토매 함수
팝콘 함수 f ( p / q ) = 1 / q f(p/q) = 1/q f ( p / q ) = 1/ q (기약분수), f ( x ) = 0 f(x) = 0 f ( x ) = 0 (무리수): 모든 무리수에서 연속이고 모든 유리수에서 불연속입니다. ε \varepsilon ε 을 주면 높이가 ε \varepsilon ε 이상인 점은 유한개뿐 — 그래서 무리수 근처에서는 δ \delta δ 를 잡을 수 있습니다.
f ( x ) = { 1 / q x = p / q in lowest terms 0 x ∉ Q f(x) = \begin{cases} 1/q & x = p/q \text{ in lowest terms} \\ 0 & x \notin \mathbb{Q} \end{cases} f ( x ) = { 1/ q 0 x = p / q in lowest terms x ∈ / Q
{ x : f ( x ) ≥ ε } = { p / q : q ≤ 1 / ε } finite \{x : f(x) \ge \varepsilon\} = \{p/q : q \le 1/\varepsilon\} \text{ finite} { x : f ( x ) ≥ ε } = { p / q : q ≤ 1/ ε } finite
예제
토메 함수 f f f (f ( p / q ) = 1 / q f(p/q) = 1/q f ( p / q ) = 1/ q (기약분수), 무리수에서 f = 0 f = 0 f = 0 )가 모든 유리수 x 0 x_0 x 0 에서 불연속임을 완전히 증명하세요.
x 0 = p q (lowest terms) ⇒ f ( x 0 ) = 1 q > 0 , ε = 1 2 q x_0 = \frac{p}{q}\ \text{(lowest terms)} \Rightarrow f(x_0) = \frac{1}{q} > 0, \quad \varepsilon = \frac{1}{2q} x 0 = q p (lowest terms) ⇒ f ( x 0 ) = q 1 > 0 , ε = 2 q 1
x 0 = 1 / 2 x_0 = 1/2 x 0 = 1/2 (유리수)에 중심을 둔 보기: f ( 1 / 2 ) = 1 / 2 f(1/2) = 1/2 f ( 1/2 ) = 1/2 이지만 1 / 2 1/2 1/2 에 아무리 가까워도 f = 0 f = 0 f = 0 인 무리수가 있어, ε = 1 / 4 \varepsilon = 1/4 ε = 1/4 에 대한 δ \delta δ 가 존재하지 않습니다.
증명 보기
x 0 = p / q x_0 = p/q x 0 = p / q 를 기약분수라 두면 f ( x 0 ) = 1 / q > 0 f(x_0) = 1/q > 0 f ( x 0 ) = 1/ q > 0 입니다. ε = 1 / ( 2 q ) > 0 \varepsilon = 1/(2q) > 0 ε = 1/ ( 2 q ) > 0 으로 둡니다. 유리수의 조밀성의 쌍대 — 무리수도 조밀하므로 — 임의의 δ > 0 \delta > 0 δ > 0 에 대해 구간 ( x 0 − δ , x 0 + δ ) (x_0 - \delta, x_0 + \delta) ( x 0 − δ , x 0 + δ ) 안에는 무리수 x x x 가 존재합니다.
무리수 x x x 에서는 f ( x ) = 0 f(x) = 0 f ( x ) = 0 이므로 ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ = 1 / q > 1 / ( 2 q ) = ε |f(x) - f(x_0)| = 1/q > 1/(2q) = \varepsilon ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ = 1/ q > 1/ ( 2 q ) = ε 입니다. 즉, 어떤 δ > 0 \delta > 0 δ > 0 를 잡아도 ∣ x − x 0 ∣ < δ |x - x_0| < \delta ∣ x − x 0 ∣ < δ 이면서 ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≥ ε |f(x) - f(x_0)| \ge \varepsilon ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ ≥ ε 인 x x x 가 존재하므로, ε \varepsilon ε -δ \delta δ 정의에 의해 f f f 는 x 0 x_0 x 0 에서 연속이 아닙니다.
x 0 x_0 x 0 는 임의의 유리수였으므로, 토메 함수는 모든 유리수에서 불연속입니다. 씬에서 중심을 유리수(예: 1 / 2 1/2 1/2 )에 두면 δ = 0 \delta = 0 δ = 0 이 되어 위의 논증이 그대로 드러납니다.
