当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第三章 连续函数 > 第一节 连续函数的概念与性质 > 连续函数的性质
下面我们介绍一下
连续函数的一些简单性质
我们首先介绍它的定性性质
也就是要介绍一下
连续函数在一点的保号性
以及连续函数的零点存在定理和介值定理
我们先看保号性质
就是连续函数的性质
第一个保号性
保号性指的是这个结论
也就是若f(x)在x0处是连续的
且f(x0)大于0 则存在一个δ大于0
使得f(x)是大于0的
只要x属于(x0-δ,x0+δ) 这个范围都是对的
这个定理从几何上看也就是这个样子
说在x-y平面上 一个函数在x0这点连续
如果它在这点的值大于0
那么一定能找到一个以x0为中心
半长是δ的小开区间
使得在这个范围上这个函数的图像全是在x轴上方
实际上这个性质大家知道
这就是我们前面介绍的极限的保号性质
因为在极限的保号性质里面
我们是这样说的说如果它在一点的极限是a
a大于0那么在x0附近
它的函数值就应该大于0
因为我们现在指的是连续
在连续的时候它的极限值就是函数值
所以说函数值大于0
我们自然能够推出在x0的某个小范围里面
它都是大于0的
所以说这个保号性质是极限保号性的直接推论
第二个性质我们是说的连续函数的零点存在定理
也就是零点存在性
我们给它写成一个定理
定理是这样说的
也就是说若f(x)属于C比如说[a,b]
然后且存在x1,x2属于[a,b]
使得就是f(x1)f(x2)是异号的
则存在一个介于x1,x2之间的数
比如说用ξ来表示使得f(ξ)=0
我想这是连续函数零点存在的内容
通俗的讲就是如果一个函数在
一个区间是连续的
当函数在这个区间上有两点的函数值是异号的时候
那么在这两点之间我们一定能找到
它至少有一个零点
也就是说至少有一点的函数值等于0
实际上这个性质在几何上看也是很明显的
说在一个区间上的连续函数
指的就是这么一条连续曲线
如果你有一点它是落在x轴下方
而有一点它落在x轴上方的时候
它说在这两点之间
至少有一个点是要穿过x轴的
至少有一点要穿过
这是显然的因为你从这一点出发
不间断的要到这一点
中间你是不可能不穿过x轴
所以说呢至少要穿过x轴1次
这是这个零点存在定理
但是我们知道我们有许多函数它的图形
并不见得一定能在x-y平面上画的出来
而我们的连续性应该是用极限关系式
或是极限等式来定义的
也就是说这个只能作为
这个定理的一个解释
但是作为证明来说这显然不能
就是说涵盖我们这个定理中的所有情况
所以说接下来我们对这个定理做一个简单的证明
这个证明要用到我们
前面介绍过的一个区间套定理
所谓就是区间套定理也就是对于一个区间套来说
存在唯一的实数
是属于所有的闭区间的
请大家就是说回忆一下这个定理的具体内容
接下来我们来给出这个定理的证明
这证明是这样子的我不妨假设就是
x1小于x2且f(x1)是小于0的f(x2)是大于0的
我就是不妨假设这两个点有大小关系
其中这两个点的函数值异号
不妨假设左边这个点的函数值是小于0的
右边是大于0的
现在我为了构建区间套
我用一个这个记号
我就记a1等x1,b1就等于x2
这样的时候我就令c1等于二分之一倍(a1加b1)
实际上c1就是那个闭区间上a1,b1的中点
接下来我就说若f(c1)它是大于0
我就取我的[a2,b2]就等于[a1,c1]
这个时候我就能保证a2和b2
它f(x)在a2点处的函数值是小于0的
然后在b2点的函数值是大于0的
否则也就是说如果这个是不大于0
我就取我的a2,b2
就等于c1,b1这个时候
当然如果我这个f(c1)等于0
我连否则也不用了因为f(c1)=0就说明
