균등연속
균등연속에서는 하나의 δ가 모든 점 x에서 통한다 — δ는 ε에만 의존하고 x에는 의존하지 않는다. f(x)=x2에서는 x가 커질수록 필요한 δ가 줄어들어 R 전체를 감당하는 δ가 없음을 직접 확인해 보자.
δ=x2+ε−∣x∣
δ=ε/2
예제
립시츠 함수(∣f(x)−f(y)∣≤L∣x−y∣인 L이 존재)는 균등연속임을 증명하세요.
δ=ε/L
f(x)=2x, x=2, ε=0.5 — 상수 L=2인 립시츠 함수.
증명 보기
- f가 상수 L≥0에 대해 립시츠라 하자. L=0이면 f는 상수함수이므로 아무 δ>0나 된다. L>0이라 하자.
- ε>0이 주어지면 δ=ε/L이라 둔다 — δ는 ε에만 의존하고 x와는 무관하다.
- ∣x−y∣<δ인 임의의 x,y에 대해 ∣f(x)−f(y)∣≤L∣x−y∣<Lδ=ε이다.
- 따라서 같은 δ가 모든 점 x에서 통하므로 f는 균등연속이다.
f(x)=x2이 [0,1]에서 균등연속임을 증명하세요.
∣x2−y2∣=∣x−y∣∣x+y∣≤2∣x−y∣
x=0.5, ε=0.5 — [0,1] 안에서는 δ=ε/2 하나로 충분하다.
증명 보기
- x,y∈[0,1]이라 하자. ∣x2−y2∣=∣x−y∣∣x+y∣이고 x+y≤2이므로 ∣x2−y2∣≤2∣x−y∣이다 — 즉 x2은 [0,1]에서 상수 2인 립시츠 함수이다.
- ε>0이 주어지면 δ=ε/2라 둔다 — x에 의존하지 않는다. ∣x−y∣<δ이면 ∣x2−y2∣≤2∣x−y∣<2δ=ε이다.
- 따라서 f(x)=x2은 [0,1]에서 균등연속이다. — 유계 구간에서는 "기울기 인자" ∣x+y∣가 제한되므로 하나의 δ로 충분하다.
f(x)=x2이 R에서 균등연속이 아님을 증명하세요.
xn=n,yn=n+δ/2
x=3, ε=0.5 — 큰 x에서는 허용 δ가 극히 작아진다.
증명 보기
- ε0=1이라 하자. δ>0을 임의로 잡는다 — ε0에만 의존하는 δ라면 모든 점쌍에서 통해야 한다.
- 1/δ<n인 정수 n을 잡고 x=n, y=n+δ/2라 두자. 그러면 ∣x−y∣=δ/2<δ이다.
- 그런데 ∣x2−y2∣=∣y−x∣∣y+x∣=2δ(2n+2δ)=nδ+4δ2>1=ε0이다 — n>1/δ이므로 nδ>1이기 때문이다.
- 따라서 모든 점쌍에서 통하는 δ는 존재하지 않으므로 f(x)=x2은 R에서 균등연속이 아니다. — 큰 x에서 필요한 δ가 0으로 수렴하기 때문이다.
3. 연속함수