当前课程知识点:多元微积分(先修课) > 第二章 多元函数的极限理论 > 第三节 多元函数的连续性 > 多元连续函数的性质
同学 你好
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《多元微积分》MOOC课堂
我是中国科大微积分老师 宣本金
网上人称“笨笨熊”老师
本讲 我们来探究多元连续函数的性质
在一元微积分中
我们学习了一元连续函数的局部保号性
和局部有界性等局部性质
以及有界闭区间上连续函数的有界性
和最值性等整体性质
同时 对于一元连续函数
还有零值定理和介值定理等定理成立
那么 二元连续函数
乃至多元连续函数
还有类似的局部和整体性质吗
这就是本讲的中心任务
设二元函数在它的定义域内一点P0处连续
并且函数在P0点处的取值严格大于零
那么 这个二元连续函数在P0点附近
取值有什么特点
也是严格大于零吗
由于二维平面上的集合的多样性
我们对P0点与函数定义域D的位置关系
作分类讨论
如果P0点是定义域D的聚点
函数在P0点的二重极限就是函数
在P0点的取值
由二重极限的局部保号性
可以推出二元连续函数的局部保号性
如果P0点不是定义域D的聚点
则P0点是D的孤立点
也就是存在一个正数δ
使得P0点的δ邻域
与定义域D的交集是独点集
这样函数在P0点的这个δ邻域
与定义域D的交集上取值
也就是函数在P0点的取值
一定大于零
所以 综合两种情形
二元连续函数具有局部保号性
设二元函数在它的定义域内一点P0处连续
那么
这个二元连续函数在P0点附近一定有界吗
我们还是对P0点与定义域D的位置关系
作分类讨论
如果P0点是定义域的D的聚点
函数在P0点的二重极限
就是函数在P0点的取值
由二重极限的局部有界性
可以推出二元连续函数的局部有界性
如果P0点不是定义域D的聚点
则P0点是D的孤立点
也就是存在一个正数δ
使得P0点的δ邻域
与定义域D的交集是独点集
这样函数在P0点的这个δ邻域
和定义域D的交集上的取值
也就是函数在P0点的取值
一定有界
所以 综合这两种情形
二元连续函数具有局部有界性
上述两条性质都是二元连续函数的局部性质
也就是在某一点附近成立
如果要求这些性质
在一个较大的范围内也成立
仅有函数的连续性够吗
类似于一元函数情形
在有界闭区间上的连续函数
具有更深刻的整体性质
对于二元函数的情形
我们也要对所考虑的自变量变化范围做限制
也就是有界闭区域
也就是说
在有界闭区域上的二元连续函数一定有界吗
回想一下
我们是如何证明
有界闭区域上连续函数的有界性的
对 使用反证法
也就是
假设有界闭区域上的二元连续函数无界
再推出矛盾
如何推出矛盾
由反证假设 函数无界
因此
对于任意一个正整数n
存在定义域D内点(xn,yn)
使得|f(xn,yn)|>n
考察点列{(xn,yn)}
它在有界闭区域D上
因此
存在收敛子列{(xnk ,ynk )}
使得当k→+∞时
子列{(xnk ,ynk )}的极限为点(c,d)
并且点(c,d)一定属于闭区域D
这样 由函数的连续性
当k→+∞时
函数取值的数列{f(xnk ,ynk)}的极限
等于函数在点(c,d)处的取值
利用数列极限的有界性可知
数列f(xnk ,ynk)有界
这与不等式|f(xn,yn)|>n矛盾
这个矛盾说明
反证假设不成立
也就是二元连续函数
在有界闭区域上一定有界
有界闭区域上的二元连续函数
一定有最大值和最小值吗
我们以最大值为例
利用上面的讨论
有界闭区域上的二元连续函数
一定有上界
再由确界原理
存在上确界α
回顾一下
上确界定义有两层意思
一是 α是上界
因此 函数f在D上的取值都小于等于α的
二是 α是最小的上界
也就是对于任意一个正数ε
存在D内一点(x,y)
使得f(x,y)>α-ε
取ε=1/n
在D内存在点(xn,yn)
使得f(xn,yn )>α-1/n.
考察点列{(xn,yn)}的收敛性
因为点列在有界闭区域上变化
因此
存在收敛子列{(x(nk),y(nk)}
使得当k→+∞时
子列{(x(nk ),y(nk )}极限为点(c,d)
并且点(c,d)一定属于闭区域D
那么 函数在点(c,d)取值是多少
利用函数的连续性
函数在点(c,d)取值就等于
函数在点列{(x(nk),y(nk)}上是取值的极限
也就是α
也就是说 上确界α是可以达到的
它就是函数在有界闭区域D上的最大值
同理 可以证明最小值情形
同学 动手写一写
到学习讨论区
与小伙伴们交流交流
假设二元连续函数在区域D内
有两个点P1 P2取值异号
那么 存在一点P0
使得函数在点P0处取值为零
回顾一下 区域的定义
区域就是连通开集
我们这里主要利用连通性
对于区域D内的P1 P2两点
存在一条完全包含在D内的道路γ
连接P1 P2两点
沿着道路γ看函数f
选取适当的参数
可以认为
这个函数是关于参数的一元连续函数
这样 利用一元连续函数的零值定理
可以推导出二元函数的零值定理
比如 假设连接P1 P2的两点的道路γ
可以表示为γ(t)=(x(t),y(t))的形式
参数t在区间[α,β]上变化
并且γ(α)=P1 γ(β)=P2
则沿着道路γ
函数f变为f(x(t),y(t))
它是f(x,y)与γ(t)的复合函数
利用连续函数的复合运算法则
它是关于参数t的连续函数
并且在t=α处取值为f(P1)
在t=β处取值为f(P2)
两者异号
因此
在区间(α,β)内存在一点t0
使得复合函数取值为零
也就是函数f在γ(t0)处取值为零
假设二元连续函数f(x,y)
在区域D内的两点P1 P2处取值不相等
而实数c介于f(P1 )和f(P2 )之间
那么 存在一点P0
使得函数在P0点的取值就等于c
回顾一元函数介值定理的证明过程
它可以约化为一个辅助函数的零值定理形式
而得到证明
这里 我们也可以把介值定理约化为
关于辅助函数F(x,y)=f(x,y)-c
进而证明介值定理
零值定理可以看成介值定理的特殊形式
而介值定理可以看成是零值定理的推广
因此 可以说
零值定理与介值定理是相互等价的
本讲
我们利用二重极限和多重极限概念
探究二元连续函数
乃至多元连续函数的局部保号性
和局部有界性等局部性质
有界闭区域上的连续函数的
有界性和最值性等整体性质
以及二元连续函数的零值定理和介值定理
从上述性质的叙述形式和证明过程
我们可以发现
二元连续函数的性质
与一元连续函数的性质
具有类似的叙述形式和证明思想
而且 二元连续函数的某些性质
是通过一元连续函数的相应性质
才得以证明的
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--平面初等几何
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--向量及其几何表示
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