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  • 闭区间上的连续函数,一定是一致连续的证明,中科大列紧性证明版

    有两种方法,常见的证明方法是有限覆盖定理。
    这里是参考中科大数分教材的证明方法,做了修改。
    中科大是反证法利用构造子列的列紧性定理
    (\)
    【中科大反证法】课本106页
    定理:设f(x)在[a,b]上连续,则f(x)在[a,b]上一致连续。
    证明:用反证法。
    (假设f(x)不一致连续,那么existsepsilon,forall nin N^+)
    (exists 两个点S_{n},t_{n} in [a,b],有|S_{n}-t_{n}|<frac{1}{n},)
    (且|f(S_{n})-f(t_{n})|>epsilonquadquadquad(1))
    (ecause {S_{n}in [a,b] })
    ( herefore 由列紧性定理,任何有界数列,存在一个收敛子列{S_{k_{n}}})
    (有quad S_{k_{n}}->S^*in [a,b])
    (可得:|t_{k_{n}}-s^*|leqslant|t_{k_{n}}-S_{k_{n}}|+|S_{k_{n}}-S^*|)
    (quadquadquad<frac{1}{k_{n}}+|S_{k_{n}}-S^*|<frac{1}{n}+|S_{k_{n}}-S^*|)
    (由数列极限的夹逼定理,得到)
    (0leqslant lim_{n o infty}|t_{k_{n}}-s^*|leqslant lim_{n o infty}frac{1}{n}+|S_{k_{n}}-S^*|=0)
    (可知 lim_{n oinfty}t_{k_{n}}=0)
    (即:t_{k_{n}}跟S_{k_{n}}有相同极限S^*)
    (由(1)式,可知,forall nin N^+,有|f(S_{k_{n}})-f(t_{k_{n}})|geqslantepsilonquadquadquad(2))
    (由函数的连续性,可得:lim_{n oinfty}f(S_{k_{n}})=lim_{n oinfty}f(S^*))
    (即S_{k_{n}}趋于S^*时,f(S_{k_{n}})趋于f(S^*),这是根据函数连续性)
    (同理,lim_{n oinfty}f(t_{k_{n}})=lim_{n oinfty}f(S^*))
    (对(2)式两侧取极限,左侧为lim_{n oinfty}|f(S_{k_{n}})-f(t_{k_{n}})|=|lim_{n oinfty}f(S_{k_{n}})-lim_{n oinfty}f(t_{k_{n}})|-----极限符号和绝对值的互换前提是各项极限存在,可以自己手工证明,\)
    (分大于等于零和小于零的情况,极限和绝对值顺序交换的结果是一致的)
    (quadquadquadquadquadquadquadquadquadquadquad=|lim_{n oinfty}f(S^*)-lim_{n oinfty}f(S^*)|=0)
    (右侧为>epsilon),矛盾
    证毕
    (\)
    (说明:如果题设条件是开区间(a,b),则S_{k_{n}}与t_{k_{n}}的极限S^*不一定在此区间内,)
    (如果在区间以外,则该极限点,没有函数定义f(S^*),例如f(x)=frac{1}{x},如果极限点是0,f(x)在x点没有定义)

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