问题

处处不连续的函数乘以一个非 0 连续函数连续么?

回答
这个问题很有意思,涉及到函数的不连续性和连续性之间的关系。答案是:不一定连续,但如果处处不连续的函数是“某种程度”的不连续,并且乘以一个非零连续函数,就有可能变得连续,甚至很多情况下会变连续。

为了详细解释,我们需要拆解这个问题,并引入一些数学概念。

1. 什么是函数连续和不连续?

连续函数 (Continuous Function): 一个函数 $f(x)$ 在点 $x_0$ 处连续,意味着:
1. $f(x_0)$ 存在(函数在该点有定义)。
2. $lim_{x o x_0} f(x)$ 存在(函数在该点的极限存在)。
3. $lim_{x o x_0} f(x) = f(x_0)$ (极限值等于函数值)。
如果一个函数在其定义域内的每一点都连续,那么它就是连续函数。直观地说,连续函数可以用一笔画出,没有跳跃、断开或洞。

不连续函数 (Discontinuous Function): 如果一个函数在定义域内的至少一点不满足连续的三个条件之一,那么它就是不连续函数。

不连续的类型:

不连续有很多种类型,最常见的包括:

可去间断点 (Removable Discontinuity): 函数在该点没有定义,或者函数值不等于极限值。这种不连续可以通过重新定义函数在该点的值来“修复”。
例如:$f(x) = frac{sin x}{x}$ 在 $x=0$ 处不连续,但 $lim_{x o 0} frac{sin x}{x} = 1$。如果定义 $f(0)=1$,则函数在该点连续。
跳跃间断点 (Jump Discontinuity): 函数在该点的左极限和右极限都存在,但不相等。
例如:单位阶跃函数 (Heaviside step function) $H(x)$ 在 $x=0$ 处有跳跃间断,左极限是0,右极限是1。
无穷间断点 (Infinite Discontinuity): 函数在该点的极限是无穷大(正无穷或负无穷)。
例如:$f(x) = frac{1}{x}$ 在 $x=0$ 处有无穷间断。
振荡间断点 (Oscillating Discontinuity): 函数在某一点附近剧烈振荡,导致极限不存在。
例如:$f(x) = sin(frac{1}{x})$ 在 $x=0$ 处不连续,因为当 $x o 0$ 时,$frac{1}{x}$ 趋于无穷,$sin$ 函数在该区域内无限次地振荡,导致极限不存在。

2. “处处不连续的函数”

当你说“处处不连续的函数”时,这通常是指在一个区间或其定义域内的每一点都存在不连续点。这是一个非常强的条件。

3. 乘以一个非零连续函数

设我们有一个函数 $g(x)$,它在某个区间上是“处处不连续”的。我们再考虑一个函数 $h(x)$,它在这个区间上是连续的,并且处处非零,即对于区间内的所有 $x$,$h(x) eq 0$。

我们想知道,$f(x) = g(x) cdot h(x)$ 在这个区间上是否连续。

4. 分析为什么不一定连续,但很多情况会变连续

让我们考虑 $f(x)$ 在某一点 $x_0$ 处的连续性。我们希望 $lim_{x o x_0} f(x) = f(x_0)$。

也就是 $lim_{x o x_0} (g(x) cdot h(x)) = g(x_0) cdot h(x_0)$。

利用极限的性质(如果极限存在),我们可以写成:
$(lim_{x o x_0} g(x)) cdot (lim_{x o x_0} h(x)) = g(x_0) cdot h(x_0)$

由于 $h(x)$ 在 $x_0$ 处连续且非零,我们知道 $lim_{x o x_0} h(x) = h(x_0) eq 0$。

现在问题就回到了 $g(x)$ 在 $x_0$ 处的表现。

情况一:如果 $g(x)$ 在 $x_0$ 处的“不连续”是可去的,并且我们可以通过乘法“修复”它。

考虑一种特殊的“处处不连续”的函数,比如狄利克雷函数(Dirichlet function):
$g(x) = egin{cases} 1 & ext{if } x ext{ is rational} \ 0 & ext{if } x ext{ is irrational} end{cases}$
这个函数在每一点都不连续。无论你想在哪里评估它,它都在该点“跳跃”。

现在,我们乘以一个非零连续函数,例如 $h(x) = x$。
$f(x) = g(x) cdot h(x) = egin{cases} x & ext{if } x ext{ is rational} \ 0 & ext{if } x ext{ is irrational} end{cases}$

我们来检查一下 $f(x)$ 在 $x=0$ 处的连续性:
$f(0) = 0$ (因为 0 是有理数)。
$lim_{x o 0} f(x)$:
如果 $x$ 是有理数,趋向于 0,那么 $f(x) = x$,极限是 0。
如果 $x$ 是无理数,趋向于 0,那么 $f(x) = 0$,极限是 0。
所以,$lim_{x o 0} f(x) = 0$。
由于 $lim_{x o 0} f(x) = f(0) = 0$,所以 $f(x)$ 在 $x=0$ 处是连续的。

