Süreklilik (matematik)

Gelen matematik , süreklilik a, topolojik özelliği a fonksiyonu . Bir ilk yaklaşım olarak, bir fonksiyon f olan , sürekli değişken bir sonsuz varyasyonları, varsa , x , değeri sonsuz varyasyonlardan karşılık f ( x ) .

Süreklilik, kökeni geometrik olan bir süreklilik kavramıyla ilişkilidir . Düzlem veya uzay gibi bir geometrik süreklilikte, bir nokta başka bir noktaya keyfi bir hassasiyetle yaklaşmak için sürekli hareket edebilir . Süreklilik kavramı, matematikte titizlikle tanımlanmıştır.

Sürekli fonksiyonların ilk örneği, bir aralıkta tanımlanan ve grafiği kalemi kaldırmadan çizilebilen gerçek fonksiyonlarla ilgilidir . Bu ilk yaklaşım, kavram hakkında bir fikir verir (fonksiyon atlamaz ) ancak onu tanımlamak için yeterli değildir, dahası, örneğin eğriler gibi sürekli fonksiyonların bazı grafikleri bu şekilde çizilemez. Cantor merdiveni gibi fraktal özellikler .

Tarihsel olarak gerçek değişkenin işlevleri için tanımlanan süreklilik kavramı, metrik uzaylar arasındaki veya topolojik uzaylar arasındaki, yerel bir biçimde ve küresel bir biçimde fonksiyonlara genelleştirilir .

Sürekli fonksiyonların çalışma (malı sahip oldukları özellikler için verimli olduğu ortaya çıkıyor yakınsama anlamında olduğu “  lim ( f ( x )) = f (lim ( x ))  ,” teoremi ara değerler , teoremi sınırları , bütünleştirilebilirlik …).

Gerçek fonksiyonlar için tanım

Tanımı  -  Let olmam bir gerçek aralık , üzerinde tanımlı bir işlev I gerçek değerler ve sahip .

Fonksiyon f sürekli olduğu söylenir bir edin:

Böylece ön sürekli olarak bir halinde ve sınır durumunda f içinde bir mevcuttur (bu daha sonra mutlaka f eşit ( a ) ) . Benzer şekilde, limit resmi tanımı , eşdeğer bir tanım değiştirilmesi ile elde edilir ile ya da tarafından .

Bu, bir ε eşiğini sabitleyerek , f ( x )' in f ( a ) ' dan ε'den daha az bir mesafede olduğu a etrafında bir aralık bulabileceğimiz anlamına gelir .

Yorum Yap

Sürekli olmayan bir fonksiyona süreksiz denir .

Önemli olan önceden sabitlenmiş eşik ε fikridir . Bu tanım, XIX. yüzyıl matematikçilerinin  sezgisel süreklilik kavramını kesinleştirme çabalarının bir sonucudur . In standart dışı analiz , daha sezgisel bir yaklaşım mümkündür: bunu diyecek f sürekli olan bir eğer f ( x ) - f ( a ) ise sonsuz küçük zaman bir - x sonsuz küçüktür. O zaman her şey, sonsuz derecede küçük kesin bir tanımına dayanır ve bu tanım yalnızca standart işlevler olarak adlandırılanlar için geçerlidir.

Topolojik uzaylar (aşağıya bakınız) çerçevesinde sürekliliğin global tanımı da ε'dan kurtulmayı mümkün kılar, ancak bu genel topolojinin formalizmi pahasına .

Örnekler

Özellikleri

Gerçek fonksiyonlar için bir aralıkta süreklilik kavramı

Sürekli fonksiyonların bileşimi sürekli bir fonksiyondur. Sürekli bir fonksiyon ve bir yakınsak dizinin bileşiği yakınsak bir dizidir.

