閉區間中連續函數的性質

這一篇的主題是介紹閉區間中連續函數所特有的性質, 我們不證明這些性質(至少在這一篇中不證明),但是希望能給讀者一個初步的概念, 瞭解為什麼會有這些性質?而如果函數在閉區間中不連續, 或者連續但不是在閉區間中,為什麼就沒有這些性質?

1. 有界性質

如果存在一個正實數 M 使得 f(x) 在某個 x 的範圍內符合



則我們稱 f(x) 在這個 x 的範圍內 有界 (bounded)。

閉區間中的連續函數都有界:

若 f(x) 是 [a,b] 區間中的連續函數,則存在一個正實數 M 使得


為什麼會這樣呢? 那是因為我們假設 f(x) 在閉區間 [a,b] 上是連續的,所以 那麼,參見右圖,既然 f(x) 的曲線不能斷掉,而它又在左右兩端點被「釘住」了, 則在 [a,b] 區間的內部,不管這條曲線跑得多高多遠,最後還是要迷途知返倦鳥歸巢, 在區間的兩端接回來。因此 f(x) 不可能在 [a,b] 區間內趨於無窮大。 很明顯地,只要它不趨於無窮大 (或者負無窮大),它就有界。 就好像以下兩張圖示:不管它跑得多遠,最終總是要被左右端點「釘住」。
   

2. 中間值定理

中間值定理是說,若 f(x) 是閉區間 [a,b] 內的連續函數, 則 f(x) 會映射到 f(a) 與 f(b) 之間的每一點。 直覺地看,如果 x 代表時間而 f(x) 代表位置, 則物體若從時間 a 所在的 f(a) 點移動到時間 b 所在的 f(b) 點, 它當然會經過 f(a) 與 f(b) 之間的每一點。 它有可能在 f(a) 與 f(b) 之間來回往返了好幾回, 還甚至有可能跑到比 f(b) 更遠的地方再折回 f(b),但是這些我們都不知道, 也不去管,我們可以肯定的是,它經過了 f(a) 與 f(b) 之間的每一點至少一次! 數學的敘述是:

若 f(x) 是 [a,b] 區間中的連續函數,則對任何一點


都存在一個 使得
以上我們用了兩個希臘字母, 唸 eta 而 唸 xi (ksi 或 ksai)。 中間值定理會成立的理由,也是函數曲線「連續不斷」。 參照右邊的圖示,函數在 [0,1] 閉區間中連續, 而 f(0)=0、f(1)=1,所以我們確定的是, 函數經過 0 和 1 之間的每一點。

中間值定理有一個重要的推論,就是說

若 f(x) 是 [a,b] 區間中的連續函數,而且如果


則 f(x) 在 [a,b] 內有一個根;也就是說,存在一個數 使得
如果我們接受中間值定理,則以上敘述非常明顯: 如果 (1) 式中的等號成立,則 f(a) 和 f(b) 其中至少有一個是 0, 所以 a 或 b 其中至少一個是 f(x) 的根。 如果 (1) 式中的小於關係成立,則 f(a) 和 f(b) 異號: 也就是說若 f(a) > 0 則 f(b) < 0, 反之若 f(a) < 0 則 f(b) > 0。 不論如何,0 就是 f(a) 與 f(b) 之間的一個數, 根據中間值定理 (也就是取 的意思),上面的敘述就成立了。

3. 最大值定理

既然閉區間中的連續函數都「有界」,所以直覺告訴我們, 它的曲線必然在某處到達「最高點」。又因為連續函數在區間中的每一點都有定義, 而且曲線「不斷掉」,所以這個函數必定「達到」它的最高點: 意思是說,必定存在某個數的函數值等於那個最高點。 數學的敘述是:
若 f(x) 是 [a,b] 區間中的連續函數,則存在一個數 使得


我們稱 f(x) 在 處有最大值,而 是 f(x) 在 [a,b] 內的最大值。
許多初學者會直覺地認為,連續函數在最大值處的導數為 0。 這未必。例如下面左邊的圖是 1 - |x| 在 [-1,1] 內的曲線, 它在 x=0 處有最大值,但是在 x=0 處沒有導數 (不可微)。 我們已經知道,可微函數必定連續,但是連續函數不一定可微。 如果一個函數可微,則它在導數為 0 的地方會有相對極大值, 它倒不一定會是整個函數在 [a,b] 區間內的最大值。 例如下面右邊的圖,該函數在 [-2,2] 內連續, 在 x=-1 處有水平切線 (導數為 0),達到一個極大值, 但是顯然整個函數在 [-2,2] 的最大值發生在 x=2 處。
1 - |x| x^3/2 + x^2/4 - x + 2
   

