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[해석학] 연속함수의 성질대학수학/해석학 2022. 5. 16. 10:41반응형
4.3. 연속함수의 성질
[소개] 구간에서 연속인 함수들은 일반적인 연속함수들이 가지지 않은 매우 중요한 성질들을 많이 가지고 있다.유계성 정리
[Comment] 컴팩트집합 위에서 정의된 연속함수는 해석학에서 중요한 성질들을 가지고 있다.Proof. (귀류법) $f$가 $K=[a, b]$에서 유계가 아니라 가정하자.
$\nexists M>0 ~s.t.~ \forall x\in K, f(x)\leq M$ 즉, $\forall M>0, \exists x_M\in K ~s.t.~ M\leq f(x_M)$
따라서, $\forall n\in\mathbb{N}, \exists x_n\in K ~s.t.~ n\leq f(x_n)$가 성립한다.
이러한 $x_n$을 모든 $K$상의 수열 $\{x_n\}$은 $K$가 유계이므로 유계수열이다.
볼자노 바이어슈트라스 정리에 의해, 수렴하는 부분수열 $x_{n_k}$가 존재한다.
$\exists x_{n_k} ~s.t.~ x_{n_k}\rightarrow \alpha$에서 $x_{n_k}$는 폐구간상의 수열이므로 극한값 $\alpha$는 $\alpha\in K$이다.
한편 $f$는 $x=\alpha$에서 연속이므로 $f\left( x_{n_k}\right)\rightarrow f(\alpha)$
수렴하는 부분수열은 유계이므로 $f\left(x_{n_k}\right)$는 유계이다.
이때, $\forall k\in\mathbb{N}, f\left(x_{n_k}\right)\geq n_k\geq k$가 성립하는데 이는 $f\left(x_{n_k}\right)$가 유계임에 모순이다.
최대-최소 정리
Proof. 함수 $f:K\rightarrow\mathbb{R}$는 연속이다.
$\Longrightarrow$ 정리 4.3.2에 의해 $f(K)$는 유계 $\Longrightarrow$ 완비성 공리에 의해 $f(K)$는 상한과 하한을 가는다.
$\Longrightarrow$ $\exists m_*=\inf\{ f(x) | x\in K\}\in\mathbb{R},~\exists m^*=\sup\{ f(x) | x\in K\}\in\mathbb{R}$
$\Longrightarrow$ $f$가 $K$위에서 최대값을 가짐을 보이기 위해 다음의 주장을 증명하면 된다.
[주장] 적당한 점 $x^*\in K$가 존재하여 $f(x^*)=m^*$이다.
[주장의 증명] $n\in\mathbb{N}$이면 $m^*-1/n$은 $f(K)$의 상계가 아니다.
$\Longrightarrow$ $m^*-1/n<f(x_n)\leq m^*$인 실수열 $x_n \in K$이 존재한다. $K$가 유계이므로 $x_n$도 유계이다.
$\Longrightarrow$ 바이어슈트라스 정리에 의해 어떤 수 $x^*$로 수렴하는 부분수열 $x_{n_k}$가 존재한다.
$\Longrightarrow$ $K$는 하이네보렐정리에 의해 폐구간이고, $x_{n_k}\in K$이므로 $x^*\in K$이다.
한편 $f$가 $x^*$에서 연속이므로 $\displaystyle\lim_{k\rightarrow\infty}f(x_{n_k})=f(x^*)$이다.
$\Longrightarrow$ 모든 자연수 $k\in\mathbb{N}$에 대해 $m^*-1/n_k<f(x_{n_k})\leq m^*$
$\Longrightarrow$ 조임정리에 의해 $\displaystyle\lim_{k\rightarrow\infty}f(x_{n_k})=m^*$
따라서 $f(x^*)=m^*$이다.
Proof. $[a,b]$는 하이네-보렐정리에 의해 컴팩트집합이므로 정리 4.3.4에 의해 성립한다.
중간값 정리
Proof. (i) $f(a)<m<f(b)$인 경우 : $a=x_0, b=y_0$라 놓자.
$$[x_0, y_0]\supseteq [x_1, y_1]\supseteq \cdots\supseteq [x_n, y_n]\supseteq \cdots$$
이 되는 축소폐구간열 $\{ [x_n, y_n]\}$을 다음과 같이 정의하자.