这个例子表明,一个处处不连续的函数乘以一个非零连续函数, 有可能在某个点变得连续! 在这个例子中,是因为 $h(x)$ 在 $x=0$ 时为 0,这抵消了 $g(x)$ 在 $x=0$ 处的“怪异行为”。

情况二:更一般的“处处不连续”函数。

如果 $g(x)$ 在 $x_0$ 处的极限 $lim_{x o x_0} g(x)$ 不存在,而 $h(x_0) eq 0$。
那么 $lim_{x o x_0} f(x) = lim_{x o x_0} (g(x) cdot h(x))$。
由于 $h(x)$ 的极限是 $h(x_0)$,这个乘积的极限行为主要取决于 $g(x)$ 的极限行为。如果 $g(x)$ 的极限不存在,那么 $g(x) cdot h(x)$ 的极限很可能也不存在,除非 $h(x_0)=0$ (我们排除了这种情况)。

我们来构造一个“处处不连续”且乘积后仍然不连续的例子。

考虑一个修改版的狄利克雷函数,或者一个基于周期性不连续的函数。

设 $g(x) = egin{cases} 1 & ext{if } x in mathbb{Q} \ 1 & ext{if } x otin mathbb{Q} end{cases}$ (这是另一个处处不连续的函数)。
再设 $h(x) = 1$ (一个非零连续函数)。
那么 $f(x) = g(x) cdot h(x) = g(x)$。
$f(x)$ 在每一点都不连续,所以 $f(x)$ 也是处处不连续的。

更巧妙的例子,结合我们上面讨论的“可去间断点”和“跳跃间断点”:

设 $g(x) = egin{cases} 1 & ext{if } x = 1/n ext{ for some integer } n eq 0 \ 0 & ext{otherwise} end{cases}$
这个函数在 $x=1, 1/2, 1/3, ..., 1, 1/2, 1/3, ...$ 这些点处值为 1,在所有其他点值为 0。
在 $x=1/n$ (非零整数的倒数) 处:
$g(1/n) = 1$。
但是,在该点附近,有无限多个无理数(或 $1/m, m eq n$),这些地方 $g(x)=0$。
所以 $lim_{x o 1/n} g(x) = 0$。
因此,在这些点是可去间断点。
在 $x=0$ 处:
$g(0)=0$。
但是,在 $x=0$ 的任何邻域内,都存在形如 $1/n$ 的点,这些点 $g(x)=1$。同时也有其他点 $g(x)=0$。
极限 $lim_{x o 0} g(x)$ 不存在(它在 0 和 1 之间振荡)。所以这是一个复杂的间断点。
在其他点 $x_0$ (非零有理数且不是 $1/n$ 的形式,或无理数):
$g(x_0)=0$。
在 $x_0$ 的足够小的邻域内,不存在形如 $1/n$ 的点,所以 $g(x)=0$。
$lim_{x o x_0} g(x) = 0$。
所以,在这些点 $g(x)$ 是连续的。

所以,$g(x)$ 在 $x=0$ 和形如 $x=1/n$ 的点处不连续,在其他点连续。这并不是“处处不连续”。

让我们回到真正的“处处不连续”函数,如狄利克雷函数。

狄利克雷函数 $g(x)$ 在每一点都不连续。
我们乘以一个非零连续函数 $h(x)$。

如果 $h(x_0) eq 0$ 对于所有 $x_0$:
在 $x_0$ 处,我们有 $f(x_0) = g(x_0) h(x_0)$。
我们需要考察 $lim_{x o x_0} g(x) h(x)$。
由于 $g(x)$ 在 $x_0$ 的任何邻域内都会在值 0 和 1 之间“跳跃”,所以 $lim_{x o x_0} g(x)$ 不存在。
除非 $h(x_0)=0$,否则 $lim_{x o x_0} g(x) h(x)$ 通常也不会存在。

回到那个关键的例子:
$g(x) = egin{cases} 1 & ext{if } x ext{ is rational} \ 0 & ext{if } x ext{ is irrational} end{cases}$
$h(x) = x$
$f(x) = g(x) cdot h(x) = egin{cases} x & ext{if } x ext{ is rational} \ 0 & ext{if } x ext{ is irrational} end{cases}$

这个 $g(x)$ 在处处不连续。
这个 $h(x)=x$ 在处处连续,并且在 $x=0$ 处是零,在其他地方非零。
$f(x)$ 在 $x=0$ 处连续,在其他所有非零点 $x_0$ 处不连续。

为什么不连续?
考虑 $x_0 eq 0$。
$f(x_0) = g(x_0) cdot x_0$。
如果 $x_0$ 是有理数,$f(x_0) = 1 cdot x_0 = x_0$。
如果 $x_0$ 是无理数,$f(x_0) = 0 cdot x_0 = 0$。

