연속의 정의
f f f 가 a a a 에서 연속이란 lim x → a f ( x ) = f ( a ) \lim_{x\to a} f(x) = f(a) lim x → a f ( x ) = f ( a ) 인 것 — 극한값과 함수값이 일치해야 합니다. 점 a a a 를 움직여 보고, broken 모드에서는 한 점의 값을 들어 올려 정의가 깨지는 모습을 확인합니다.
f continuous at a ⟺ lim x → a f ( x ) = f ( a ) f \text{ continuous at } a \iff \lim_{x \to a} f(x) = f(a) f continuous at a ⟺ x → a lim f ( x ) = f ( a )
g ( a ) = a 2 + 1 ≠ a 2 = lim x → a g ( x ) g(a) = a^2 + 1 \neq a^2 = \lim_{x \to a} g(x) g ( a ) = a 2 + 1 = a 2 = x → a lim g ( x )
예제
연속함수들의 합과 곱이 연속임을 증명하고, 이로부터 모든 다항식이 연속임을 보이세요.
∣ f ( x ) g ( x ) − f ( a ) g ( a ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) ∣ ⋅ ∣ g ( x ) − g ( a ) ∣ + ∣ g ( a ) ∣ ⋅ ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ \lvert f(x)g(x) - f(a)g(a)\rvert \leq \lvert f(x)\rvert\cdot\lvert g(x) - g(a)\rvert + \lvert g(a)\rvert\cdot\lvert f(x) - f(a)\rvert ∣ f ( x ) g ( x ) − f ( a ) g ( a )∣ ≤ ∣ f ( x )∣ ⋅ ∣ g ( x ) − g ( a )∣ + ∣ g ( a )∣ ⋅ ∣ f ( x ) − f ( a )∣
a = 1 a = 1 a = 1 , 온전한 포물선 — 다항식은 모든 점에서 연속입니다.
증명 보기
상수함수 c c c : ∣ c − c ∣ = 0 < ε \lvert c - c\rvert = 0 < \varepsilon ∣ c − c ∣ = 0 < ε 이므로 연속입니다. 항등함수 x ↦ x x \mapsto x x ↦ x : ∣ x − a ∣ < δ \lvert x - a\rvert < \delta ∣ x − a ∣ < δ 에서 ∣ x − a ∣ < ε \lvert x - a\rvert < \varepsilon ∣ x − a ∣ < ε 이 되도록 δ = ε \delta = \varepsilon δ = ε 을 잡으면 됩니다.
(합) f , g f, g f , g 가 a a a 에서 연속이라 하자. ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 에 대해 ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ < ε 2 \lvert f(x) - f(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2} ∣ f ( x ) − f ( a )∣ < 2 ε 인 δ 1 \delta_1 δ 1 과 ∣ g ( x ) − g ( a ) ∣ < ε 2 \lvert g(x) - g(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2} ∣ g ( x ) − g ( a )∣ < 2 ε 인 δ 2 \delta_2 δ 2 를 잡고 δ = min ( δ 1 , δ 2 ) \delta = \min(\delta_1, \delta_2) δ = min ( δ 1 , δ 2 ) 라 두면, ∣ ( f + g ) ( x ) − ( f + g ) ( a ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ + ∣ g ( x ) − g ( a ) ∣ < ε \lvert (f+g)(x) - (f+g)(a)\rvert \leq \lvert f(x) - f(a)\rvert + \lvert g(x) - g(a)\rvert < \varepsilon ∣( f + g ) ( x ) − ( f + g ) ( a )∣ ≤ ∣ f ( x ) − f ( a )∣ + ∣ g ( x ) − g ( a )∣ < ε 입니다.
