现在我们已经定义了函数的极限,我们可以定义一个函数连续意味着什么。连续性的概念抓住了函数“没有突然跳跃或振荡”的直观图像。然而,在本页中,我们将从这个基本定义转向具有清单的内容;具有严谨性的内容。这不仅在实分析中很重要,在其他数学领域也很重要。
连续性标志着函数分类的新方法,特别是当本页后面解释的定理被使用时,这种分类尤为突出。然而,如果读者是线性地阅读本,那么应该注意,本将描述具有比连续性更多属性的函数。例如,初等数学中的函数,如多项式、三角函数以及指数和对数函数,包含比连续函数更多级别的属性。我们还将看到一些不连续函数的例子,以提供一些关于不符合条件的常见函数的说明。
I 上的连续函数定义
给定一个区间
和一个函数
,在I 上连续被定义为遵循以下性质
它表示为 
读者可能会注意到这个定义与极限的定义之间的相似之处,因为与极限不同,在极限中,函数
可以收敛到任何值,连续性限制返回值只能是函数
被评估时预期的值。这种额外的限制提供了许多新的定理,如下面的标题所示,其中一些最重要的定理将被展示。
由于极限在代数运算下保持不变,让我们检查一下连续性是否也是如此。
我们看到,如果
和
在 c 处都连续,连续性在以下情况下仍然有效
在代数运算下保持不变的连续函数列表
加法 |
|
减法 |
|
乘积 |
|
函数的倍数 |
|
倒数 |
|
除法 |
|
当然,对于任何除法,g(c) 必须是一个有效数字,即不为 0。
这实际上是在您查看极限的代数运算保存证明时得出的推论。只需将极限值 *L* 和 *M* 分别替换为 ƒ(c) 和 g(c) 即可。
我们可以使用序列极限来证明函数不连续,方法如下
在
处不连续,当且仅当存在两个序列
和
使得
.
复合比较棘手,但它仍然像直觉暗示的那样起作用;两个连续函数的复合仍然是一个连续函数。
证明过程简单地通过满足复合函数
和
的连续性定义来完成。因此,除了纯粹的定义之外,没有使用代数或定理。
考虑一下连续性的直观概念。如果你不能想象一个多项式函数的图像,它总是起作用的。当曲线平滑地穿过函数的定义域时,它就是连续性的图形表示。然而,我们如何从数学上知道它是连续的呢?好吧,我们将从三个连续性定理开始,这些定理将验证这个概念。
这是关于连续性的一个重要定理。它本质上表明连续函数没有突然的跳跃或断裂。
定理
设 f(x) 是一个连续函数。如果

且

,则

.
介值定理:给定一个在 [a,b] 上连续的函数,以及三个变量 a < c < b,则必须有 ƒ(a) < ƒ(c) < ƒ(b)
设
,设
.
设
。根据连续性,
.
如果 f(c) < m,那么
,所以
。但然后
,这意味着 c 不是 S 的上界,矛盾。
如果 f(c) > m,那么由于
,
。但由于
,
,所以
= m,这意味着
,矛盾。 
我们现在将证明最小-最大定理,这是另一个与连续性相关的重大结果。本质上,它指出闭区间上的任何连续映射都是有界的,并且它也取得了这些界限。
该定理是另一个较大定理的第一部分。但是,就其本身而言,它有助于弥合关于函数的上确界和下确界之间的差距。
定理
给定一个在 [a,b] 上的连续函数 ƒ,即
![{\displaystyle f:[a,b]\to \mathbb {R} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b592d102ccd1ba134d401c5b3ea177baaba3ffac)
,那么
![{\displaystyle f([a,b])}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7e8bf1526030f5a9f1564d4ef14c5d63350dfe9a)
是有界的。
假设如果可能的话,
是无界的。
令
。 然后,
在至少一个闭区间
和
上无界(否则,
在
上有界,这与假设矛盾)。 将此区间称为
。
类似地,将
分成两个闭区间,并令
是
无界的那个区间。
因此,我们得到一个嵌套闭区间的序列
,使得
在每个区间上都是无界的。
我们知道,一个嵌套闭区间序列的交集是非空的。 因此,令 
因为
在
处连续,所以存在
使得
但根据定义,总存在
使得
,与
在
上无界假设矛盾。因此,
在
上有界。
这是定理的第二部分。它比之前的定理更具论断性,说明不仅存在上确界和下确界,而且它们也可以被函数ƒ取到,并且位于您指定的区间内。
定理
对于在 [a,b] 上连续的函数ƒ,即
![{\displaystyle f:[a,b]\to \mathbb {R} }](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/b592d102ccd1ba134d401c5b3ea177baaba3ffac)
,如果

分别是
![{\displaystyle f([a,b])}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7e8bf1526030f5a9f1564d4ef14c5d63350dfe9a)
的上界和下界,则存在
![{\displaystyle c,d\in [a,b]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3242edd84bb073a138a9bbf3f4fcf83b3b5d57a5)
使得

。
极值定理的描述:对于在 [a,b] 上连续的函数,一定存在最大值点 c 和 d,使得 ƒ(c) 是区间内的最大值,ƒ(d) 是区间内的最小值。
假设如果可能,
但
.
考虑函数
. 由连续性的代数性质,
是连续的。然而,
是
的聚点,
在
上无界,与 (i) 矛盾。因此,
。类似地,我们可以证明
.
连续性将在数学的其他分支中再次出现。您不仅会遇到连续性的不同变体,还会遇到连续性的不同定义。
令 
令 
我们说
在
上是一致连续的,当且仅当对于每个
存在
使得如果
且
,那么 
令 
令 
我们说
在
上是Lipschitz 连续的,当且仅当存在一个正实数常数
使得,对于所有
,
.
最小的这样的
被称为函数
的Lipschitz 常数。
如前所述,连续函数的概念被应用于数学的许多领域,特别是在拓扑学中。在这种情况下,连续性的另一种表征非常有用。
令 
令 
在
处连续当且仅当对于
的每一个开邻域
,都存在
的一个开邻域
,使得 
需要注意的是,“开集”这个概念可以在比实数集或度量空间更一般的环境下定义,因此这种描述方式具有很高的实用性。