Doğrusal kombinasyonla sürekliliğin kararlılık özellikleri (yani tüm α, β gerçel ve f , g sürekli reel fonksiyonlar için, α f + β g fonksiyonu süreklidir) ve iki fonksiyonun yan çarpımı , sürekli fonksiyonlar kümesini aşağıdakiler üzerinden bir cebir yapar . gerçek sayıların alanı .

Kaçınılması gereken hatalar

Metrik uzaylarda tanım

Gerçek hattı a, metrik uzay , normal mesafe ile R olmak olan iki sayının kendi farkın mutlak değeri ile birleşen bu. Bu nedenle yukarıdaki tanım doğal olarak genelleştirilmiştir:

Tanım

Tanım  -  Let ( E , D ) ve ( E ' d' ) iki metrik alanlar, f için bir uygulama E içinde E ' ve sahip bir noktaya E .

Biz haritası söylemek f noktasında süreklidir a ise:

Yine, ön böylece sürekli bir ancak ve ancak sınır f içinde bir mevcut (o zorunlu olan f ( a ) ).

Örnekler

Başlangıç ​​uzayı sonlu boyutta ise bu her zaman böyledir , ancak sınırsız durum sonsuz boyutta meydana gelir: norm olarak seçerek, gerçek polinomların ℝ [ X ] uzayı üzerindeki türevini lineer bir harita olarak ele alalım . bir polinom, katsayılarının mutlak değerlerinin toplamı . Tüm monomials X , n bunların türetilmiş polinomlar formu vardır Ancak norm 1. olan NX N -1 , bu nedenle norm, n ile n rasgele büyük. Dolayısıyla türev ailesi sınırsızdır ve türev sürekli bir harita değildir.

Topolojik uzaylar için iki eşdeğer tanım veriyoruz .

Yerel tanım

Sürekliliğin yerel tanımını (yani bir nokta için) limit kavramına dayandırabiliriz  :

Tanım  -  Let E ve F , iki topolojik alanlardır f için bir uygulama E olarak F ve sahip bir noktaya E .

Fonksiyon f olduğu söylenir noktasında devamlı a ise f ( a ) bir sınırı f bu noktada.

Eğer F olduğu ayrılmış (ya da hatta sınırlandırılmış T 1 herhangi bir benzeri) metriklenebilir alanı için, bu yeterli olması için bir sınır f bu noktada.

sıralı karakterizasyon Eğer E metriklenebilir (ya da daha genel olarak: bir kalıtımsal olarak sıralı ), f sürekli olarak bir varsa herhangi bir sekans için ((ve sadece) x n yakınsak) bir sekans f ( x , n ) için yakınsak f ( a )  ; ve ayrıca F T 1 olduğunda (veya sadece tek bir ardışık limitle bile ), a'ya yakınsayan herhangi bir dizi ( x n ) için , f ( x n ) dizisinin bir limit kabul etmesi yeterlidir .

Gerçek işlevler için kullanılan eşik kavramı kavramı ile genelleştirilmiş mahalle  : mahallelerde setini belirtir bir ve bu f ( a ) . Daha sonra kanıtlıyoruz:

Teoremi  -  fonksiyon f noktasında sürekli a , ancak ve ancak ters görüntüsü herhangi bir mahalle bir W ve f ( a ) bir mahalle x yazılır:

Bunun için, bu özellik, herhangi bir için belirlenmiş olması yeterli W a bölgelerinden esas arasında f ( a ) herhangi biri için, örneğin, açık B içeren f ( a ) .

f fonksiyonu , E'nin her noktasında sürekli ise , A üzerinde sürekli (veya basitçe sürekli) olarak adlandırılır . Bu olduğu söylenir sürekli bir parçası A ve E de, eğer kısıtlama için A (sahip neden topoloji ) sürekli ( bunun için, bu yeterli için f herhangi bir noktada sürekli olarak A ).

Küresel karakterizasyonlar

Yerel tanımdan, uygulamaların (başlangıç ​​uzayının herhangi bir noktasında) sürekli olan üç eşdeğer karakterizasyonunu çıkarabiliriz.

