Графік
f
(
x
)
=
1
x
{\displaystyle f(x)={\frac {1}{x}}}
перетинає горішню і долішню риски обмежувального вікна висота × широта=
2
ε ε -->
× × -->
2
δ δ -->
,
{\displaystyle 2\varepsilon \times 2\delta ,}
якою маленькою не була б
δ δ -->
{\displaystyle \delta }
, отже
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)}
не рівномірно неперервна. Тоді як, функція
g
(
x
)
=
x
{\displaystyle g(x)={\sqrt {x}}}
рівномірно неперервна.
Рівномірна неперервність в математичному і функціональному аналізі — це властивість функції бути однаково неперервною в усіх точках області визначення .
Означення
Нехай дано два метричні простори
(
X
,
ϱ ϱ -->
X
)
{\displaystyle (X,\varrho _{X})}
і
(
Y
,
ϱ ϱ -->
Y
)
{\displaystyle (Y,\varrho _{Y})}
. Функція
f
: : -->
X
→ → -->
Y
{\displaystyle f\colon X\to Y}
називається рівномірно неперервною на підмножині
M
⊂ ⊂ -->
X
,
{\displaystyle M\subset X,}
якщо
∀ ∀ -->
ε ε -->
>
0
∃ ∃ -->
δ δ -->
=
δ δ -->
(
ε ε -->
)
>
0
∀ ∀ -->
x
1
,
x
2
∈ ∈ -->
M
(
ϱ ϱ -->
X
(
x
1
,
x
2
)
<
δ δ -->
)
⇒ ⇒ -->
(
ϱ ϱ -->
Y
(
f
(
x
1
)
,
f
(
x
2
)
)
<
ε ε -->
)
{\displaystyle \forall \varepsilon >0\;\exists \delta =\delta (\varepsilon )>0\;\forall x_{1},x_{2}\in M\quad {\bigl (}\varrho _{X}(x_{1},x_{2})<\delta {\bigr )}\Rightarrow {\bigl (}\varrho _{Y}(f(x_{1}),f(x_{2}))<\varepsilon {\bigr )}}
.
Зокрема, дійснозначна функція дійсного змінного
f
:
M
⊂ ⊂ -->
R
→ → -->
R
{\displaystyle f:M\subset \mathbb {R} \to \mathbb {R} }
рівномірно неперервна, якщо
∀ ∀ -->
ε ε -->
>
0
∃ ∃ -->
δ δ -->
=
δ δ -->
(
ε ε -->
)
>
0
∀ ∀ -->
x
1
,
x
2
∈ ∈ -->
M
(
|
x
1
− − -->
x
2
|
<
δ δ -->
)
⇒ ⇒ -->
(
|
f
(
x
1
)
− − -->
f
(
x
2
)
|
<
ε ε -->
)
{\displaystyle \forall \varepsilon >0\;\exists \delta =\delta (\varepsilon )>0\;\forall x_{1},x_{2}\in M\quad {\bigl (}|x_{1}-x_{2}|<\delta {\bigr )}\Rightarrow {\bigl (}|f(x_{1})-f(x_{2})|<\varepsilon {\bigr )}}
Вибір
δ δ -->
{\displaystyle \delta }
у визначенні рівномірної неперервності залежить від
ε ε -->
{\displaystyle \varepsilon }
, але не від
x
1
,
x
2
.
{\displaystyle x_{1},x_{2}.}
Властивості
Функція, рівномірно неперервна на множині
M
,
{\displaystyle M,}
неперервна на ній. Зворотне, взагалі кажучи, не справджується. Наприклад, функція
f
(
x
)
=
1
x
,
x
∈ ∈ -->
(
0
,
1
)
{\displaystyle f(x)={\frac {1}{x}},\;x\in (0,1)}
неперервна на всій області визначення, але не є рівномірно неперервною, оскільки при будь-якому
ε ε -->
>
0
{\displaystyle \varepsilon >0}
можна вказати відрізок скільки завгодно малої довжини такий, що на його кінцях значення функції відрізнятимуться більше, ніж на
ε ε -->
.
{\displaystyle \varepsilon .}
Інший приклад: функція
f
(
x
)
=
x
2
,
x
∈ ∈ -->
(
− − -->
∞ ∞ -->
,
+
∞ ∞ -->
)
{\displaystyle f(x)=x^{2},\;x\in (-\infty ,+\infty )}
неперервна на всій числовій осі , але не є рівномірно неперервною, оскільки
lim
x
→ → -->
∞ ∞ -->
(
f
(
x
+
a
x
)
− − -->
f
(
x
)
)
=
lim
x
→ → -->
∞ ∞ -->
(
x
2
+
2
a
+
a
2
x
− − -->
2
− − -->
x
2
)
=
2
a
.
{\displaystyle \lim _{x\to \infty }(f\left(x+{\frac {a}{x}}\right)-f(x))=\lim _{x\to \infty }(x^{2}+2a+a^{2}x^{-2}-x^{2})=2a.}
Для будь-якого
ε ε -->
>
0
{\displaystyle \varepsilon >0}
можна вибрати відрізок як завгодно малої довжини
ε ε -->
/
x
{\displaystyle \varepsilon /x}
такий, що різниця значень функції
f
(
x
)
=
x
2
{\displaystyle f(x)=x^{2}}
на кінцях відрізка буде більше
ε ε -->
.
{\displaystyle \varepsilon .}
Зокрема, на відрізку
(
x
,
x
+
ε ε -->
x
)
{\displaystyle \left(x,x+{\frac {\varepsilon }{x}}\right)}
різниця значень функції збігається до
2
ε ε -->
.
{\displaystyle 2\varepsilon .}
(Теорема Кантора — Гейне ) Функція, неперервна на компактній підмножині
K
⊂ ⊂ -->
X
,
{\displaystyle K\subset X,}
рівномірно неперервна на ній. Зокрема якщо
f
∈ ∈ -->
C
(
[
a
,
b
]
)
,
{\displaystyle f\in C{\bigl (}[a,b]{\bigr )},}
то вона рівномірно неперервна на
[
a
,
b
]
.
{\displaystyle [a,b].}
Нехай
f
: : -->
X
→ → -->
Y
{\displaystyle f\colon X\to Y}
це рівномірно неперервне відображення, і
{
x
n
}
n
=
1
∞ ∞ -->
{\displaystyle \{x_{n}\}_{n=1}^{\infty }}
— послідовність Коші в
X
.
{\displaystyle X.}
Тоді
{
f
(
x
n
)
}
n
=
1
∞ ∞ -->
{\displaystyle {\bigl \{}f(x_{n}){\bigr \}}_{n=1}^{\infty }}
— послідовність Коші в
Y
.
{\displaystyle Y.}
Будь-яке ліпшицеве відображення є рівномірно неперервним.
Див. також
Джерела