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连续函数的性质,及介绍一个判断迭代程序收敛的利器——压缩映射,并留一道小作业

文德郭皇后  ·  2022年2月3日 admin和喷子少来烦我

闭区间上连续函数的性质,有五个定理概括:

1.有界闭区间上的连续函数必然是一致连续的函数。(一致连续:对任意给定ε,都有一个δ,使得当|x1-x2|<δ,时,对任意的x1,x2,都有|f(x1)-f(x2)|<ε)

2.有界闭区间上的连续函数必然在该区间上有界。

3.有界闭区间上的连续函数必然能取到其上下确界。

4.有界闭区间上的连续函数,其在区间两端的值如果异号,则必有零点。

5.[a,b]上的连续函数,任意x1,x2,且γ∈[f(x1),f(x2)],则必有一个x,使得f(x)=γ。

证明非常简单,我就不搬运了。主要是谈谈由连续函数引起的几道证明题。

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以下题目参考:常庚哲 史济怀《数学分析教程》中国科学技术大学出版社p110

————第一题————

设φ∈C(R),且有:【注:C(R)是R上连续函数的集合】

lim(φ(x)/(x^n))=0 (x趋于∞,无论正负)

证明:若n为奇数,方程x^n+φ(x)=0有一个实根。

x^n+φ(x)=x^n(1+φ(x)/(x^n))。显然,当x→+∞时,x^n(1+φ(x)/(x^n))→+∞。当x→-∞时,x^n(1+φ(x)/(x^n))→-∞

根据上述定理4,方程x^n+φ(x)=0有一个实根。

证明:若n为偶数,f(x)=x^n+φ(x)在R上存在最小值。

(思路:找出一个递减区间(-∞,a)和递增区间(b,+∞)即可。因为[a,b]上必定能找到最小值。)

————第二题————

设f∈C[0,1]且f(0)=f(1)。求证:对任何n∈N且n≥2,存在xn∈[0,1]使得f(xn)=f(xn+1/n)

证明:将区间[0,1]分成n份。

g(x0)=f(1/n)-f(0)

g(x1)=f(2/n)-f(1/n)

......

g(x(n-1))=f(1)-f((n-1)/n)

将所有各列全部求和,得到:

Σg(x(i))=0。

因此,这些所有g(x(i))要么全为0,要么存在至少两项异号。根据前述定理4,存在xn∈[0,1]使得f(xn)=f(xn+1/n)。

————压缩映射————

设映射f:[a,b]→[a,b]。若对任意x,y∈[a,b],都有常数k<1,|f(x)-f(y)|<k|x-y|,则称f是[a.b]的压缩映射。

压缩映射在迭代函数上的应用广泛,但是本人并不了解多少数学之外的东西,因此不多讲。

仅从数学上论述压缩映射原理:设f是[a,b]上的一个压缩映射。则f在[a,b]上必有稳定点。即存在z∈[a,b],f(z)=z。

设a0=a,b0=b。归纳地定义:

ai+1=f(ai) b(i+1)=f(bi)

设一个数列

{An}=a0,a1,a2,a3......

{Bn}=b0,b1,b2,b3......

{Cn}={An}-{Bn}

显然,Cn<|b0-a0|k^n

因为0<k<1,显然limCn=0。即limbn=liman。

根据压缩映射的定义,an<f(an)<bn。因此,n→∞时,有f(an)=an。

故题设z已经找到。

————小作业————

上述结论在[a,b]上成立已经论证,下面请判断上述结论在R上是否成立。

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