Bunlardan ilki, bir uygulamanın, ancak ve ancak varış boşluğunda açık olan her şeyin karşılıklı görüntüsünün kalkış boşluğunda bir açık olması durumunda sürekli olmasıdır. Aşağıdaki, benzer şekilde kapalı olarak yazılmıştır . Dördüncüsü, yapışma ve doğrudan görüntü kavramlarını ve son ikisi, yapışma veya sınır ve karşılıklı görüntü kavramlarını kullanır .

Sezgisel kavramla bağlantı şu şekildedir: bir fonksiyon "atladığında", başlangıç ​​boşluğuna çok yakın noktaların, varışta çok uzak noktalarda bulunduğu anlamına gelir. Ancak, sürekli bir uygulama için, bu sıçramalar imkansızdır, çünkü bir başlangıç ​​noktasını ve varış noktasındaki görüntüsünü düşünürsek , bu başlangıç ​​noktasının tüm bir mahallesinin varış noktasının yakınına varması gerektiğini biliriz .

Teoremi  -  Let E ve F , iki topolojik boşluk olabilir ve f için bir uygulama E olarak F . Aşağıdaki özellikler eşdeğerdir:

  1. f , E'nin herhangi bir noktasında süreklidir  ;
  2. herhangi bir açık O arasında F , f -1 ( O ) açık olan E  ;
  3. Herhangi bir kapalı için G ve F , f -1 ( G ) a kapalıdır E  ;
  4. herhangi bir bölümü için A ve E , f ( A ) dahildir f ( A )  ;
  5. herhangi bir bölümü için B ve F , f -1 ( B ) dahil f -1 ( B )  ;
  6. herhangi bir bölümü için C arasında F , ∂ f -1 ( C ) dahildir f -1 (∂ Cı ) .

Örnekler

Bir metrik uzayın ( E , d ) ilişkili bir τ topolojisi vardır . Herhangi bir nokta için a ait E , açık topları merkezi ile a ve kesinlikle olumlu yarıçapları mahallelerde bir temel teşkil bir topoloji için. Eğer τ ' (Bir metrik alanı ile ilişkili topoloji belirtmektedir D' , D ' ), sonra:

İşletme  -  bir fonksiyon f (mesafede E , D olarak) ( E ' d' ) 'in bir noktada sürekli bir E (bir fonksiyonu olarak kabul ancak ve ancak bu noktada sürekli ise, E , τ (in) e ' , τ' ).

Gerçekten de, işlev sürekli olarak bir görünüm, ancak ve ancak topolojik noktasından (kullanarak d ' mahallelerde bir temel oluşturan -toplar f ( a ))  : Kullanılarak d mahallelerde bir temel oluşturan -toplar bir , bu durum yeniden yazılır: veya: mesafeler tarafından biçimlendirilmiş süreklilik tanımına tam olarak karşılık gelir.

Tarihte süreklilik kavramı

Süreklilik her zaman önceki şekilde tanımlanmamıştır.

Euler onun içinde analysin infinitorum Introductio tek sonlu veya sonsuz analitik ekspresyonu (tarafından tanımlanan bir fonksiyonu olarak, sürekli işlev tanımlar tüm dizi ) ve aralıklarına bağlı olarak kesintili ya da karışık fonksiyonlara sahip olanlar çeşitli analitik ifadelerin çağırır. Sylvestre Lacroix (1810), tüm değerleri aynı yasadan tanımlanan veya aynı denkleme bağlı olan sürekli bir fonksiyon olarak adlandırır. Bu süreklilik kavramına Euler sürekliliği denir ve mevcut tanımdan daha kısıtlayıcıdır. Örneğin, herhangi bir negatif gerçek için f ( x ) = x ile ve herhangi bir pozitif gerçek için f ( x ) = x 2 ile tanımlanan fonksiyon, mevcut anlamda süreklidir ve Euler anlamında karışıktır (süreksiz).

