函数的连续性

绝对连续 Absolute Continuity

A function $f:[a, b] \rightarrow \mathbb{R}$ is said to be absolutely continuous on $[a, b]$ if, given $\varepsilon>0$, there exists some $\delta>0$ such that $$ \sum_{i=1}^{n}\left|f\left(y_{i}\right)-f\left(x_{i}\right)\right|<\varepsilon $$ whenever $\left\{\left[x_{i}, y_{i}\right]: i=1, \ldots, n\right\}$ is a finite collection of mutually disjoint subintervals of $[a, b]$ with $\sum_{i=1}^{n}\left|y_{i}-x_{i}\right|<\delta$.

绝对连续函数一定一致连续。Cantor 函数是一致连续的,但不绝对连续。

绝对连续最重要的是与积分的联系,对于可积的函数 $f$ $$ F(x):=\int_{a}^{x} f(t) d t, \quad a \leq x \leq b $$ 在 $[a, b]$ 上是绝对连续的。

绝对连续函数一定是有界变差的,所以绝对连续函数几乎处处可微。

一致连续 Uniform Continuity

Given metric spaces $\left(X, d_{1}\right)$ and $\left(Y, d_{2}\right)$, a function $f: X \rightarrow Y$ is called uniformly continuous if for every real number $\varepsilon>0$ there exists real $\delta>0$ such that for every $x, y \in X$ with $d_{1}(x, y)<\delta$, we have that $d_{2}(f(x), f(y))<\varepsilon$.

对应到一元函数,区间 $X$ 上的函数 $f$ 一致连续,如果 $\forall \epsilon > 0, \exists \delta > 0, \text{s.t. } \; |x - y| < \delta \Rightarrow |f(x) - f(y) | < \epsilon$

Heine–Cantor theorem 说明了紧集上的连续函数一定是一致连续的。

不一致连续的函数的例子,如 $f(x) = 1/x, \; x\in (0, 1)$、$f(x) = e^x , x \in \mathrm{R}$ .

半连续 Semi-Continuity

半连续是对连续性的一种弱化,跟连续性类似,它有分析学上的定义,也有拓扑学意义上的定义。

分析学意义

称 $f$ 在 $\bar{x}$ 下半连续, 如果 $\displaystyle\liminf _{x \rightarrow \bar{x}} f(x)\geq f(\bar{x})$

称 $f$ 在 $\bar{x}$ 上半连续, 如果 $\displaystyle\limsup _{x \rightarrow \bar{x}} f(x) \leq f(\bar{x})$

上(下)半连续函数是在各个点都上(下)半连续的函数。

拓扑学意义

Let $f$ be a real (or extended-real) function on a topological space. If $$ \{x: f(x)>\alpha\} $$ is open for every real $\alpha, f$ is said to be lower semi-continuous. If $$ \{x: f(x)<\alpha\} $$ is open for every real $\alpha, f$ is said to be upper semi-continuous.

最简单的例子是,开集的 indicator function $\mathbf{1}_A(x) = \begin{cases} 1 & x\in A\\ 0 & x \notin A \end{cases}$ 是下半连续的,闭集的 indicator function 是上半连续的。

$\mathrm{R}$ 上的半连续函数:

Lower (left) and upper (right) semi-continuous functions

等价定义

$f: X \to \mathrm{\bar{R}}$ 是上半连续的等价于:

  • All superlevel sets $\{x \in X: f(x) \geq y\}$ with $y \in \mathrm{R}$ are closed in $X$.
  • The hypograph $\{(x, t) \in X \times \mathrm{R}: t \leq f(x)\}$ is closed in $X \times \mathrm{R}$.

$f: X \to \mathrm{\bar{R}}$ 是下半连续的等价于:

  • All sublevel sets $\{x \in X: f(x) \leq y\}$ with $y \in \mathrm{R}$ are closed in $X$.
  • The epigraph $\{(x, t) \in X \times \mathrm{R}: t \geq f(x)\}$ is closed in $X \times \mathrm{R}$.

在凸优化中,有时把闭函数定义为 epigraph 为闭集的函数,它与下半连续函数是等价的。

性质

  • $f$ 连续当且仅当它是上半连续和下半连续的。
  • 下半连续函数的和是下半连续的;上半连续函数的和是下半连续的。
  • $f$ 下半连续当且仅当 $-f$ 是上半连续的。
  • 紧集上的下半连续函数存在最小值;紧集上的上半连续函数存在最大值。两个联系起来就是紧集上的连续函数存在最值。(Weierstrass extreme value theorem)
updatedupdated2023-01-262023-01-26