“连续”很好理解,比如不提笔画出来的曲线就是连续的,如下图所示。
那在数学中应该如何定义“连续”呢?观察下图左侧和下图右侧中的两条曲线,想象在这两条曲线上有一只蚂蚁想从点爬行到点,那么这只蚂蚁需要水平移动,以及竖直移动(下图左侧和下图右侧中的,表示点的蚂蚁与点的横向差距,可以是正,也可以是负。,表示点的蚂蚁与点的纵向差距,可以是正,也可以是负)。在下图左侧中的连续曲线上,蚂蚁在两个方向上的移动都不大,因此可以到达目的地。而在下图右侧中的不连续曲线上,蚂蚁在竖直方向上的移动非常大,因此没有能力到达目的地。
根据上述对蚂蚁移动的观察,可以得出“连续”的第一种定义方式:
设函数在点的某一邻域内有定义,令:
如果那么就称函数在点 连续 。
举例解释下上述定义。先来看看上图左侧中在点连续的曲线,为了方便比较,这里去掉蚂蚁后将之重新绘制在下图左侧中,其中的点对应的函数值为,点对应的函数值为;与之间相差,与之间相差。而下图右侧中展示了,随着会有,即,此时我们说该曲线在点连续。
再来看看一开始右侧图中在点不连续的曲线,为了方便比较,也是去掉蚂蚁后将之重新绘制在下图左侧中。根据下图右侧中展示可以看到,随着不会有,此时我们说该曲线在点不连续。
连续还有另外一种常用的等价定义:
设函数在点的某一邻域内有定义,若就称函数在点 连续 。
举例解释下上述定义,比如下图左侧中在点连续的曲线,确实有。而比如下图中间和下图右侧中在点不连续的曲线,或者有,或者不存在。
如果有,那么就说函数在点 左连续 ;有,那么就说函数在点 右连续 。
比如下图左侧,有,所以函数在点是左连续的;而,所以函数在点不是右连续的。同样的道理,下图右侧中的函数在点不是左连续的,是右连续的。需要强调的是,这两幅图看着很相似,不同之处在于对应的函数值。
左连续且右连续是连续的充要条件,即:
上下移动上图左侧、上图右侧中断开的曲线,直至,就可以得到下图中在点连续的曲线,容易理解此时该曲线在点左连续且右连续,这就是上述定理的几何意义。
在区间上每一点都连续的函数,叫做在该区间上的 连续函数 ,或者说函数在该区间连续。如果区间包括端点,那么函数在右端点连续是指左连续,在左端点连续是指右连续。
比如上一节证明了,故函数在整个定义域上是连续函数,如下图所示。
再比如下图中的函数是闭区间上的连续函数,其在点右连续,在点()连续,在点左连续。