Bugün kullandığımız tanım, Bernard Bolzano'nun fonksiyonlar teorisinde verdiği tanımdır : “ f ( x ) fonksiyonu , x değeri için süreklilik yasasına göre, eğer fark | f ( x+w ) -f ( x ) | belki verilen herhangi bir değerden daha küçük yapılmıştır. »(Prag 1816).

Augustin Louis Cauchy onun içinde Kraliyet Polytechnic School analizi Course , tanımlar süreklilik içinde X için: f sürekli olan x farkı sayısal değeri ise f ( x + a ) - f ( x ) bu belirsiz bir süre azalır bir böylece sonsuz küçük kavramlarını kullanarak.

Sürekliliğin Cauchy'den esinlenen bir başka tanımı sıralı karakterizasyondur ( yukarıya bakınız ). Küresel süreklilik sıralı tanımı sadece üzerinde modern tanıma eşdeğerdir sıralı alanı .

Bu resmi bir tanım olmasına rağmen, başında sürekliliği kalıntılarının kullanılması XIX E  bir Cauchy aşağıdaki muhakeme tutmak gördüğünde büyük ölçüde sezgisel yüzyılda, ara değerlerin teoremi göstermek için: "fonksiyonu f noktaları arasında sürekli olarak x 0 ve x , denklemi sahip eğri , y = f ( x ) noktaları arasında sürekli olacaktır ( x 0 , f ( x 0 )) ve ( x , f ( x )) ve denklem doğrultusunda y = b geçecek f ( x 0 ) ve f ( x ) koordinatları arasında ancak belirtilen eğri aralığında buluşabilir. "

Daha güçlü bir süreklilik kavramı da vardır: mesafenin | f ( x ) -f ( x' ) | herhangi bir çift ( x , x ' ) için istediğimiz kadar küçük yapılabilir , öyle ki mesafe | x - x' | yeterince düşüktür. Klasik süreklilik (süreklilik bir Aksine sabit nokta a ), üst sınır düzeltmek için gerek kalmadan doğru muntazam sürekliliğini sağlayan bir . Bu kavram 1872'de Eduard Heine tarafından açıklığa kavuşturuldu .

Notlar ve referanslar

  1. Örneğin bkz. S. Ferrigno, A. Muller-Gueudin, D. Marx, F. Bertrand ve M. Maumy-Bertrand, Mathematics for Engineering Sciences , Dunod ,2013( çevrimiçi okuyun ) , s.  146, tanım 36.2.
  2. (içinde) Brian S. Thomson, Judith B. Bruckner ve Andrew M. Bruckner  (in) , Elementary Real Analysis , cilt.  1, www.classicalrealanalysis.com,2008, 2 nci  baskı. ( 1 st  ed. , 2001, Prentice-Hall), 365  s. ( ISBN  978-1-4348-4161-2 , çevrimiçi sunum , çevrimiçi okuma ) , s.  261.
  3. bir gösteri için, örneğin bkz bölüm "Süreklilik ve Homeomorfizmler" ders "Genel topoloji" nin Vikiversite üzerinde .
  4. A. Dahan-Dalmedico ve J. Peiffer , A History of Mathematics: Roads and Mazes ,1986[ baskıların detayı ], s.  222 .
  5. Jacques Bouveresse , Jean Itard ve Émile Sallé, Matematik tarihi [ basımların ayrıntıları ], s.  34 .
  6. Michel Guillemot'a, "Bolzano ve ara değerlerin teoremin gösteri", Tarihte matematiksel gösteri , irem Lyon.

Şuna da bakın:

<img src="https://fr.wikipedia.org/wiki/Special:CentralAutoLogin/start?type=1x1" alt="" title="" width="1" height="1" style="border: none; position: absolute;">