现在看极限 $lim_{x o x_0} f(x)$。
在 $x_0$ 的任意邻域内,都存在有理数和无理数。
如果 $x_0$ 是有理数:
沿着有理数趋近:$lim_{x o x_0, x in mathbb{Q}} f(x) = lim_{x o x_0} x = x_0$。
沿着无理数趋近:$lim_{x o x_0, x otin mathbb{Q}} f(x) = lim_{x o x_0} 0 = 0$。
由于 $x_0 eq 0$,这两个极限不相等,所以 $lim_{x o x_0} f(x)$ 不存在。
如果 $x_0$ 是无理数:
沿着有理数趋近:$lim_{x o x_0, x in mathbb{Q}} f(x) = lim_{x o x_0} x = x_0$。
沿着无理数趋近:$lim_{x o x_0, x otin mathbb{Q}} f(x) = lim_{x o x_0} 0 = 0$。
由于 $x_0 eq 0$,这两个极限不相等,所以 $lim_{x o x_0} f(x)$ 不存在。

因此,对于狄利克雷函数乘以 $h(x)=x$,结果函数 $f(x)$ 在 $x=0$ 处连续,但在所有其他点 $x eq 0$ 处都不连续。

结论的细化:

如果一个函数 $g(x)$ 是处处不连续的,并且我们将其乘以一个非零连续函数 $h(x)$:

1. 如果 $h(x)$ 在某一点 $x_0$ 处的值是 0 ($h(x_0)=0$):那么 $f(x_0) = g(x_0) cdot h(x_0) = g(x_0) cdot 0 = 0$。
同时,如果 $lim_{x o x_0} g(x)$ 存在且有限(即使不等于 $g(x_0)$),那么 $lim_{x o x_0} f(x) = lim_{x o x_0} g(x) cdot h(x) = (lim_{x o x_0} g(x)) cdot (lim_{x o x_0} h(x)) = (lim_{x o x_0} g(x)) cdot 0 = 0$。
在这种情况下,$f(x)$ 在 $x_0$ 处可能连续。狄利克雷函数乘以 $x$ 的例子就是这样。
更普遍地说,如果 $g(x)$ 在 $x_0$ 处的“不连续”是可以被 $h(x_0)=0$ 这种方式“抵消”的(例如,即使 $lim_{x o x_0} g(x)$ 不存在,但如果 $g(x)$ 的值在 $x_0$ 附近的邻域是有限的,乘上一个趋向于 0 的函数就有可能使整体趋于 0)。

2. 如果 $h(x)$ 始终非零 ($h(x) eq 0$ 对于所有 $x$):
那么 $f(x_0) = g(x_0) cdot h(x_0)$。
我们考察 $lim_{x o x_0} f(x) = lim_{x o x_0} g(x) cdot h(x)$。
因为 $h(x)$ 在 $x_0$ 处连续且非零,所以 $lim_{x o x_0} h(x) = h(x_0) eq 0$。
如果 $g(x)$ 在 $x_0$ 的极限 $lim_{x o x_0} g(x)$ 不存在(如狄利克雷函数在所有点的情况),那么 $g(x) cdot h(x)$ 的极限很可能也不存在。
在这种情况下,$f(x)$ 在 $x_0$ 处不连续。

总结:

处处不连续的函数乘以一个非零连续函数,结果是 不一定连续。
在“处处不连续”的函数本身有某种“可以被乘法抵消”的性质(例如狄利克雷函数),并且非零连续函数的值在某一点为零时,乘积才可能在该点连续。
如果乘以的是一个始终严格非零的连续函数,那么即使原函数只是在某个点不连续,结果函数通常也会在该点不连续。如果原函数是处处不连续(例如,在所有点极限都不存在),那么结果函数很可能在所有点都不连续。

所以,问题的关键在于“处处不连续”的具体表现形式以及非零连续函数是否在某些点取值为零。如果说“处处不连续”指的是例如狄利克雷函数那样,在每一点的极限都不存在,那么乘以一个始终非零的连续函数,结果几乎肯定会在所有点都不连续。而如果允许“处处不连续”包含可以被乘法修复的间断点,并且乘以的函数在某些点为零,那么结果就可能变得连续。

希望这个详细的解释能够帮助您理解这个问题!

网友意见

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谢邀。


研究处处,其实就是研究在每一个点上的情况。

证:设 f 在 x₀ 处不连续,g 在 x₀ 处连续,且

由 f 的非连续性可知,存在两个以 x₀ 为极限的序列,包含在 x₀ 的一个充分小邻域内,设

(允许 ε₀ = + ∞)

现在研究 f(x)g(x) 在 x₀ 处的连续性:利用三角不等式放缩易得,f(x)g(x) 在 x₀ 处存在两个极限不一样的序列,

当f(α_n)有界时

当f(α_n)无界时,上式也是严格大于0

故 f(x)g(x) 在 x₀ 处不连续。

Q.E.D

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