토메 함수가 모든 무리수 x 0 x_0 x 0 에서 연속임을 ε \varepsilon ε -δ \delta δ 논증으로 완전히 증명하세요.
S ε = { x ∈ [ 0 , 1 ] : f ( x ) ≥ ε } = { p q : q ≤ 1 ε } finite S_\varepsilon = \left\{x \in [0,1] : f(x) \ge \varepsilon\right\} = \left\{\frac{p}{q} : q \le \frac{1}{\varepsilon}\right\}\ \text{finite} S ε = { x ∈ [ 0 , 1 ] : f ( x ) ≥ ε } = { q p : q ≤ ε 1 } finite
무리수 x 0 ≈ 0.618 x_0 \approx 0.618 x 0 ≈ 0.618 에 중심을 둔 보기: ε = 0.1 \varepsilon = 0.1 ε = 0.1 이상으로 솟은 점은 q ≤ 10 q \le 10 q ≤ 10 인 유한개의 점뿐이고, δ \delta δ 는 그중 가장 가까운 점까지의 거리입니다.
증명 보기
x 0 x_0 x 0 를 무리수, ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 을 임의로 둡니다. f ( x ) ≥ ε f(x) \ge \varepsilon f ( x ) ≥ ε 인 점들의 집합 S ε = { x ∈ [ 0 , 1 ] : f ( x ) ≥ ε } S_\varepsilon = \{x \in [0,1] : f(x) \ge \varepsilon\} S ε = { x ∈ [ 0 , 1 ] : f ( x ) ≥ ε } 을 봅니다. f f f 의 정의에 의해 S ε S_\varepsilon S ε 의 원소는 1 / q ≥ ε 1/q \ge \varepsilon 1/ q ≥ ε , 즉 q ≤ 1 / ε q \le 1/\varepsilon q ≤ 1/ ε 인 기약분수 p / q p/q p / q 뿐이므로, S ε S_\varepsilon S ε 은 유한집합입니다.
x 0 x_0 x 0 는 무리수이므로 x 0 ∉ S ε x_0 \notin S_\varepsilon x 0 ∈ / S ε 입니다. 따라서 유한개의 양수 { ∣ x − x 0 ∣ : x ∈ S ε } \{|x - x_0| : x \in S_\varepsilon\} { ∣ x − x 0 ∣ : x ∈ S ε } 의 최솟값 δ = min x ∈ S ε ∣ x − x 0 ∣ \delta = \min_{x \in S_\varepsilon} |x - x_0| δ = min x ∈ S ε ∣ x − x 0 ∣ 는 0 0 0 보다 큽니다. ∣ x − x 0 ∣ < δ |x - x_0| < \delta ∣ x − x 0 ∣ < δ 이면 x x x 는 S ε S_\varepsilon S ε 의 어떤 원소와도 거리가 δ \delta δ 이상이므로 x ∉ S ε x \notin S_\varepsilon x ∈ / S ε — 즉 f ( x ) < ε f(x) < \varepsilon f ( x ) < ε 입니다 (x = x 0 x = x_0 x = x 0 인 경우 f ( x 0 ) = 0 < ε f(x_0) = 0 < \varepsilon f ( x 0 ) = 0 < ε 로 자명).
∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ = ∣ f ( x ) − 0 ∣ = f ( x ) < ε |f(x) - f(x_0)| = |f(x) - 0| = f(x) < \varepsilon ∣ f ( x ) − f ( x 0 ) ∣ = ∣ f ( x ) − 0∣ = f ( x ) < ε 이므로 f f f 는 x 0 x_0 x 0 에서 연속입니다. x 0 x_0 x 0 는 임의의 무리수였으므로 토메 함수는 모든 무리수에서 연속입니다 — 씬의 δ \delta δ 표시가 바로 이 최솟값입니다.