我已经找到了零点
当然我们这个否则就是
假设它f(c1)是小于0的时候
我就把第二个区间取成这个
他仍然是保证左端的函数值小于0
右端的函数值大于0,那么
第二个区间的取法大家搞清楚之后
我就说我按照这个取法
可以找到一个闭区间序列
根据我们的取法我们知道
这个闭区间序列应该就是个区间套
而且我们在取得过程中
保证这个左端点的函数值是小于0的
右端点的函数值是大于0的
这样找出来之后根据区间套定理
我们就找到了一个 ξ
应该是等于这个左端点数列的极限值
同时也等于这个右端点数列的极限值
知识区间τ定理告诉我们的
接下来我们来看一下
这个点的函数值是什么
因为我们刚才给了
f(an)它是小于0的
函数在ξ这点他应该是连续的
因为这点是属于我的x1到x2之间的一点
它连续的时候我取极限
那么n趋向于无穷
f(an)应该就等于f(ξ)
因为它在ξ这点连续的时候
这个函数运算与极限运算
是可以交换次序的
它等于它那么根据极限的保号性质
也就是这个函数的极限值
应该是小于等于0的
类似的我们那个区间套
它满足f(bn)是大于0的
同样的道理我们可以推出来f(ξ)
也要大于等于0
这样它又小于等于0它又大于等于0
所以我们就得到了f( ξ)就等于0
这样在给定条件下
我们利用所谓的区间套定理
就证明了确确实实是存在一个点
这点的函数值是等于0的
因为这个点是属于所有的区间里面
自然这个点就要介于x1,x2之间
这是我们连续函数零点存在定理的证明
这个证明也是我们
在处理连续函数有关性质时
常用的一种方法
后面我们还会用到这种方法
这是这一个定理
接下来我们看两个简单的例题
第一个例题就是说
2的X方加上X等于0
这个方程在这个范围在(-1,0)上
是不是存在唯一的实根
那我们做法就是说
我构造一个函数f(x)等于2的X方加上X
那么这个函数它是连续函数
而且f(-1)应该等于
二分之一减掉1等于负的二分之一
是小于0的
f(0)等于1,是大于0的
那么根据我们刚才介绍的零点存在定理
我们知道这个函数在(-1,0)之间
至少应该有一个0点也就是上面这个方程
在(-1,0)之间至少有一个实根
那我们接下来再来说
为什么它是唯一的
因为我们知道y等2的x次方这个函数
是个单调递增函数
y等于x这个函数
也是个单调递增函数
两个单调递增函数加起来
自然是个单调递增函数
那么单调递增函数它不可能出现两个0点
所以这样我们就证明了唯一性
这就是利用连续函数的零点存在定理
处理的一个简单方程
是否具有实根的问题
这是一个例题
接下来我们来看第二个例题
第二个例题我们证明这样的一个性质
就是说如果f(x)属于c[a,b]
也就是[a,b]上的连续函数
而且f(a)是大于a的
f(b)是小于b的
那我们来证明一下
是否存在一个点 ξ
属于[a,b]
使得f( ξ)等于ξ
实际上这个例题
是我们数学上一个很著名的结论
这个结论有个名字叫不动点定理
什么叫不动点
我想通过最后一个等式
大家能够体会不动点的含义
也就是说对一个点ξ来说
经过这个函数关系对应之后
他仍然还是这个点本身
所以这个点
我们就叫是这个函数的不动点
这个例题就是说
在给定的条件下这个函数在这个范围上
是一定存在不动点的
那我们怎么证明这个东西
这是我们在做有关证明问题时
常用的方法
我们从结论出发
我们看看它到底是个什么问题
这个结论也就是说
要证明存在一个点 ξ
使得这个等式成立
那么这个等式
我们当然马上就可以想
它正好是说要证明某个函数在
这个范围上有零点的问题
那这某个函数指的是谁
当然指的是这个函数
令F(x)等于f(x)减掉x
所以说f(x)的不动点存在性
就等价于F(x)的零点存在性
在给定的情况下f(x)减x是一个连续函数