각 자연수 $n\in\mathbb{N}$에 대해
$f(\cfrac{x_n+y_n}{2})\leq m$이면 $x_{n+1}=\cfrac{x_n+y_n}{2}, y_{n+1}=y_n$
$f(\cfrac{x_n+y_n}{2})> m$이면 $x_{n+1}=x_n,~y_{n+1}=\cfrac{x_n+y_n}{2}$
로 정의하면 모든 $n\in\mathbb{N}$에 대해
$a\leq x_n \leq x_{n+1}<y_{n+1}\leq y_n\leq b\tag{$\ast$}$
$f(x_n)\leq m<f(y_n)\tag{$\ast \ast$}$
$y_n-x_n=\cfrac{b-a}{2^{n-1}} \tag{$\ast\ast\ast$}$
$\Longrightarrow$ 축소구간정리, $(\ast), (\ast\ast), (\ast\ast\ast)$에 의해 $\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}x_n=\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty}y_n=c\in(a, b)$
$\Longrightarrow$ $f$가 연속이므로 $(\ast\ast)$에 의해 $\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty} f(x_n)\leq m\leq \displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty}g(x_n)~\Longrightarrow~f(c)=m$
(ii) $f(b)<m<f(a)$인 경우
$g=-f$는 연속이고 $g(a)<-c<g(b)$
$\Longrightarrow$ (i)에 의해 $\exists c\in(a,b)~s.t.~g(c)=-m$
$\Longrightarrow~c\in(a,b)~s.t.~f(c)=m$
더보기Solution. $f:[0, c+1]\rightarrow\mathbb{R},~f(x)=x^2$은 다항함수이므로 연속이다.
$f(0)=0<c$, $f(c+1)>c,~f(0)<c<f(c+1)$에서 중간값 정리에 의해 $\exists x\in (0, c+1)~s.t.~f(x)=x^2=c$
Proof. 하이네보렐정리에 의해 $f(K)$가 컴팩트집합임을 보이기 위해 유계이고 폐집합임을 보이면 충분하다.
(i) $f(K)$는 유계이다.
$f$ : $K$에서 연속이므로 정리 4.3.2에 의해 $f(K)$는 유계이다.
(ii) $f(K)$가 폐집합임을 보이자.
$L\in\mathbb{R}$ : $f(K)$의 임의의 집적점이라 하면 $L\in f(K)$를 보이면 충분하다.
$\Longrightarrow$ $L$ : $f(K)$의 집적점이므로 $f(K)$에서의 적절한 수열 $\{ y_n\}$이 존재하여 $\displaystyle\lim_{n\rightarrow \infty} y_n=L$
$\Longrightarrow$ 각 $y_n\in f(K)$에 대해 $f(x_n)=y_n$이 되는 점 $x_n \in K$이 존재
$\Longrightarrow$ $\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty} f(x_n)=L$이 되는 $K$에서의 수열 $\{ x_n \}$이 존재한다.
한편 $K$가 유계이므로 $K$에서의 수열 $\{ x_n \}$은 유계
$\Longrightarrow$ $\{ x_n \}$의 적당한 부분수열 $\{ x_{n_k} \}$가 존재하여 어떤 점 $t\in\mathbb{R}$에 수렴한다.
$\Longrightarrow$ $\displaystyle\lim_{n\rightarrow\infty} f(x_{n_k})=L$ 이고 $x=t$에서 $f$가 연속이므로 $f(t)=L$
따라서 $L\in f(K)$이고, $f(K)$는 폐집합이다.
Proof. $y_1, y_2\in f(I)$이고 $y_1<c<y_2$라 하자.
$\Longrightarrow$ $\exists x_1, x_2\in I~s.t.~f(x_1)=y_1, f(x_2)=y_2$
$\Longrightarrow$ $f|_J : I \supseteq J=[x_1, x_2]\rightarrow\mathbb{R}$ : 연속$~s.t.~f(x_1)=y_1, f(x_2)=y_2$
$\Longrightarrow$ 중간값 정리에 의해 $\exists x_0\in (x_1, x_2)~s.t.~f(x_0)=c$
$\Longrightarrow$ $c=f(x_0)\in f(I)$, 따라서 $f(I)$는 구간이다.
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