5. Ciągłość funkcji#

5.1. Ciągłość funkcji w punkcie#

Narration

Niech \(f:X \to \rr\) i \(x_0 \in X\).

Definicja 5.1

Funkcję \(f\) nazywamy ciągłą w punkcie \(x_0\), w sensie Cauchy’ego, jeśli

\[ \forall \epsilon > 0\ \exists \delta_\epsilon>0 \ \forall x\in X \quad |x - x_0| < \delta_\epsilon \imply |f(x)- f(x_0)| < \epsilon. \]

Funkcję \(f\) nazywamy ciągłą w punkcie \(x_0\), w sensie Heinego, jeśli dla każdego ciągu \((a_n)\) o wyrazach ze zbioru \(X\)

\[\LimInfty a_n = x_0 \imply \LimInfty f(a_n) = f(x_0).\]

Uwaga 5.1

GEOGEBRA

  1. Obie definicje ciągłości funkcji w punkcie są równoważne.

  2. W definicji nie zakładamy, że \(x_0\) jest punktem skupienia \(X\)!

    W definicji Heienego nie zakładamy, że \(a_n \neq x_0\).

  3. Jeśli \(x_0\) jest punktem izolowanym \(X\), to funkcja jest ciągła w \(x_0\)!

  4. Jeśli \(x_0\) jest punktem skupienia \(X\), to funkcja jest ciągła w \(x_0\) \(\qlq\) \(\LimIn{x_0} f(x) = f(x_0).\)

  5. Jeśli \(x_0 \notin X\), to \(f\) nie jest ciągła w \(x_0\), nawet jeśli ma tam w \(x_0\) granicę.

Definicja 5.2

Funkcję \(f:X\to\rr\) nazywamy

  1. ciągłą na zbiorze \(A \subseteq X\) , jeśli jest ciągła w każdym punkcie zbioru \(A\).

  2. ciągłą , jeśli jest ciągła w każdym punkcie swojej dziedziny.

Przykład 5.1

  1. Funkcja \(f(x) = c\) jest ciągła, bo \(\LimInfty a_n = x_0 \imply \LimInfty f(a_n) = c = f(x_0)\).

  2. Funkcja \(f(x) = x\) jest ciągła.

    Jeśli \(\LimInfty a_n = x_0\), to \(f(a_n) = a_n \LimToInfty x_0 = f(x_0)\).

  3. Funkcja \(f(x) = \sin x\) jest ciągła.

    Zgodnie z definicją Cauchy’ego, dla ustalonego \(\epsilon > 0\) musimy znaleźć \(\delta_\epsilon > 0\) dające zadość warunkowi

    \[|x - x_0| < \delta_\epsilon \imply |\sin x - \sin x_0| < \epsilon.\]

    Zauważmy, że

    \[\begin{split} \left|\sin x - \sin x_0\right| & = \left|2\sin\frac {x-x_0} 2 \cos\frac {x+x_0} 2 \right| \\ & \leq 2\left|\sin\frac {x-x_0} 2 \right| \\ & \leq 2\left|\frac{x- x_0} 2\right| = |x- x_0|. \end{split}\]

    Zatem wystarczy wziąć \(\delta_\epsilon = \epsilon\).

Twierdzenie 5.1 (o lokalnym zachowaniu znaku funkcji ciągłej)

Jeśli funkcja \(f: X \to \rr\) jest ciągła w punkcie \(x_0\) i \(f(x_0) \neq 0\), to istnieje otoczenie \(x_0\), na którym funkcja ma ten sam znak co \(f(x_0)\).

Twierdzenie 5.2 (o działaniach arytmetycznych na funkcjach ciągłych)

Niech \(f,g:X \to \rr\) będą funkcjami ciągłymi w punkcie \(x_0\in X\).

Wówczas \(c\cdot f(x),\ f(x) \pm g(x), \ f(x) \cdot g(x) \) są ciągłe w \(x_0\) \(\frac{f(x)} {g(x)}\) jest ciągła w \(x_0\), jeśli tylko \(g(x_0)\neq 0.\)

Przykład 5.2

  1. Z ciągłości funkcji stałej i \(\id_\rr\), oraz powyższego twierdzenia wnioskujemy ciągłość wielomianów i funkcji wymiernych.

