Hàm liên tục

Trong toán học, một hàm liên tục hay hàm số liên tục là một hàm số không có sự thay đổi đột ngột trong giá trị của nó, gọi là những điểm gián đoạn. Chính xác hơn, thay đổi rất ít đầu vào của hàm liên tục thì sự chênh lệch của đầu ra cũng nhỏ tùy ý. Một hàm số không liên tục còn gọi là hàm gián đoạn. Đến trước thế kỷ 19, các nhà toán học phần lớn sử dụng những khái niệm liên tục mang tính cảm tính, dẫn đến những nỗ lực chặt chẽ hóa nó như là định nghĩa epsilon–delta.

Khái niệm liên tục là một trong những khái niệm trung tâm của vi tích phân và giải tích toán học, từ các hàm số thực và phức cho tới các hàm trong không gian metric và không gian topo. Định nghĩa liên tục của không gian topo mang tính tổng quát nhất, đồng thời là cơ sở của tô pô học.

Lịch sử
Dạng định nghĩa epsilon-delta được đề cập đầu tiên bởi Bernard Bolzano năm 1817. Định nghĩa liên tục ban đầu liên quan đến giới hạn được đưa ra bởi Augustin-Louis Cauchy. Cauchy định nghĩa liên tục của f như sau: Một sự tăng vô cùng nhỏ của biến độc lập x luôn luôn là một sự thay đổi tăng vô cùng nhỏ của f(x). Cauchy định nghĩa trên một lượng vô cùng nhỏ của biến, định nghĩa của ông ta rất gần với định nghĩa của chúng ta sử dụng ngày nay.

Định nghĩa chính thức của sự liên tục điểm và liên tục đều được đưa ra đầu tiên bởi Bolzano vào năm 1830 nhưng điều đó không được công bố mãi đến năm 1930. Giống với Bolzano, Karl Weierstrass không công nhận sự liên tục của hàm số tại một điểm nếu giới hạn ở hai phía không tồn tại, nhưng Édouard Goursat đưa ra định nghĩa liên tục khi chỉ tồn tại giới hạn một bên, và Camille Jordan đưa ra định nghĩa khi hàm chỉ xác định tại duy nhất điểm đó, và cả ba định nghĩa này vẫn được sử dụng cho tới ngày nay, dù không tương đương nhau. Eduard Heine đưa ra khái niệm về sự liên tục đều lần đầu tiên vào năm 1872, dựa trên các bài giảng của Johann Peter Gustav Lejeune Dirichlet vào năm 1854.

Hàm số thực
Định nghĩa

Một hàm số thực, ở đây nghĩa là hàm số từ tập số thực đến tập số thực, có thể được biểu diễn bằng đồ thị trong mặt phẳng tọa độ; một hàm số như thế là liên tục nếu, nói đại khái, đồ thị của nó là một đường duy nhất không bị đứt gãy chạy trên toàn tập số thực. Một định nghĩa chính xác hơn được đưa ở dưới.

Định nghĩa chặt chẽ cho tính liên tục của hàm số thực thường sử dụng khái niệm giới hạn. Hàm số theo biến được gọi là liên tục tại điểm trên trục số thực nếu giới hạn của khi tiến tới , bằng giá trị ; và hàm số được gọi là liên tục nếu nó liên tục tại mọi điểm. Một hàm số được gọi là gián đoạn tại một điểm khi nó không liên tục tại điểm đó. Những điểm này gọi là các điểm gián đoạn.

Có một số cách hiểu khác nhau cho tính liên tục của hàm số. Do đó, khi sử dụng khái niệm liên tục, cần phải cẩn thận coi ý nghĩa liên tục nào được dùng. Khi nói một hàm số là liên tục, người ta có thể mang một trong các ý nghĩa sau:
Hàm số liên tục tại mọi điểm trong tập xác định của nó. Theo nghĩa này, hàm số liên tục trên tập xác định là tất cả số thực , số nguyên bất kỳ.
Tại giá trị biên của tập xác định, chỉ xét giới hạn một bên. Ví dụ, hàm số }}, với tập xác định là các số thực không âm, chỉ có giới hạn bên phải tại 0}}. Trong trường hợp này chỉ cần giới hạn một bên của hàm số bằng giá trị của hàm số, tức có thể coi là liên tục trên toàn bộ tập số thực không âm.
Hàm số liên tục tại mọi số thực. Theo nghĩa này, hai hàm số nêu trên không liên tục, còn các hàm đa thức, hàm sin, cosin, và hàm mũ đều liên tục.

