연속의 정의

ff가 aa에서 연속이란 lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x\to a} f(x) = f(a)인 것 — 극한값과 함수값이 일치해야 합니다. 점 aa를 움직여 보고, broken 모드에서는 한 점의 값을 들어 올려 정의가 깨지는 모습을 확인합니다.

f continuous at a  ⟺  lim⁡x→af(x)=f(a)f \text{ continuous at } a \iff \lim_{x \to a} f(x) = f(a)
g(a)=a2+1≠a2=lim⁡x→ag(x)g(a) = a^2 + 1 \neq a^2 = \lim_{x \to a} g(x)

이 씬이 포함된 학습 경로

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
a=1a = 1, 온전한 포물선 — 다항식은 모든 점에서 연속입니다.
증명 보기
  1. 상수함수 cc: ∣c−c∣=0<ε\lvert c - c\rvert = 0 < \varepsilon이므로 연속입니다. 항등함수 x↦xx \mapsto x: ∣x−a∣<δ\lvert x - a\rvert < \delta에서 ∣x−a∣<ε\lvert x - a\rvert < \varepsilon이 되도록 δ=ε\delta = \varepsilon을 잡으면 됩니다.
  2. (합) f,gf, g가 aa에서 연속이라 하자. ε>0\varepsilon > 0에 대해 ∣f(x)−f(a)∣<ε2\lvert f(x) - f(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2}인 δ1\delta_1과 ∣g(x)−g(a)∣<ε2\lvert g(x) - g(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2}인 δ2\delta_2를 잡고 δ=min⁡(δ1,δ2)\delta = \min(\delta_1, \delta_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 < \varepsilon입니다.
  3. (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)\rvert를 씁니다. 먼저 ff를 aa 근처에서 가둡니다: ff의 연속성에 의해 ∣x−a∣<δ0\lvert x - a\rvert < \delta_0이면 ∣f(x)−f(a)∣<1\lvert f(x) - f(a)\rvert < 1인 δ0\delta_0가 존재하고, 그 안에서는 ∣f(x)∣≤∣f(a)∣+1=:M\lvert f(x)\rvert \leq \lvert f(a)\rvert + 1 =: M입니다(국소 유계성). 이제 ∣g(x)−g(a)∣<ε2M\lvert g(x) - g(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2M}인 δ1\delta_1과 ∣f(x)−f(a)∣<ε2(∣g(a)∣+1)\lvert f(x) - f(a)\rvert < \frac{\varepsilon}{2(\lvert g(a)\rvert + 1)}인 δ2\delta_2를 잡고 δ=min⁡(δ0,δ1,δ2)\delta = \min(\delta_0, \delta_1, \delta_2)라 두면, ∣f(x)g(x)−f(a)g(a)∣<M⋅ε2M+∣g(a)∣⋅ε2(∣g(a)∣+1)<ε2+ε2=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} = \varepsilon입니다.
  4. 귀납법으로 xnx^n이 연속이고(곱 규칙 반복), cxnc x^n도 연속이며(상수 × 연속), 이들의 합인 다항식도 연속입니다(합 규칙).

∣x∣\lvert x\rvert가 00에서 연속임을 δ=ε\delta = \varepsilon으로 증명하세요.

∣∣x∣−0∣=∣x∣<ε\left\lvert \lvert x\rvert - 0 \right\rvert = \lvert x\rvert < \varepsilon
a=0a = 0 — 뾰족점에서도 연속성은 살아 있습니다 (미분가능성과는 다른 이야기입니다).
증명 보기
  1. 보일 것은 ∣x−0∣<δ⇒∣∣x∣−∣0∣∣<ε\lvert x - 0\rvert < \delta \Rightarrow \lvert \lvert x\rvert - \lvert 0\rvert \rvert < \varepsilon입니다. 그런데 ∣∣x∣−0∣=∣x∣\lvert \lvert x\rvert - 0\rvert = \lvert x\rvert이므로, 문제는 ∣x∣<ε\lvert x\rvert < \varepsilon을 얻는 것으로 줄어듭니다.
  2. δ=ε\delta = \varepsilon이라 두면 ∣x−0∣=∣x∣<δ=ε\lvert x - 0\rvert = \lvert x\rvert < \delta = \varepsilon이 바로 원하는 부등식입니다. 따라서 ∣x∣\lvert x\rvert는 00에서 연속입니다.
  3. [관점] 연속이 미분을 보장하지는 않습니다: ∣x∣\lvert x\rvert는 00에서 미분가능하지 않습니다. 연속은 "끊어지지 않음"일 뿐, "매끄러움"이 아닙니다.

ff가 aa에서 연속이고 gg가 f(a)f(a)에서 연속이면, 합성함수 h=g∘fh = g \circ f가 aa에서 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
a=−1a = -1 — 연속성은 합성을 타고 전해집니다: ε←η←δ\varepsilon \leftarrow \eta \leftarrow \delta 사슬.
증명 보기
  1. ε>0\varepsilon > 0이 주어졌습니다. gg가 b=f(a)b = f(a)에서 연속이므로, ∣y−b∣<η\lvert y - b\rvert < \eta이면 ∣g(y)−g(b)∣<ε\lvert g(y) - g(b)\rvert < \varepsilon인 η>0\eta > 0이 존재합니다.
  2. 이제 ff의 연속성을 η\eta에 적용합니다: ∣x−a∣<δ\lvert x - a\rvert < \delta이면 ∣f(x)−f(a)∣<η\lvert f(x) - f(a)\rvert < \eta인 δ>0\delta > 0이 존재합니다.
  3. ∣x−a∣<δ\lvert x - a\rvert < \delta이면 ∣f(x)−b∣<η\lvert f(x) - b\rvert < \eta이므로 ∣g(f(x))−g(b)∣<ε\lvert g(f(x)) - g(b)\rvert < \varepsilon, 즉 ∣h(x)−h(a)∣<ε\lvert h(x) - h(a)\rvert < \varepsilon입니다. 따라서 hh는 aa에서 연속입니다.
  4. 수치 예시: gg가 η=ε2\eta = \frac{\varepsilon}{2}를 요구하고 ff가 그 η\eta에 대해 δ=η2\delta = \frac{\eta}{2}를 내놓으면, 합성은 δ=ε4\delta = \frac{\varepsilon}{4}로 동작합니다 — 허용 오차가 사슬을 따라 합성됩니다.

4. 연속함수