토메 함수가 연속함수들의 각 점별 극한(pointwise limit)이 됨을 보이세요 — 즉 베어 1급(Baire class 1) 함수임을 완전히 증명하세요.
f n ( x ) = max p / q lowest terms , q ≤ n max ( 0 , 1 q − n ∣ x − p q ∣ ) → f ( x ) ∀ x f_n(x) = \max_{\substack{p/q\ \text{lowest terms},\ q \le n}} \max\left(0, \frac{1}{q} - n\left|x - \frac{p}{q}\right|\right) \to f(x)\ \forall x f n ( x ) = p / q lowest terms , q ≤ n max max ( 0 , q 1 − n x − q p ) → f ( x ) ∀ x
Q = 30 Q = 30 Q = 30 , ε = 0.05 \varepsilon = 0.05 ε = 0.05 : 연속인 텐트 함수들의 각 점별 극한이 이 팝콘 점들을 그려냅니다 — 베어 1급 함수는 조밀한 연속점 집합을 가져야 하며, 토메 함수의 연속점은 무리수 전체(조밀한 G δ G_\delta G δ )입니다.
증명 보기
각 n ≥ 1 n \ge 1 n ≥ 1 에 대해 S n = { p / q : 1 ≤ q ≤ n , gcd ( p , q ) = 1 } S_n = \{p/q : 1 \le q \le n,\ \gcd(p,q) = 1\} S n = { p / q : 1 ≤ q ≤ n , g cd( p , q ) = 1 } (유한집합)이라 두고, f n ( x ) = max r ∈ S n max ( 0 , 1 / q ( r ) − n ∣ x − r ∣ ) f_n(x) = \max_{r \in S_n} \max(0, 1/q(r) - n|x - r|) f n ( x ) = max r ∈ S n max ( 0 , 1/ q ( r ) − n ∣ x − r ∣ ) (r = p / q r = p/q r = p / q 의 분모를 q ( r ) q(r) q ( r ) )로 정의합니다. 각 텐트 x ↦ max ( 0 , 1 / q − n ∣ x − r ∣ ) x \mapsto \max(0, 1/q - n|x - r|) x ↦ max ( 0 , 1/ q − n ∣ x − r ∣ ) 는 연속이고 유한개의 최댓값도 연속이므로, f n f_n f n 은 연속함수입니다.
x = a / b x = a/b x = a / b 를 기약분수라 두면, n ≥ b n \ge b n ≥ b 일 때 r = x r = x r = x 인 텐트가 값 1 / b 1/b 1/ b 를 주고, 다른 r ′ = p / q ≠ x r' = p/q \ne x r ′ = p / q = x (q ≤ n q \le n q ≤ n )에 대해서는 ∣ x − r ′ ∣ ≥ 1 / ( b q ) |x - r'| \ge 1/(bq) ∣ x − r ′ ∣ ≥ 1/ ( b q ) (분모가 b , q b, q b , q 인 서로 다른 유리수는 1 / ( b q ) 1/(bq) 1/ ( b q ) 이상 떨어져 있음)이므로 n ∣ x − r ′ ∣ ≥ n / ( b q ) ≥ 1 / q n|x - r'| \ge n/(bq) \ge 1/q n ∣ x − r ′ ∣ ≥ n / ( b q ) ≥ 1/ q — 텐트 값이 0이 됩니다. 따라서 n ≥ b n \ge b n ≥ b 에서 f n ( x ) = 1 / b = f ( x ) f_n(x) = 1/b = f(x) f n ( x ) = 1/ b = f ( x ) 입니다.
x x x 가 무리수이면 f ( x ) = 0 f(x) = 0 f ( x ) = 0 입니다. M ≥ 1 M \ge 1 M ≥ 1 을 고정하면, 분모 q ≤ M q \le M q ≤ M 인 텐트는 ∣ x − r ∣ |x - r| ∣ x − r ∣ 이 양의 하한을 가지므로(무리수 x x x 와 분모 ≤ M \le M ≤ M 인 유리수는 유한개) n n n 이 크면 모두 0이 되고, q > M q > M q > M 인 텐트는 값이 1 / q < 1 / M 1/q < 1/M 1/ q < 1/ M 이하입니다. 따라서 lim sup n → ∞ f n ( x ) ≤ 1 / M \limsup_{n \to \infty} f_n(x) \le 1/M lim sup n → ∞ f n ( x ) ≤ 1/ M — M M M 이 임의이므로 f n ( x ) → 0 = f ( x ) f_n(x) \to 0 = f(x) f n ( x ) → 0 = f ( x ) 입니다. 모든 x x x 에서 f n → f f_n \to f f n → f 이므로 토메 함수는 베어 1급입니다.
3. 연속함수