Sử dụng ký hiệu toán học, có vài cách để định nghĩa hàm liên tục theo một trong ba cách hiểu nói trên.

Đặt là hàm số định nghĩa trên một tập con của tập số thực . Tập con này là tập xác định của . Một số khả năng cho bao gồm:
:D = \mathbf R \quad ( là toàn bộ tập số thực), hoặc với các số thực , ,
:D = [a, b] = \{x \in \mathbf R \,|\, a \leq x \leq b \} \quad ( là một khoảng đóng), hay
:D = (a, b) = \{x \in \mathbf R \,|\, a ( là một khoảng mở).

Trong trường hợp là một khoảng mở, và không phải là giá trị biên của tập xác định, và các giá trị và không ảnh hưởng đến tính liên tục của trên .

Định nghĩa liên tục theo giới hạn của hàm
Hàm f gọi là liên tục tại điểm c trên miền xác định nếu giới hạn của f(x) khi x tiến dần về c tồn tại và bằng giá trị của f(c). Ta viết:

\underset{x\rightarrow c}{\lim}f(x)=f(c)

hay chính là 3 điều kiện sau: 1 là f xác định tại c, 2 là giới hạn bên vế trái là tồn tại, thứ 3 là giá trị của giới hạn phải bằng f(c).

Hàm f là liên tục nếu liên tục tại mọi điểm trong miền xác định.

Định nghĩa theo giới hạn của dãy
Cho dãy (x_{n})_{n\in\mathbb{N}} bất kì trên miền xác định hội tụ về c, thì tương ứng dãy (f(x_{n}))_{n\in\mathbb{N}} hội tụ về f(c)

Định nghĩa liên tục theo epsilon–delta
Cho số thực bất kỳ \varepsilon>0, tồn tại số thực \delta>0 sao cho với mọi x trong miền xác định của f với c-\delta, giá trị của f(x) thỏa

f(c)-\varepsilon

Liên tục của f\,:\, I\rightarrow\mathbb{R} tại c là với mọi \varepsilon>0, tồn tại \delta>0 sao cho với mọi x\in I

\vert x-c\vert

Ví dụ

Hàm
f(x)=\frac{2x-1}{x+2}
liên tục trên miền xác định \mathbb{R\backslash}\{-2\}
Phản ví dụ

\sgn(x) = \begin{cases}
1,x > 0\\
0,x = 0\\
-1,x

Ví dụ về hàm không liên tục với \varepsilon=\frac{1}{2}, lấy với mọi y\neq0, khi đó không tồn tại \delta>0\,:\,\vert y-0\vert=\vert y\vert sao cho \vert f(y)-f(0)\vert= vì \vert f(y)-f(0)\vert=1\,\forall y\neq0

Tính chất
Định lý giá trị trung gian
Cho f\,:\,[a,b]\rightarrow\mathbb{R} là liên tục, giả sử s nằm giũa f(a) và f(b). Khi đó tồn tại ít nhất một c\in[a,\, b] sao cho f(c)=s.

Ví dụ như một đứa trẻ từ khi 4 tuổi đến khi 8 tuổi, chiều cao tăng từ 1m đến 1.5m, khi đó sẽ có 1 thời điểm nào đó trong khoảng 4 tuổi đến 8 tuổi, đứa trẻ cao 1.2m

Định lý giá trị cực biên
Cho khoảng [a,\, b] (khoảng đóng và bị chặn) và f\,:\, [a,\, b]\rightarrow\mathbb{R} là liên tục, khi đó f có giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất trên [a,\, b], hay tồn tại c,\, d\in [a,\, b] sao cho f(c)\leq f(x)\leq f(d) với mọi x\in [a,b].