  2. Ciągłość funkcji wykładniczej \(f(x) = a^x\) dla \(a>0\).

    Wiemy, że \(\LimInfty \sqrt[n] a = \LimInfty a^{\frac 1 n} = 1\), co można uogólnić do \(\LimIn{0} a^x = 1\).

    Zatem \(\LimIn{0} f(x) = f(0),\) co daje ciągłość w \(x_0 = 0.\)

    Dalej,

    \[\begin{split} \LimIn{x_0} f(x) & = \LimIn{x_0} {a^x} = \LimIn{x_0} a^{x_0}\cdot a^{x-x_0} \\ & = a^{x_0}\cdot \LimIn{x_0} a^{x-x_0} = \WaveBrack{ y &= x - x_0 \\ y & \LimTo{x_0} {0} } \\ & = a^{x_0}\cdot \LimIn[y]{0} a^{y} = a^{x_0} = f(x_0), \end{split}\]

    co daje ciągłość w \(x_0\in \rr.\)

  3. Z ciągłości funkcji wykładniczej i na mocy powyższego twierdzenia, ciągłe są funkcje hiperboliczne \(\sinh\) i \(\cosh\) jako sumy funkcji wykładniczych \(e^x\) oraz \(e^{-x} = \left(\frac 1 e\right)^x\) pomnożonych przez stałe:

    \[\begin{aligned} \sinh(x) & = \frac 1 2 {e^x} - \frac 1 2 e^{-x}, & \cosh(x) & = \frac 1 2 {e^x} + \frac 1 2 e^{-x}. \end{aligned}\]

    Ponadto funkcje hiperboliczne \(\tgh\) i \(\ctgh\) są ciągłe jako ilorazy powyższych funkcji.

  4. Funkcja \(f(x) = {x \cdot \sin \frac 1 x}\) jest ciągła w dziedzinie \(D_f= \rr\setminus\Set{0}\).

    Zatem jest ciągła.

    Zauważmy, że \(\LimIn{0} x\cdot \sin \tfrac 1 x = 0\).

    Istotnie, \(f\) jest iloczynem funkcji \(x\mapsto x\), której granica w \(0\) jest równa \(0\), oraz funkcji \(x \mapsto \sin \frac 1 x\), której wartości są ograniczone do przedziału \([-1, 1]\).

    Niemniej jednak, \(f\) nie jest ciągła w punkcie \(0\), gdyż \(0\notin D_f\)!

Twierdzenie 5.3 (o ciągłości funkcji złożonej)

Jeśli funkcja \(h:X\to Y\) jest ciągła w punkcie \(x_0\) i funkcja \(g:Y\to \rr\) jest ciągła w punkcie \(h(x_0)\), to funkcja \(g\circ h\) jest ciągła w punkcie \(x_0.\)

Przykład 5.3

  1. Funkcja \(f(x) = \cos(x)\) jest ciągła jako złożenie funkcji ciągłych \(\sin x\) oraz \(x+ \frac\pi 2\):

\[ \cos x = \sin\left(x+ \tfrac\pi 2 \right). \]
  1. Funkcje tangens i cotangens są ciągłe jako ilorazy funkcji ciągłych:

\[\begin{aligned} \tg(x) & = \frac {\sin x} {\cos x}, & \ctg(x) & = \frac {\cos x} {\sin x}. \end{aligned}\]

Twierdzenie 5.4 (o ciągłości funkcji odwrotnej)

Jeśli \(I\subseteq \rr\) jest przedziałem i funkcja \(f: I\to \rr\) jest ciągła i rosnąca (malejąca), to przeciwdziedzina \(R_f = \Set{f(x) : x\in I}\) jest przedziałem oraz funkcja odwrotna \(f^{-1}:R_f \to I\) jest ciągła i rosnąca (odp. malejąca).