(곱) 항등식 ∣ f ( x ) g ( x ) − f ( a ) g ( a ) ∣ ≤ ∣ f ( x ) ∣ ⋅ ∣ g ( x ) − g ( a ) ∣ + ∣ g ( a ) ∣ ⋅ ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ \lvert f(x)g(x) - f(a)g(a)\rvert \leq \lvert f(x)\rvert\cdot\lvert g(x) - g(a)\rvert + \lvert g(a)\rvert\cdot\lvert f(x) - f(a)\rvert ∣ f ( x ) g ( x ) − f ( a ) g ( a )∣ ≤ ∣ f ( x )∣ ⋅ ∣ g ( x ) − g ( a )∣ + ∣ g ( a )∣ ⋅ ∣ f ( x ) − f ( a )∣ 를 씁니다. 먼저 f f f 를 a a a 근처에서 가둡니다: f f f 의 연속성에 의해 ∣ x − a ∣ < δ 0 \lvert x - a\rvert < \delta_0 ∣ x − a ∣ < δ 0 이면 ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ < 1 \lvert f(x) - f(a)\rvert < 1 ∣ f ( x ) − f ( a )∣ < 1 인 δ 0 \delta_0 δ 0 가 존재하고, 그 안에서는 ∣ f ( x ) ∣ ≤ ∣ f ( a ) ∣ + 1 = : M \lvert f(x)\rvert \leq \lvert f(a)\rvert + 1 =: M ∣ f ( x )∣ ≤ ∣ f ( a )∣ + 1 =: M 입니다(국소 유계성). 이제 ∣ g ( x ) − g ( a ) ∣ < ε 2 M \lvert g(x) - g(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2M} ∣ g ( x ) − g ( a )∣ < 2 M ε 인 δ 1 \delta_1 δ 1 과 ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ < ε 2 ( ∣ g ( a ) ∣ + 1 ) \lvert f(x) - f(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2(\lvert g(a)\rvert + 1)} ∣ f ( x ) − f ( a )∣ < 2 (∣ g ( a )∣ + 1 ) ε 인 δ 2 \delta_2 δ 2 를 잡고 δ = min ( δ 0 , δ 1 , δ 2 ) \delta = \min(\delta_0, \delta_1, \delta_2) δ = min ( δ 0 , δ 1 , δ 2 ) 라 두면, ∣ f ( x ) g ( x ) − f ( a ) g ( a ) ∣ < M ⋅ ε 2 M + ∣ g ( a ) ∣ ⋅ ε 2 ( ∣ g ( a ) ∣ + 1 ) < ε 2 + ε 2 = ε \lvert f(x)g(x) - f(a)g(a)\rvert < M \cdot \frac{\varepsilon}{2M} + \lvert g(a)\rvert \cdot \frac{\varepsilon}{2(\lvert g(a)\rvert+1)} < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon ∣ f ( x ) g ( x ) − f ( a ) g ( a )∣ < M ⋅ 2 M ε + ∣ g ( a )∣ ⋅ 2 (∣ g ( a )∣ + 1 ) ε < 2 ε + 2 ε = ε 입니다.
귀납법으로 x n x^n x n 이 연속이고(곱 규칙 반복), c x n c x^n c x n 도 연속이며(상수 × 연속), 이들의 합인 다항식도 연속입니다(합 규칙).
∣ x ∣ \lvert x\rvert ∣ x ∣ 가 0 0 0 에서 연속임을 δ = ε \delta = \varepsilon δ = ε 으로 증명하세요.
∣ ∣ x ∣ − 0 ∣ = ∣ x ∣ < ε \left\lvert \lvert x\rvert - 0 \right\rvert = \lvert x\rvert < \varepsilon ∣ ∣ x ∣ − 0 ∣ = ∣ x ∣ < ε
a = 0 a = 0 a = 0 — 뾰족점에서도 연속성은 살아 있습니다 (미분가능성과는 다른 이야기입니다).
증명 보기
보일 것은 ∣ x − 0 ∣ < δ ⇒ ∣ ∣ x ∣ − ∣ 0 ∣ ∣ < ε \lvert x - 0\rvert < \delta \Rightarrow \lvert \lvert x\rvert - \lvert 0\rvert \rvert < \varepsilon ∣ x − 0 ∣ < δ ⇒ ∣∣ x ∣ − ∣ 0 ∣∣ < ε 입니다. 그런데 ∣ ∣ x ∣ − 0 ∣ = ∣ x ∣ \lvert \lvert x\rvert - 0\rvert = \lvert x\rvert ∣∣ x ∣ − 0 ∣ = ∣ x ∣ 이므로, 문제는 ∣ x ∣ < ε \lvert x\rvert < \varepsilon ∣ x ∣ < ε 을 얻는 것으로 줄어듭니다.
