Непрерывное отображение

Непреры́вное отображе́ние или непрерывная функция в математике — это отображение из одного пространства в другое, при котором близкие точки области определения переходят в близкие точки области значений.

Наиболее общее определение формулируется для отображений топологических пространств: непрерывным считается отображение, при котором прообраз всякого открытого множества открыт. Непрерывность отображений других типов пространств — метрических, нормированных и т.п. пространств — является непосредственным следствием общего (топологического) определения, но формулируется с использованием структур, заданных в соответствующих пространствах — метрики, нормы и т.д.

В математическом анализе и комплексном анализе, где рассматриваются числовые функции и их обобщения на случай многомерных пространств, непрерывность функции вводится на языке пределов: такие определения непрерывности были исторически первыми и послужили основой для формирования общего понятия.

Существование непрерывных отображений между пространствами, позволяет «переносить» свойства одного пространства в другое: например, непрерывный образ компактного пространства также является компактным.

Непрерывное отображение, которое обладает обратным и также непрерывным отображением, называется гомеоморфизмом. Гомеоморфизм порождает на классе топологических пространств отношение эквивалентности; пространства, гомеоморфные друг другу, обладают одними и теми же топологическими свойствами, а сами свойства, которые сохраняются при гомеоморфизмах, называются топологическими инвариантами.

Определения

Наиболее общее определение даётся в топологии. Это определение глобально, поскольку относится ко всему пространству в целом. Также рассматриваются непрерывные функции, заданные на подмножествах топологического пространства, и тогда понятие непрерывности удобнее сначала сформулировать локально в некоторой точке, а уже потом положить, что функция непрерывна на множестве, если она непрерывна в каждой точке данного множества. Непрерывность в точке формулируется на языке окрестностей и связывает систему окрестностей точки области определения с системой окрестностей соответствующей ей точки области значений.

Общее топологическое определение

Отображение $f\colon X\to Y$ топологического пространства $(X,{\mathcal {T}}_{X})$ в топологическое пространство $(Y,{\mathcal {T}}_{Y})$ называется непрерывным в целом или просто непрерывным, если прообраз любого открытого множества открыт, то есть:

$\forall V\in {\mathcal {T}}_{Y}\quad f^{-1}(V)\in {\mathcal {T}}_{X}$.

Существуют также и другие эквивалентные определения непрерывности отображения:

• прообраз всякого замкнутого множества замкнут;
• образ замыкания любого множества содержится в замыкании образа этого множества;
• замыкание прообраза любого множества содержится в прообразе замыкания.

Непрерывность в точке

В математическом анализе принято исходить из непрерывности в точке.

Отображение $f\colon X\to Y$ называется непрерывным в точке $x$, если для любой окрестности образа точки $V=V_{f(x)}$ найдется такая окрестность $U=U_{x}$, что $f(U)\subset V$.

Отображение непрерывно на некотором множестве, если оно непрерывно в каждой точке этого множества. Отображение непрерывно (в целом) тогда и только тогда, когда оно непрерывно в каждой точке пространства. В рамках глобального топологического определения последнее утверждение является теоремой. В математическом анализе это обычно определение.

Непрерывность и предел

Непрерывность отображения определяется также на основании общего понятия сходящейся последовательности точек топологического пространства следующим образом: отображение $f$ называется непрерывным в точке $x$, если для любой последовательности $x_{n}$, сходящейся к $x$, последовательность $f(x_{n})$ сходится к $f(x)$, то есть:

$x_{n}\rightarrow x\Rightarrow f(x_{n})\rightarrow f(x)$ или $\lim _{n\rightarrow \infty }f(x_{n})=f(\lim _{n\rightarrow \infty }x_{n})=f(x)$

Определенная таким образом непрерывность может быть названа секвенциальной непрерывностью (не является общепринятым термином). В случае, если топология удовлетворяет первой аксиоме счётности секвенциальная непрерывность эквивалентна общему понятию непрерывности.

Непрерывность в метрических и нормированных пространствах

В метрических пространствах топология задается семейством открытых шаров разных «радиусов», определяемых метрикой, поэтому общее определение формулируется в терминах этой метрики ("эпсилон-дельта" - определение):

Отображение $f\colon X\to Y$ метрического пространства $(X,\rho _{X})$ в метрическое пространство $(Y,\rho _{Y})$ называется непрерывным в точке $a$, если для всякого $\varepsilon >0$ существует $\delta >0$, что для всякого $x\in X$, такого, что $\rho _{X}(x,a)<\delta$, выполняется неравенство: $\rho _{Y}(f(x),f(a))<\varepsilon$.