Định lý điểm cố định
Cho a, f\,:\,[a,\, b]\rightarrow[a,\, b] liên tục, khi đó tồn tại ít nhất một c\in[a,\, b] sao cho f(c)=c.

Quan hệ với tính khả tích và khả vi
Mọi hàm f\,:\,(a,b)\rightarrow\mathbb{R} khả vi đều liên tục, điều ngược lại không đúng.

Ví dụ hàm trị tuyệt đối

f(x)=|x| = \begin{cases}
x, x \geq 0\\
-x, x
là liên tục trên \mathbb{R} nhưng không khả vi tại 0.

Đạo hàm f^{'}(x) của hàm khả vi f(x) không nhất thiết phải liên tục, nếu có đạo hàm liên tục thì ta gọi là khải vi liên tục. Tập các hàm này không gian hàm C^{1}(a,b).

Xét tập các hàm

f\,:\,\Omega\rightarrow\mathbb{R}

Trong đó \Omega là tập con mở trong \mathbb{R} sao cho hàm f khả vi liên tục đến bậc k.

Tập các hàm này là không gian C^{k}(\Omega).

Mọi hàm

f\,:\,[a,\, b]\rightarrow\mathbb{R}

đều khả tích, điều ngược lạ không đúng, ví dụ như hàm \operatorname{sign}(x)

Liên tục đều
Giả sử \Omega là tập con của \mathbb{R} khi đó

f\,:\,\Omega\rightarrow\mathbb{R}

liên tục đều trên \Omega nếu với mọi \epsilon >0 cho trước tồn tại \delta >0 chỉ phụ thuộc vào \epsilon sao cho \vert x-x'\vert, \forall x,\, x^{'}\in\Omega thì

\vert f(x)-f(x')\vert

Ví dụ như hàm y=\sin(x) và y=x

liên tục hội tụ về hàm không liên tục]]
Hội tụ của dãy hàm liên tục
Cho dãy (f_{n})_{n\in\mathbb{N}}\,:\, I\rightarrow\mathbb{R}

các hàm liên tục sao cho

f(x) = \lim_{n \rightarrow \infty} f_n(x)

tồn tại với mọi x\in I, khi đó hàm f(x) là giới hạn từng điểm của hãy (f_{n})_{n\in\mathbb{N}}, hàm f không nhất thiết liên tục cho dù f_n là liên tục.

Tuy nhiên nếu f liên tục, khi đó dãy (f_{n})_{n\in\mathbb{N}} hội tụ đều

Hàm không liên tục mọi nơi
Là hàm không liên tục tại mọi điểm trên miền xác định.
Hàm Dirichlet

Cho c và d là hai số thực(thường lấy c=1 và d=0), định nghĩa bởi

::D(x)=\begin{cases}
c, x\in \mathbb{Q}\\
d, x\notin \mathbb{Q}
\end{cases}
là không liên tục mọi nơi, hàm có thể phân tích thành

D(x)=\underset{m\rightarrow\infty}{\lim}\underset{n\rightarrow\infty}{\lim}\cos^{2n}(m!\pi x)
Nếu E là tập con bất kì của không gian tô pô X sao cho cả E và phần bù của E trù mật trong X sẽ không liên tục mọi nơi. Hàm này được nghiên cứu đầu tiên bởi Peter Gustav Lejeune Dirichlet.

Liên tục trên không gian mêtric
Định nghĩa
Liên tục trên không gian mê tric với định nghĩa:

Cho (X,d_1) và (Y,d_2) là 2 không gian mê tric.

Ánh xạ f\,\,:\, (X,d_1)\,\rightarrow\, (Y,d_2) liên tục tại x \in X nếu

\forall\varepsilon>0,\,\exists\sigma>0,\, d_{1}(x,y)\,

hay với mọi B(f(x),\varepsilon) tâm tại f(x) khi đó \exists B(x,\sigma) tâm tại x sao cho

f(B(x,\sigma))\subset B(f(x),\varepsilon).
Tính chất
Cho (X,\, d) là không gian mêtric, A là tập con của X thì f_{A}\,:\, X\rightarrow\mathbb{R} với f_{A}(x)=d(\{x\},\, A) là liên tục.