所以说F(x)应该是属于c[a,b]
而且在给定条件下
我们知道F(a)等于f(a)减掉a大于0
而F(b)等于f(b)小于b小于0
这样对于我们构造的这个辅助函数来说
它正好是个连续函数
而且在两个端点的函数是异号的
那个根据零点存在定理
所以我们就存在一个ξ
属于这个开区间(a,b)使得F(ξ)=0
而F(ξ)=0正好就是说f(ξ)=ξ
这样我们就把这个结论证完了
就这个题目的证明过程
也正好是我们微积分里面
在处理一些有关点的存在性
证明题目的常用方法
这种方法就是说
我们要从要证的结论出发
通过反推来看一下
它到底是一个函数的什么问题
也就是要从证的结论出发
我们反推出我们这个函数来
来验证这个函数
满足我们定理所需要的条件
从而对这个函数得出
我们定理给出的结论
这种证明方法是微积分中常用的方法之一
有了函数的零点存在定理
接下来我们把零点存在定理推广到一般的情况
就会得到连续函数的介值定理
介值定理是这样说的
说假设f(x)属于c[a,b]
且f(a)小于f(b)
则对于任意的μ
是属于(f(a)到f(b))这个范围内
我都能找到一个点ξ
属于(a,b)使得f(ξ)等于μ
我想这是介值定理的内容
当然我们平时说连续函数的介值定理
不见得在闭区间上来考虑连续函数
我们这是为了书写方便
把一些点有a,b表示出来
实际上我们说介值定理就是这样说的
对于一个连续函数来说
如果它存在两点函数值不等
那么对于这两点函数值之中的一个数
总能在这两点之间找到一个点
使得这一点的函数值
是你所给出的那个数
那从图上来看
所谓介值性质它的几何背景也是很明显的
说如果一条连续曲线它不是水平线的时候
那么在这点它的函数值是f(a)
在这一点它的函数值是f(b)
它说在f(a)和f(b)之间
随便给一个数
相当于在这中间做一条水平线
那么这条水平线和这条曲线
在a,b之间至少有一个交点
这个交点的横坐标就是
我们介值定理中的ξ
那介值定理我们刚才说是连续函数
零点存在定理的一般情况
实际上相当于对刚才的
连续函数的零点定理的条件
我们做了一个平移
也就是说刚才是异号
现在不过是说
我们往上平移了一些单位之后
使得就是说异号这个条件
不见得再满足了
但是因为他俩不等
所以说这两个不等之后
我中间随便给一条线
相当于我们刚才的x轴
那关于这个定理的证明
我们就借用刚才我们
证明过的零点存在定理
这个也就是等价于f(ξ)减掉μ等于0
而这个等式也就等价于
是这个函数F(x)等于f(x)减掉μ
它有一个零点
所以说我们就从这个要证的结论出发
反推出这个辅助函数来
令F(x)等于f(x)减掉μ
则F(x)当然是一个连续函数
同时且F(a)等于f(a)减μ小于0
F(b)等于f(b)等于μ大于0
因为我们的μ是大于f(a)小于f(b)的
然后根据连续函数的零点存在定理
所以我们就存在一个ξ属于[a,b]之间
然后使得F(ξ)等于0
而F(ξ)等于0,也就是f(ξ)减μ等于0
这就是我们要证的介值定理
实际上对连续函数的介值定理
我们不仅仅就是说
在有限长度区间上可以用
我们还可以得到这个一般的形式
我做一个注解放到这
也就是若f(x)属于c(负无穷到正无穷)
然后接下来且有界
则对于任意的满足下面这个关系的μ
也就是f(x)的下确界小于μ
小于它的上确界
也就是说他是个有界函数
他一定是有下界和有上界的
那么根据确界存在定理
有下界就有下确界
有上界就有上确界
如果它不是常数的时候
下确界自然是严格小于上确界的
所以说,这个时候
对这两个确界之间的任意一个数μ
我都能找到一个点ξ
属于负无穷到正无穷
然后使得f(ξ)等于μ
那这个一般形式
从图像上看应该指的是这种情况