Przykład 5.4

  1. Na mocy wcześniejszych rozważań i powyższego twierdzenia, ciągłe są funkcje logarytmiczne i cyklometryczne.

  2. Dla dowolnego \(\alpha\in \rr\), funkcja potęgowa \(f(x) = x^\alpha = \Paren{e^{\ln x}}^\alpha = e^{\alpha \ln x}\) jest zatem ciągła jako złożenie funkcji ciągłych \(e^x\) i \(\alpha\ln x\).

Twierdzenie 5.5 (o wprowadzeniu granicy do argumentu funkcji ciągłej)

Dla \(x_0 \in \rr\cup\Set{\pm\infty}\), jeśli istnieje granica właściwa \(\LimIn{x_0} f(x) = u_0 \in X\) i funkcja \(h: X\to \rr\) jest ciągła w punkcie \(u_0\), to

\[ \LimIn{x_0} h\circ f(x) = h\left(\LimIn{x_0} f(x)\right) = h(u_0). \]

Ćwiczenie 5.1

Policzmy granice:

  1. \(\LimIn{0} \cos\left(\frac {\sin \pi x} x \right) \)

  2. \(\LimIn{0} \frac {\log_a (1+ x)} x \)

  1. \(\LimIn{x_0} f(x)^{g(x)}\), jeśli wiadomo, że \(f>0\) oraz \( \LimIn{x_0} f(x) = a, \LimIn{x_0} g(x) = b.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.6, Ćw. 5.10.

5.2. Punkty nieciągłości funkcji#

Definicja 5.3

Punktem nieciągłości funkcji \(f:X \to \rr\) nazywamy \(x_0 \in X\), w którym nie jest ona ciągła.

Izolowanym punktem nieciągłości nazywamy punkt nieciągłości \(x_0\in X\) funkcji \(f:X\to \rr\), jeśli istnieje sąsiedztwo \(x_0\), w którym \(f\) jest ciągła.

Definicja 5.4

Izolowany punkt nieciągłości jest I-go rodzaju , jeśli w tym punkcie istnieją granice jednostronne właściwe.

W przeciwnym przypadku jest on II-go rodzaju .

SageMath (Ukryj)

../_images/e2c0484801c503d9366a2b653ab47dcf84a839f09f8c93bc338b4ee3e59a65e1.png

Przykład 5.5

Rozważmy funkcję

\[\begin{split} f(x) = \begin{cases} 1, & \text{dla } x\in\Set{\frac 1 n : n\in \nn} \\ 0, & \text{w p.p.} \end{cases}. \end{split}\]

Jest ona nieciągła w punktach \(x=\tfrac 1 n\) dla \(n \in \nn\), gdyż

\[\begin{aligned} \LimIn{\frac 1 n} f(x) & = 0 \neq 1 = f\Paren{\tfrac 1 n}, \quad \text{dla } n\in \nn; \end{aligned}\]

oraz w punkcie \(x=0\), gdyż dla ciągów \(-\frac 1 n \LimToInfty 0\), \(\frac 1 n \LimToInfty 0\) mamy:

\[\begin{aligned} \LimInfty f\Paren{-\tfrac 1 n} & = 0 \neq 1 = \LimInfty f\Paren{\tfrac 1 n}. \end{aligned}\]

Punkt \(0\) nie jest izolowany, gdyż w każdym sąsiedztwie tego punkt \(S(0,\delta)\) są punkty \(\tfrac 1 n < \delta\), w których \(f\) jest również nieciągła.

Izolowane punkty nieciągłości ze zbioru \(\Set{ \frac 1 n : n\in \nn}\) są I-go rodzaju.

Ćwiczenie 5.2

GEOGEBRA Dla każdego parametru \(a\in \rr\) zbadajmy ciągłość w każdym punkcie dla funkcji

\[\begin{split} f(x) = \begin{cases} (a + \cos x)^2, & \text{dla } x < 0 \\ \ln\Paren{e+x^2} & \text{dla } x = 0 \\ \dfrac {\sin x^2} {x^2 + x^3}, & \text{w p.p. } \end{cases} . \end{split}\]

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.7, Ćw. 5.8, Ćw. 5.11, Ćw. 5.12.