δ = ε \delta = \varepsilon δ = ε 이라 두면 ∣ x − 0 ∣ = ∣ x ∣ < δ = ε \lvert x - 0\rvert = \lvert x\rvert < \delta = \varepsilon ∣ x − 0 ∣ = ∣ x ∣ < δ = ε 이 바로 원하는 부등식입니다. 따라서 ∣ x ∣ \lvert x\rvert ∣ x ∣ 는 0 0 0 에서 연속입니다.
[관점] 연속이 미분을 보장하지는 않습니다: ∣ x ∣ \lvert x\rvert ∣ x ∣ 는 0 0 0 에서 미분가능하지 않습니다. 연속은 "끊어지지 않음"일 뿐, "매끄러움"이 아닙니다.
f f f 가 a a a 에서 연속이고 g g g 가 f ( a ) f(a) f ( a ) 에서 연속이면, 합성함수 h = g ∘ f h = g \circ f h = g ∘ f 가 a a a 에서 연속임을 증명하세요.
∣ x − a ∣ < δ ⇒ ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ < η ⇒ ∣ g ( f ( x ) ) − g ( f ( a ) ) ∣ < ε \lvert x - a\rvert < \delta \Rightarrow \lvert f(x) - f(a)\rvert < \eta \Rightarrow \lvert g(f(x)) - g(f(a))\rvert < \varepsilon ∣ x − a ∣ < δ ⇒ ∣ f ( x ) − f ( a )∣ < η ⇒ ∣ g ( f ( x )) − g ( f ( a ))∣ < ε
a = − 1 a = -1 a = − 1 — 연속성은 합성을 타고 전해집니다: ε ← η ← δ \varepsilon \leftarrow \eta \leftarrow \delta ε ← η ← δ 사슬.
증명 보기
ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 이 주어졌습니다. g g g 가 b = f ( a ) b = f(a) b = f ( a ) 에서 연속이므로, ∣ y − b ∣ < η \lvert y - b\rvert < \eta ∣ y − b ∣ < η 이면 ∣ g ( y ) − g ( b ) ∣ < ε \lvert g(y) - g(b)\rvert < \varepsilon ∣ g ( y ) − g ( b )∣ < ε 인 η > 0 \eta > 0 η > 0 이 존재합니다.
이제 f f f 의 연속성을 η \eta η 에 적용합니다: ∣ x − a ∣ < δ \lvert x - a\rvert < \delta ∣ x − a ∣ < δ 이면 ∣ f ( x ) − f ( a ) ∣ < η \lvert f(x) - f(a)\rvert < \eta ∣ f ( x ) − f ( a )∣ < η 인 δ > 0 \delta > 0 δ > 0 이 존재합니다.
∣ x − a ∣ < δ \lvert x - a\rvert < \delta ∣ x − a ∣ < δ 이면 ∣ f ( x ) − b ∣ < η \lvert f(x) - b\rvert < \eta ∣ f ( x ) − b ∣ < η 이므로 ∣ g ( f ( x ) ) − g ( b ) ∣ < ε \lvert g(f(x)) - g(b)\rvert < \varepsilon ∣ g ( f ( x )) − g ( b )∣ < ε , 즉 ∣ h ( x ) − h ( a ) ∣ < ε \lvert h(x) - h(a)\rvert < \varepsilon ∣ h ( x ) − h ( a )∣ < ε 입니다. 따라서 h h h 는 a a a 에서 연속입니다.
수치 예시: g g g 가 η = ε 2 \eta = \frac{\varepsilon}{2} η = 2 ε 를 요구하고 f f f 가 그 η \eta η 에 대해 δ = η 2 \delta = \frac{\eta}{2} δ = 2 η 를 내놓으면, 합성은 δ = ε 4 \delta = \frac{\varepsilon}{4} δ = 4 ε 로 동작합니다 — 허용 오차가 사슬을 따라 합성됩니다.
4. 연속함수