也有人會不假思索地假設,如果 f(x) 有最大值,那個最大值是唯一的。 再仔細一點想,就知道這是謬誤的概念。 譬如 sin(x) 在 之內,就有 4 處發生最大值,請讀者自己找到那四處。

相對於最大值定理,還有個最小值定理,但是我們將它留作習題。

4. 柯西積分定理

這是我們已經在別的講義中說過的事,在此提醒一遍。 簡單地說,就是閉區間中的連續函數必可積。 如果這個函數找得到反導函數,那就好辦; 如果找不到,就得要回歸「曲線下面積是小矩形的面積和」這個基本看法。 而這個看法牽涉到一個無窮數列,而無窮數列就有極限不存在、發散或收斂的情形。 柯西積分定理就是說,別擔心,對於閉區間中的連續函數, 這個數列必定收斂。 在別的講義中,我們大概說的是一個比較簡單的形式。 現在說一個涵蓋比較廣泛的版本。

如果 f(x) 是 [a,b] 區間中的一個連續函數。 任選一個正整數 n,把 [a,b] 區間等分成 n 段,則每一段的長度是



這 n 段的端點,稱為節點,是


在每一段中任意取一個點 (k = 0, 1, 2,..., n-1) 當作這一段矩形的高,則定義這 n 個矩形的和是


則不論 怎樣選取, 的極限都存在且都等於同一個數,那個數就被定義做 f(x) 在 [a,b] 內的定積分值。 記做


反例

閉區間中的不連續函數,有以下兩種典型: 兩個都是 [-1,1] 閉區間中的不連續函數。 左邊的圖是在 x=0 處無定義,而且其趨近於 0 的極限發散。 右邊的圖是在 x=0 的左、右極限都存在,可是不相等。
1/x^2, -1 <= x <= 1 f(x) = 1 (if x >= 0) -1 (else)
   
上面的左圖,顯然不符合「有界」和「最大值」定理。 上面的右圖,顯然不符合「中間值」定理 (例如那個函數沒有根)。 但是,以上兩個函數在 [-1,1] 中是否可積呢? 像這樣不連續的函數,它的積分又是什麼意思? 我們不在這裡回答這些問題,暫時存疑。

非閉區間中的連續函數,有以下兩種典型。 左邊的圖是在 (0,1] 中的連續函數,它在 x=0 處不需要定義, 因為我們根本不考慮 x=0 這一點的函數值 (它不在函數的定義域內)。 右邊的圖是在 中的連續函數。
1/x x^2
   
上面兩張圖,都顯然不符合「有界」和「最大值」定理。 至於中間值定理,因為上面兩個函數所定義的區間沒有「左端點」或是沒有「右端點」, 所以就不必談「介於兩端點的函數值」了。 但是,以上兩個函數是否分別在 (0,1] 中和在 可積呢? 在這類的非閉區間中,它的積分又是什麼意思? 我們不在這裡回答這些問題,暫時存疑。

習題

  1. 請模仿最大值定理,敘述「最小值定理」。
  2. 請舉出一個在閉區間中沒有最小值的函數例子。
  3. 如果函數 f(x) 在 [0,1] 閉區間中有最大值, 請問 f(x) 是否必為一個連續函數? 如果您認為是,請說明理由。 如果認為不是,請舉一個反例。
  4. 如果函數 f(0)=-1、f(1)=1 而且存在某數 使得 請問 f(x) 是否必為一個連續函數? 如果您認為是,請說明理由。 如果認為不是,請舉一個反例。
  5. 如果函數 f(x) 在 [0,1] 中不是一個連續函數, 請問 f(x) 是否必定沒有最大值? 如果您認為是,請說明理由。 如果認為不是,請舉一個反例。
  6. 如果函數 f(x) 在 [0,1] 中不是一個連續函數, 但是 f(0) < 0 而 f(1) > 0, 請問 f(x) 是否在 [0,1] 中必定沒有根? 如果您認為是,請說明理由。 如果認為不是,請舉一個反例。
  7. 如果 f(x) 是一個在 (0,1) 開區間中的連續函數。 請問 f(x) 是否一定沒有最大值? 如果您認為是,請說明理由。 如果認為不是,請舉一個反例。
  8. 如果 f(x) 是一個在 中的連續函數。請問 f(x) 是否一定沒有最大值? 如果您認為是,請說明理由。 如果認為不是,請舉一個反例。
  9. 如果 f(x) 是一個在 [0,1] 中連續的函數, 而且 f(0)=1、f(1)=0,請證明必定有一個數 0 < x < 1 使得 f(x)=x。
  10. 如果 是一個映成函數 (surjective 或說 onto), 請證明必定有一個數 0 < x < 1 使得 f(x)=x。
  11. 請問


  12. 請問


  13. 證明



Created: Nov 13, 1996
Last Revised: Aug 23, 2001
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