5.3. Własności funkcji ciągłych#

Twierdzenie 5.6 (Darboux, o przyjmowaniu wartości pośrednich)

Jeśli funkcja \(f:[a,b]\to \rr\) jest ciągła, \(f(a) \neq f(b)\) oraz liczba \(y_0\) jest zawarta między \(f(a)\) i \(f(b)\), to istnieje \(x_0\in (a,b)\) taki, że \(y_0 = f(x_0).\)

SageMath (Ukryj)

../_images/62cb7448b7f0f5bfc173727873592a43f2da3fb1c69bfa7534bd84abeefbe30b.png

Uwaga 5.2

  1. Interpretacja geometryczna: każda prosta \(y=y_0\), dla \(y_0\) między \(f(a)\) i \(f(b)\), przecina wykres funkcji w co najmniej jednym punkcie.

  2. Twierdzenie zachodzi jedynie dla przedziału domkniętego.

    Jeśli rozpatrzymy ciągłą funkcję

    \[ f(x) = x^2 \quad\text{na zbiorze } X = \qq\cap[-1,2], \]

    to \(f(-1) = 1\) i \(f(2) = 4\), ale nie istnieje \(x_0\in X\) taki, że \(f(x_0) = 2 \in (1,2)\), gdyż rozwiązanie równania \(x^2 = 2\) nie jest liczbą wymierną!

Ćwiczenie 5.3

Pokażmy, że równanie \(x^3 + x - \frac 1 2 = 0\) ma pierwiastek w przedziale \(\Paren{0,\frac 1 2}.\)

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.9, Ćw. 5.13, Ćw. 5.14.

Ćwiczenie 5.4

Pokażmy, że równanie \(\sin x = x -1 \) ma rozwiązanie.

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.9, Ćw. 5.13, Ćw. 5.14.

SageMath (Ukryj)

../_images/616b157eb09c4ebe903f4fbc8c212f19edf5ed0e3923956c5f7a7f858812d3c4.png

Ćwiczenie 5.5

Pokażmy, że \(f(x) = \frac 1 4 {x^3} - \sin \pi x \) przyjmuje wartość \(-\frac 1 3\) dla \(x\in(-2,2)\).

Informacja

Pomoże rozwiązać Ćw. 5.9, Ćw. 5.13, Ćw. 5.14.

Twierdzenie 5.7 (Weierstrassa, o przyjmowaniu wartości ekstremalnych)

Jeśli funkcja \(f:[a,b]\to \rr\) jest ciągła, to jest ograniczona i istnieją \(x_{min}, x_{max} \in [a,b]\) takie, że

\[\forall x\in[a,b]\qquad f(x_{min}) \leq f(x) \leq f(x_{max}).\]

Wniosek 5.8

Przy założeniach i oznaczeniach twierdzenia Weierstrassa

\[R_f = f([a,b]) = \Brack{f(x_{min}),\ f(x_{max})}.\]

SageMath (Ukryj)

../_images/d363f85738a5efe790812641185bf51cec7ff7bd95d98b2c23f786615f429651.png

Uwaga 5.3

  1. Funkcja ciągła na przedziale otwartym może być nieograniczona, więc wartości ekstremalne mogą nie istnieć.

    Na przykład

    \[f(x) = \frac 1 x,\quad \text{dla } x \in (0,1)\]

    nie jest ograniczona z góry.

  2. Ograniczona funkcja ciągła na przedziale otwartym nie musi przyjmować wartości ekstremalnych.

    Na przykład:

    \[f(x) = x, \quad \text{dla } x\in (0,1).\]
  3. Funkcja nieciągła na przedziale domkniętym nie musi przyjmować wartości ekstremalnych.

    Na przykład

    \[\begin{split} f(x) = \begin{cases} x & \text{dla } x \in (0,1) \\ \frac 1 2 & \text{dla } x \in \Set{0,1} \end{cases} \end{split}\]

    jest ciągła poza punktami \(0\) i \(1\), gdyż

    \[\begin{aligned} \LimIn{0^+} f(x) & = 0 \neq \tfrac 1 2 = f(0), & \LimIn{1^-} f(x) & = 1 \neq \tfrac 1 2 = f(1). \end{aligned}\]

    Ponadto \(R_f = (0,1)\), więc wartości ekstremalne nie są przyjmowane.