现在我们已经定义了函数的极限,我们现在可以定义函数连续的概念。连续性捕捉了函数“没有突跳或振荡”的直观图像。然而,在本页中,我们将从这个基本的定义转向更有条理的东西;一些严谨的东西。这不仅在实分析中很重要,在其他数学领域也同样重要。
连续性标志着对函数的一种新的分类,尤其是在本页后面解释的定理将被使用时尤为突出。但是,如果线性阅读此,那么需要注意的是,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的性质。我们还将看到一些不连续函数的例子,以说明一些不符合条件的常见函数。
I 上的连续函数定义
给定一个区间
和一个函数
,在I上连续被定义为维持以下性质
它记为 
读者可能会注意到这个定义与 极限的定义 的相似之处,因为与极限不同,极限中函数
可以收敛到任何值,而连续性限制返回值只能是函数
被评估时的预期值。这种额外的限制提供了许多新定理,其中一些更重要的定理将在以下标题中显示。
由于极限在代数运算下是保持的,让我们检查一下连续性是否也一样。
我们看到,如果
和
都在 c 处连续,连续性对于以下情况仍然有效
在代数运算下保持连续性的函数列表
加法 |
|
减法 |
|
乘积 |
|
函数的倍数 |
|
倒数 |
|
除法 |
|
需要注意的是,对于任何除法,g(c) 必须是一个有效数字,即不为 0。
这实际上是极限代数运算的保持性的推论。只需将极限值 *L* 和 *M* 分别替换为 ƒ(c) 和 g(c) 即可。
我们可以使用顺序极限来证明函数是不连续的,如下所示
在
处不连续当且仅当存在两个序列
和
使得
.
复合函数要复杂得多,但它仍然像直觉所暗示的那样起作用:两个连续函数的复合仍然是连续函数。
证明过程很简单,只需要满足复合函数
和
的连续性定义,并基于满足所有变量要求进行变量替换。因此,除了纯粹的定义之外,没有使用代数和定理。
想想连续性的直观概念。如果你无法想象一个多项式函数的图像,它总是有效的。当它穿过函数域时,平滑曲线是连续性的图形表示。但是,我们如何在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,这些定理将验证这种概念。
这是关于连续性的一个重要定理。它本质上说连续函数没有突然的跳跃或断裂。
定理
令 f(x) 为一个连续函数。如果

且

,则

.
介值定理:给定 [a,b] 上的连续函数和三个变量 a < c < b,则必须满足 ƒ(a) < ƒ(c) < ƒ(b) 的条件。
令
,并令
。
令
。根据连续性,
。
如果 f(c) < m,那么
,因此
。但是,
,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
,
,因此
= m,这意味着
,矛盾。 
现在我们证明最小-最大定理,它是另一个与连续性相关的重大结果。实质上,它指出任何闭区间的连续像都是有界的,并且也取得这些界。
该定理作为另一个更大定理的第一部分。然而,它本身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
是无界的。
设
。那么,
在至少一个闭区间
和
上是无界的(否则,
在
上是有界的,与假设矛盾)。将这个区间称为
。
类似地,将
分成两个闭区间,并设
是
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,嵌套闭区间的交集非空。因此,设
由于
在
处连续,所以存在一个
使得
但根据定义,总存在一个
使得
,这与假设
在
上无界矛盾。因此,
在
上有界。
这是定理的第二部分。它是前一个定理更具肯定性的版本,指出不仅存在上确界和下确界,而且函数 ƒ 也能达到它们,并且它们将在你指定的区间内。
定理
给定一个在 [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,那么存在
![{\displaystyle c,d\in [a,b]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/3242edd84bb073a138a9bbf3f4fcf83b3b5d57a5)
使得

。
极值定理的图示:给定一个在 [a,b] 上连续的函数,一定存在一个最大值 c 和一个最小值 d,使得 ƒ(c) 是区间内的最大值,而 ƒ(d) 是区间内的最小值。
假设如果可能,
,但
。
考虑函数
。根据连续性的代数性质,
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。你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一个
都存在
,使得如果
且
,那么 
令 
令 
我们说
在
上是利普希茨连续的当且仅当存在一个正实常数
使得,对所有
,
.
最小的这样的
被称为函数
的利普希茨常数。
如前所述,连续函数的概念在数学的几个领域都有使用,最显著的是在拓扑学中。在这样的场景中,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
的每个开邻域
,都存在
的一个开邻域
,使得 
需要指出的是,“开集”的概念可以被定义在比实数集或度量空间更一般的环境中,因此这种描述方法具有很高的实用性。