数学分析 邻域与去心邻域

如题所述

数学分析:邻域与去心邻域。

哪些概念建立是在“点x的邻域”,哪些概念的建立又是在“点x的去心邻域”之上的。

网上的许多资料中对两者的区别讲得较为简单,也就是所谓的从区间中“刨去一个点”,我们可以用下面两张图简单地表示:

我们知道,以a为中心的邻域是用来刻画与a接近的程度,那么以a为中心的去心邻域刻画的是什么呢?

是与a接近的趋势。我们如何理解这个概念?我们又如何区分这两者对应的数学定义呢?下面笔者尝试用一些例子为你解释:

一、为什么函数极限的定义要求邻域去心

我们在描述x→x0这个趋近的过程时,描述的就是x→x0表示的就是由x向x0无限接近的过程,但这个过程中我们有x≠x0。

为了体现了x→x0但不相等的这个过程,我们将函数极限的定义取作去心邻域,让x无法取得x0的值。

如此一来,函数极限的定义就变得更为广泛,即使f(x)在x0处没有意义也可以求极限。也就是说,函数在x0处的极限只和函数在该点附近有关,与函数在该点是否有定义可以没有关系。

由此,我们建立了函数极限的定义,于此衍生出来的局部有界性、局部保序性、夹逼定理也自然都是在去心邻域内建立的了。

二、为什么函数连续的定义不要求邻域去心

在上面的分析中我们知道,函数在x0处的极限只和函数在该点附近有关,与函数在该点是否有定义可以没有关系。

因此,在一段函数图像上,点x处的邻域就可以被拆分成点x与点x的去心邻域两个部分。于是我们很自然地就得到了,要使得一段函数图像连续,那么点x处就必须与它对应的去心邻域结合成一个整体。

上面的分析中,我们知道去心邻域对应的就是点x处的极限值,而点x处对应的就是函数值,如此一来,要将他们联系成一个整体,只需要让函数值等于极限值即可。

由此,我们建立了函数连续的定义,自然就可以使用连成一个整体的邻域了,以此类推,可导概念的建立也自然就是使用邻域了。

三、为什么归结原则要求邻域去心

归结原则的定义中提到了去心邻域,假如我们不去心会怎样呢?

首先,我们在上面的分析中知道,极限值等于函数值是函数连续的定义。也就是说,对于较一般的函数来说,极限值并不一定等于函数值。在上述定义中就有可能出现,a点为间断点的情况。

其次,收敛于a的数列有可能可以取到a,也有可能永远取不到a。

结合以上两点举个例子,数列an=1/n和数列bn=0都是收敛于0的数列,若f(x)是一个在x=0处间断(函数值跳跃/无定义)的函数,那么我们可以得到,当n趋于无穷时f(an)不一定等于f(bn)。

在这里我们发现了邻域与去心邻域的不同,我们可以简单理解成邻域与去心邻域对函数连续的要求条件不同。邻域比去心邻域对函数连续性的要求更强。

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