Liên tục Lipchitz
Cho hai không gian mêtric (X,d_{X}) và (Y,d_{Y}) với d_{X} là mêtric trên X và d_{Y} là mêtric trên Y.

f\,:\, X\rightarrow Y là liên tục Lipchitz nếu tồn tại hằng số K\geq0 sao cho với mọi x_{1},\, x_{2}\in X

d_{Y}(f(x_{1}),\, f(x_{2}))\leq K\, d_{X}(x_{1},\, x_{2})
Ví dụ
Hàm f(x)=\sqrt{x^{2}}+5 liên tục Lipchitz với K=1.
Liên tục Holder
Cho X và Y là hai không gian mêtric, f là hàm từ X vào Y.

Hàm f là liên tục Cauchy nếu và chỉ nếu cho dãy Cauchy bất kì (x_{1},x_{2},...) trong X, dãy (f(x_{1}),\, f(x_{2}),\,...) là dãy Cauchy trong Y.

Mọi hàm liên tục đều thì liên tục Cauchy, liên tục Cauchy là liên tục.
Nếu X là không gian đầy đủ, thì mọi hàm liên tục trên X là liên tục Cauchy.

ví dụ
Trên đường thẳng thực \mathbb{R} liên tục cũng chính là liên tục Cauchy.

Hàm f(x)=0 khi x^{2} và f(x)=1 khi x^{2}>2 với mọi số hữu tỉ x. Hàm này liên tục trên \mathbb{Q} nhưng không liên tục Cauchy

Liên tục trong không gian tô pô

Nghiên cứu về không gian Tô pô, ta có nhiều khái niệm khác nhau về quan hệ giữa các không gian tô pô với nhau và giữa các không gian con của chúng. Ta muốn xem xét hàm đưa một không gian tô pô vào không gian tô pô khác, Tính liên tục của là một trong những khái niệm cốt lõi của không gian tô pô, được mô tả trực quan tính sinh động trong không gian hình học.

Định nghĩa

Cho X và Y là hai không gian tô pô. Ánh xạ f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Y là liên tục tại điểm x trong X nếu mọi tập mở V trong Y chứa f(x) thì có tập mở U của X chứa x sao cho f(U) chứa trong V. Ta nói f liên tục trên X nếu nó liên tục tại mọi điểm trên X.
Lân cận của điểm x \in X là tập con của X chứa tập mở chứa x. Lân cận không cần phải mở.
f liên tục tại x nếu mọi tập mở V chứa f(x) thì tập f^{-1}(V) là lân cận của x.

Định lý
Ánh xạ là liên tục nếu và chỉ nếu ảnh ngược của tập mở là tập mở. Hay f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Y liên tục khi và chỉ khi với mọi V mở trong Y thì f^{-1}(V) mở trong X.

::Chứng minh

::(\Rightarrow) Giả sử rằng f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Y là liên tục. Cho U là tập mở trong Y. Cho x \in f^{-1}(U). Vì f liên tục tại x và U là lân cận mở của f(x) thì có mở V_x chứa x sao cho V_x chứa trong f^{-1}(U). Do đó f^{-1}(U)=\cup_{x\in f^{-1}(U)}V_{x} là mở.

::(\Leftarrow) Giả sử rằng ảnh ngược của mọi tập mở là tập mở. Cho x \in X, U là lân cận mở của f(x). Khi đó V=f^{-1}(U) là tập mở chứa x, và f(V) chứa trong U. Vì thế f liên tục tại x.

