodatniej półprostej rzeczywistej jako złożenie dwóch funkcji ciągłych.

Przestrzeń liniowa funkcji ciągłych na przedziale [0, 1]

Powróćmy teraz do zagadnienia, od którego wyszliśmy. Rozważamy zbiór funkcji ciągłych na  przedziale [0,1]. Chcieliśmy przede wszystkich wiedzieć, jak rozpoznać, że dana funkcja należy do tego zbioru. Okazuje się, że pomocne do tego są twierdzenia o „wytwarzaniu” funkcji ciągłych z innych funkcji ciągłych. Jeżeli dana funkcja daje się w poprawny sposób zbudować z prostszych funkcji ciągłych, to może być zaliczona do naszego zbioru. Ciągłość tych „prostszych” funkcji musi być udowodniona z definicji.

Możemy jednak odwrócić nasze zagadnienie i zapytać o operacje, które od funkcji ciągłych na przedziale [0,1] prowadzą nas zawsze do funkcji ciągłych na tym przedziale. Wiemy już, że iloraz dwóch funkcji ciągłych nie jest tego rodzaju operacją, gdyż w punktach, w których funkcja mianownikowa się zeruje, możemy dostać nieciągłość ilorazu. Podobnie nie zawsze funkcja odwrotna do funkcji ciągłej będzie funkcją ciągłą (funkcja odwrotna może w ogóle nie istnieć lub nie być określona na przedziale [0,1], jak wymagamy). Wreszcie złożenie funkcji ciągłych może wcale nie istnieć).

Z tego przeglądu wynika, że operacjami, które od funkcji ciągłych na przedziale [0,1] niezawodnie prowadzą do funkcji ciągłych na tym przedziale są dodawanie funkcji i mnożenie funkcji (w szczególności mnożenie funkcji przez liczbę). Jest to bardzo ważne spostrzeżenie, które prowadzić w szczególności do pojęcia przestrzeni liniowej funkcji ciągłych na przedziale [0,1].

Przestrzeń liniowa funkcji ciągłych na przedziale [0,1] jest zbiorem wszystkich funkcji ciągłych na przedziale [0,1] razem z operacją mnożenia funkcji z tej kasy przez liczby i operacją dodawania do siebie funkcji z tego zbioru. Jak wiemy, te dwie operacje dają wyniku znowu funkcję ze zbioru funkcji ciągłych na przedziale [0,1]. Oznacza to, że dla dowolnej skończonej liczby funkcji f1,f2,,fn ciągłych na przedziale [0,1] funkcja f(x)=λ1f1(x)+λ2f2(x)++λnfn(x), gdzie λ1,,λn jest dowolnym zestawem n liczb, jest ciągła na przedziale [0,1].

Fukcję f(x)=λ1f1(x)+λ2f2(x)++λnfn(x) nazywa się \textit{kombinacją liniową} funkcji f1,f2,,fn. Na przykład dla f1(x)=1,f2(x)=x i f3(x)=x2 każdy wielomian drugiego stopnia jest po prostu ich kombinacją liniową.

Przestrzeń liniowa funkcji ciągłych na przedziale [0,1] jest jedną z wielu przestrzeni funkcji badanych w analizie matematycznej. W artykule \textit{Baza Schaudera przestrzeni C[0,1]} możesz przeczytać o tym, co to znaczy, że przestrzeń liniowa funkcji ciągłych na przedziale [0,1] ma bazę i zapoznać się z ważnym przykładem takiej bazy podanym przez polskiego matematyka Juliana Schaudera.

Ten artykuł został sfinansowany dzięki wsparciu pozyskanemu przez Poznańską Fundację Matematyczną z Fundacji mBanku na realizację projektu „Potęga matematyki”.

mfundacja_logotyp_sowa

Ta strona wykorzystuje pliki cookies

Ta strona wykorzystuje pliki cookies do zapewniania najwyższej wygody korzystania z serwisu. Te same pliki mogą być wykorzystywane przez współpracujące z nami firmy w celach badawczych. Jeśli wyrażasz zgodę na nasze działania, zamknij ten komunikat. Pamiętaj, że zawsze możesz wyłączyć obsługę plików cookies w swojej przeglądarce.

Zamknij