[FTC의 엄밀한 증명] ch13. 연속성
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본 포스팅은 'Stephen Abbott, 해석학 첫걸음(2판)'을 공부하며 작성하였습니다.
14. 연속성
연속의 엄밀한 정의는 해석학에서 매우 중요한 지점이다. 끊어지지 않은, 비약이 없는, 구멍이 없는 등의 모호한 표현에서 벗어나 수학적으로 엄밀하게 연속을 정의해보자.
연속성은 함수의 극한과 관련이 있다. 함수의 극한에 대한 정의를 다시 말하자면 다음과 같다.
함수과 의 극한점 에 대해 다음이 성립하면 는 에서 극한 을 갖는다.
미리 말하자면 연속성은 정의역의 점 각각에 대한 성질이다. 심지어 단 하나의 점에서만 연속인 함수도 존재한다.
연속성 (Continuity)
함수와 에 대해 다음 명제가 성립하면 가 에서 연속(continuous)이라고 한다. ▶ 가 의 모든 점에서 연속이면 가 에서 연속이라고 한다.
▶가 에서 연속이면 를 연속함수(continuous function)라고 한다.
연속의 정의와 함수의 극한의 정의는 많은 점에서 비슷하나 다음의 차이점이 있다.
1. 함수의 극한은 정의역의 극한점에 정의되며, 연속은 정의역의 점에서 정의된다. 정의역에 포함되지 않는 점이더라도 정의역의 극한점이라면 함수의 극한이 정의될 수 있으나, 정의역에 포함되는 점이더라도 고립점이라면 함수의 극한이 정의되지 않는다. 반대로 정의역에 포함되는 점이면 고립점이더라도 연속이 정의되며, 정의역의 극한점이더라도 정의역에 포함되지 않으면 연속이 정의되지 않는다. 함수의 극한과 연속이 모두 정의되는 점은 정의역에 포함되는 극한점 뿐이다.
2. 함수의 극한은
연속의 정의를 다양하게 표현하며 그 의미를 탐색하자.
정리 14-1) 함수과 에 대해 다음의 세 명제는 동치이다.
(ⅰ)는 에서 연속이다.
(ⅱ)
(ⅲ) 임의의에 대해 이면 이다.
proof)
(ⅰ
여기서
(ⅱ
이때
정의에 따라
(ⅲ
정리하면
이때 수열

연속은 정의역의 각 점에서 정의되며, 정의역의 각 점은 정의역의 극한점이거나 고립점이다. (극한점이며 고립점인 것은 정의에 따라 불가능하다) 각 상황에 대해 다음의 재밌는 성질이 성립한다.
정리 14-2) 함수과 에 대해 다음이 성립한다.
(ⅰ)가 의 극한점이면 가 에서 연속일 필요충분조건은 이다.
(ⅱ)가 고립점이면 는 에서 연속이다.
proof)
(ⅰ) :
이때
이는 함수의 극한의 정의이므로
역으로
이때 자명하게
(ⅱ) :
고립점은
다시말해
따라서 임의의
정의에 따라

14.1. 연속함수의 예
정리 14.1-1) 임의의에 대해, 상수함수(constant function) 는 연속함수이다.
proof)
임의의
정의에 따라
정리 14.1-2) 항등함수(identity function)는 연속함수이다.
proof)
임의의
정의에 따라
읽어주셔서 감사합니다.
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