比如说,我一个连续函数
它是有界的,假设这是它的上确界
这是它的下确界
在上下确界之间
你随便画一条水平线
这条水平线
也得至少与这个连续函数要有一个交点
这是我们可用的一个结论
也就是说关于介值定理
就是在有限长度区间上
我们去用,是这样去用
而在无穷区间上当它是有界的时候
我们也可以这样去用
这是关于这个定理
最后我们来看一个简单的例题
这个例题是平面几何中的
一个结论
我们为了书写方便
我们说成这个样子
说对于一个三角形来说
你让一条直线平行移动
在这个移动的过程中
总有一个位置
它要把这个三角形分成面积相等的两部分
实际上,在平面几何上
有这么一个结论
对于一个平面的有界区域来说
你让一条直线平行移动
在移动的过程中
总有一个位置
这条直线会把这个
平面图形分成面积相等的两部分
那我们就以三角形为例
来证明这个东西
这东西我们就这样
这是平面上随便画的一个三角形(A,B,C)
我们为了把它处理成
连续函数的问题
我们建立一个坐标系这是y轴,这是x轴
因为这个三角形是个有界闭区域
我们可以做个长方形
这个长方形的高度
我用L来表示
这个B点的横坐标我用a来表示
这个C点的横坐标,我用b表示
这样表示完之后
大家看我怎样把这个问题
与连续函数联系起来
我就这样就是说
我定义一个函数
这个函数表示的是在x这条直线的左侧
这个三角形的面积
也就是我的S(x)表示的是
在这条直线的左侧这个三角形中的面积
那大家看出来了这个面积
首先我的S(a)应该是等于0的
也就是在这个位置的时候
它左侧三角形中的面积是等于0的
然后我在S(b)就等于这个三角形的面积S
就是如果在这的时候
这条直线的左侧三角形的面积是全在左侧的
然后接下来对一般的来说
这个面积S(x)它表示的是这块
它应该是关于x的一个连续函数
为什么是x的连续函数
大家看一下我是说S(x)减掉S(x0)的绝对值
假设这个地方是x0
这个地方是x的时候
这两个面积之差应该是这块
这块的时候因为这个的整个的高度是L
这个面积之差显然是小于Lx减掉x0的绝对值
因为这个L乘上(x减掉x0)是这个长条的面积
它自然要比这一块来的大
这样一减的时候
大家看一下我就证明了
当x趋向x0时S(x)趋向S(x0)
所以说我这个S(x)应该是属于c[a,b]的
它是个连续函数,我想写到这
大家看,我们的结论是不是证完了
说我这样建立一个坐标系
我利用S(x)来表示
这条直线左侧的三角形中的面积
那么这就是个连续函数
而且它在S(a)时等于0
在S(b)时等于整个面积S
根据介值定理所以
我一定能推出一个ξ属于(a,b)之间
使得S(ξ)等于这个三角形面积的一半
因为二分之S自然是大于0小于S的
这就是说,在这中间
至少有一条直线
正好把这个三角形
分成面积相等的两部分
我想这是这个例题简单的解答过程
具体的书写,请大家在课下完成
我把主要的想法给大家解释一下
这也就是说
怎么样利用代数或是分析的方法
来处理几何问题
你得把你这个几何问题
处理成是一个函数问题
为此我们一定要建立相应的坐标系
这个也应该是一个
简单的数学建模问题
就是把几何问题变成了
代数或是分析问题
这是我们介绍的
函数的有关的定性的性质也就是保号性
零点存在定理
介值定理
应该是定性的性质
但是就是说关于零点存在定理和介值定理
就是在我们整个微积分课程里面
应该是我们接触到的
前两个也就是刚开始接触到
有关存在性的问题
在后面一些定理里面
我们还有类似的结论
存在什么什么点满足什么结论
希望大家能够体会一下
这个存在性在我们处理问题时
该怎么去用它
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习