Для линейных нормированных пространств (включая, гильбертовы и конечномерное евклидовы пространства) метрика задается нормой, поэтому то же определение дается в терминах нормы.

Пусть, $f\colon {N_{1}}\to {N_{2}}$ отображение между нормированными пространствами с нормами $\|{*}\|_{1}$ и $\|{*}\|_{2}$ соответственно. Функция $f$ непрерывна в точке $a$, если для любого числа $\varepsilon >0$ найдётся такое число $\delta >0$, что для всех точек $x\in N_{1}$, таких что $\|x-a\|_{1}<\delta$ выполнено неравенство $\|f(x)-f(a)\|_{2}<\varepsilon$,

Метрические пространства (а значит и нормированные пространства) удовлетворяют первой аксиоме счетности, поэтому данное определение эквивалентно определению секвенциальной непрерывности.

Непрерывные функции (функционалы)

В случае числовой оси нормой обычно является модуль числа, поэтому определение непрерывности функционала $f:X\rightarrow \mathbb {R}$ (или $\mathbb {C}$.), где $X$ - произвольное топологическое пространство, следующее:

Фунционал $f$, называется непрерывным в точке $a\in X$, если для любого $\varepsilon >0$ найдется окрестность $\Sigma _{a}$ этой точки, такая, что $\forall x\in \Sigma _{a}$ выполнено условие $|f(x)-f(a)|<\varepsilon$.

Множество непрерывных на $X$ функционалов (функций) принято обозначать $C(X)$. Частным случаем непрерывных функционалов являются непрерывные функции числового аргумента.

Непрерывная числовая функция

Основная статья: Непрерывная функция

Пусть, $f\colon \mathbb {R} \supset E\to \mathbb {R}$. (или $\mathbb {C}$.). Функция $f$ непрерывна в точке $a$, если для любого числа $\varepsilon >0$ найдётся такое число $\delta >0$, что для всех точек $x\in E$ условие $|x-a|<\delta$ влечет $|f(x)-f(a)|<\varepsilon$.

Другими словами, функция $f$ непрерывна в точке $a$, предельной для множества $E$, если она имеет предел в данной точке и этот предел совпадает со значением функции в данной точке:

$f\in C(\{a\})\Leftrightarrow \lim \limits _{x\to a}f(x)=f(a)$

Функция $f$ непрерывна на множестве $E$, если она непрерывна в каждой точке данного множества. В этом случае говорят, что функция $f$ класса $C^{0}$ и пишут: $f\in C^{0}(E)$ или, подробнее, $f\in C^{0}(E,\mathbb {R} )$.

Свойства непрерывных отображений

• Полный прообраз любого открытого (замкнутого) множества при непрерывном отображении — открытое (замкнутое) множество

• Образ компактного множества при непрерывном отображении — компактное множество.

• Непрерывная числовая функция на компактном множестве ограничена и достигает своих верхней и нижней граней. Это свойство следует из предыдущего.

• Образ связного множества при непрерывном отображении - связное множество.

• (Теорема Титце.) Любая вещественнозначная непрерывная функция, определённая на замкнутом подмножестве нормального пространства может быть продолжена до непрерывной функции на всё пространство.

• Сумма, разность и композиция непрерывных отображений также являются непрерывными отображениями.
• Из непрерывности линейного отображения одного линейного топологического пространства в другое следует его ограниченность. В случае нормированных пространств непрерывность линейного отображения эквивалентна ограниченности.
• Теорема Стоуна-Вейерштрасса (обобщение классической теоремы Вейерштрасса). Пусть $C(X)$- пространство непрерывных функций на компактном хаусдорфовом топологическом пространстве $X$. Пусть $B(X)$ - подмножество $C(X)$, содержащее константы, замкнутое относительно композиции и линейной комбинации функций, а также содержащее пределы своих равномерно сходящихся последовательностей функций. В таком случае $B(X)=C(X)$ тогда и только тогда, когда $\forall x_{1},x_{2}\in X$, существует $f\in B$, такая что $f(x_{1})\not =f(x_{2})$.

Связанные определения

• Гомеоморфизм - непрерывное взаимно-однозначное отображение одного топологического пространства в другое с также непрерывным обратным отображением.
• Равномерная непрерывность

См. также

• Пространство непрерывных функций
• Линейный непрерывный оператор
• Предел функции
• Общая топология
• Топологическое пространство
• Открытое отображение
• Равномерная непрерывность

Ссылки

Математические Этюды Мультик про непрерывность