Một số tính chất và mệnh đề
Ánh xạ là liên tục nếu và chỉ nếu ảnh ngược của tập đóng là tập đóng.
Cho X và Y là hai không gian tô pô và \mathbb{B} là cơ sở của tô pô trên Y. Khi đó f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Y liên tục nếu và chỉ nếu f^{-1}(B) là mở trong X với mọi B \in \mathbb{B}.
Cho \mathbb{R} với tô pô định chuẩn. Khi đó mọi hàm đa thức p\,:\,\mathbb{R}\,\rightarrow\,\mathbb{R} với p(x)\,=a_{n}x^{n}+...+a_{1}x+a+0 là liên tục.
Giả sử f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Y là liên tục. Nếu dãy (x_{1},\, x_{2},\,...) trong X hội tụ về x khi đó dãy (f(x_{1}),\, f(x_{2}),\,...) trong Y hội tụ về f(x).
Cho f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Y và g\,\,:\, Y\,\rightarrow\, Z liên tục. Khi đó hàm hợp g\,\circ\, f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Z là liên tục.
Cho X, Y là hai không gian tô pô, A là không gian con của X. Cho f\,:\, X\rightarrow Y liên tục. Khi đó f|_{A}\,:\, A\rightarrow Y liên tục.

Liên tục trong không gian tô pô liên thông trên Y thỏa mãn yêu cầu này. Đây là tôpô thô nhất thỏa mãn yêu cầu làm f liên tục.

::Mặt khác, họ \{U\subset Y\,|\,\, f^{-1}(U)\in\tau_{X}\} là tô pô thực sự trên Y. Đây là tôpô mịn nhất thỏa yêu cầu.

Cho X là một tập, (Y,\tau_{Y}) là không gian tô pô, và f\,\,:\, X\,\rightarrow\, Y là ánh xạ. Chúng ta muốn tìm tôpô trên X sao cho f liên tục.

::Yêu cầu của \tau_{X} là nếu U \in \tau_{Y} thì f^{-1}(U) \in \tau_{X}.

::Tôpô rời rạc trên X là tôpô mịn nhất thỏa mãn yêu cầu.

::Ta có thể thấy xa hơn rằng nếu họ S_Y sinh ra \tau_{Y} thì \tau_{X} được sinh bởi họ \{f^{-1}(U)\,|\,\, U\in S_{Y}\}.

Đồng phôi

Ánh xạ đi từ một không gian tôpô vào không gian tôpô khác được gọi là phép đồng phôi nếu nó là song ánh, liên tục và ánh xạ ngược cũng liên tục.
Hai không gian gọi là đồng phôi, thường viết là X\approx Y, nếu có một phép đồng phôi từ không gian này vào không gian kia.

Đồng luân====

Định nghĩa: Một biến đổi đồng luân giữa hai ánh xạ liên tục f và g từ không gian tô pô X vào không gian tô pô Y được định nghĩa là ánh xạ H:\, X\times[0,1]\rightarrow Y từ tích của không gian X với đoạn đơn vị [0,1] vào Y sao cho với mỗi x thuộc X ta có H(x,0)=f(x) và H(x,1)=g(x).
Nếu ta nghĩ tham số thứ hai của H như là "thời gian", khi đó H mô tả một biến đổi liên tục ánh xạ f thành ánh xạ g: tại thời điểm 0 ta có ánh xạ f và tại thời điểm 1 ta có ánh xạ g.
Đồng luân là một quan hệ tương đương trên tập các ánh xạ liên tục từ X vào Y. Quan hệ đồng luân này tương thích với phép hợp thành của 2 ánh xạ theo nghĩa nếu f_{1},\, g_{1}\,:\, X\rightarrow Y là đồng luân và f_{2},\, g_{2}\,:\, Y\rightarrow Z là đồng luân, khi đó hợp thành của chúng f_{2}\circ f_{1} và g_{2}\circ g_{1}:Y\rightarrow Z là đồng luân
Ví dụ
::Ví dụ 1: Cho f\,:\,(\mathbb{R},\tau)\rightarrow(\mathbb{R}, \text{Euclid}) là ánh xạ biến

::f\,:\, x\rightarrow x^{2}

::Ta thấy \tau=\{(a,b)|a,b\in\mathbb{R}\} là tô pô mịn nhất sao cho f liên tục.

::Ví dụ 2: Mặt phẳng đồng phôi với nửa mặt phẳng và đồng phôi với đĩa tròn

::Ví dụ 3: Một biến đổi đồng luân

Tham khảo

Liên kết ngoài

Continuity
Colin Adam và Robert Franzosa Introduction to topology pure and applied

Gregory L. Naber Topology, Geometry and Gauge fields: Foundations
Topics in a Topology Coursel