Przeczytaj
Rozpoczniemy od wprowadzenia intuicji stojącej za pojęciem ciągłości funkcji: Funkcję nazywamy ciągłą, gdy jej wykres można narysować bez odrywania ołówka od kartki. Choć przytoczone kryterium nie może służyć jako formalna definicja ciągłości, pozwala natychmiast ocenić ciągłość poszczególnych przykładów.
Dana jest funkcja , której wykres znajduje się poniżej.
Zauważamy bez trudu, że wykres funkcji można narysować nie odrywając ołówka od kartki.
Pokażemy teraz dwa sztandarowe przykłady nieciągłości funkcji.
(Nieciągłość typu „skok”Nieciągłość typu „skok”.)
Podamy przykład funkcji nieciągłej. Dana jest funkcja o następującym wykresie.
Zaczynając rysować wykres od strony lewej nie napotkamy żadnych problemów aż do punktu . W tym miejscu ołówek rysujący wykres musi wykonać „skok”, podczas którego zostanie oderwany od podłoża.
(Nieciągłość typu „luka”Nieciągłość typu „luka”.)
Pokażemy teraz inny przykład nieciągłości. Dana jest funkcja o wykresie
Podobnie jak w poprzednim przykładzie, kłopotliwy jest jedynie punkt . Tym razem, problem stanowi jednak „luka”, którą rysujący wykres ołówek zmuszony jest przeskoczyć.
Podane powyżej przykłady nie wyczerpują wszystkich przypadków funkcji nieciągłych. Okazuje się jednak, że wystarczają do tego, by wprowadzić w pełni poprawną definicję ciągłości funkcji określonej na przedziale.
Wpierw zajmijmy się problemem nieciągłości typu „skok”. Zobaczmy, że funkcja z Przykładu 2 nie posiada granicy w punkcie , w przeciwieństwie do funkcji ciągłej z Przykładu 1, która posiada granicę w każdym punkcie swojej dziedziny.
Przykład 3 pokazuje nam jednak, że istnienie granicy może nie wystarczyć. Funkcja opisana w Przykładzie 3 posiada w punkcie granicę, lecz nie jest ciągła. Jest to spowodowane tym, że granica funkcji w punkcie nie pokrywa się z wartością funkcji w tym punkcie, tj.
Zobaczmy, że taka sytuacja nie ma miejsca w Przykładzie 1.
Powyższe rozważania prowadzą nas do następującej definicji.
Funkcję : nazywamy ciągłą, gdy dla każdego
istnieje granica (dla prawostronna, zaś dla lewostronna) funkcji w punkcie oraz
granica ta wynosi .
Przypomnijmy w tym miejscu definicję ciągłości funkcji w punkcie.
Funkcja : jest ciągła w punkcie , gdy dla każdego ciągu elementów zbieżnego do zachodzi
Nietrudno zauważyć, że funkcja z Przykładu 1 jest ciągła w każdym punkcie swojej dziedziny. Inaczej rzecz się ma z funkcjami z Przykładów 2 oraz 3. Obie funkcje nie są ciągłe w punkcie . Prowadzi nas to do dość oczywistej definicji.
Mówimy, że funkcja jest ciągła, gdy jest ciągła w każdym punkcie swojej dziedziny.
Mówimy, że funkcja jest nieciągła, gdy nie jest ciągła. Definicja ta wydaje się być oczywista. Przypomnijmy jednak ciekawy przykład, który usprawiedliwi tę z pozoru banalną definicję
Przytoczymy dwie znane definicje.
Funkcję nazywamy parzystą, gdy jej wykres jest symetryczny względem osi .
Funkcję nazywamy nieparzystą, gdy jej wykres jest symetryczny względem początku układu współrzędnych.
Łatwo się przekonać, że wykres funkcji nie jest symetryczny względem osi . Funkcja ta nie jest zatem parzysta. Nie jest jednak nieparzysta, gdyż wykres nie jest symetryczny również względem początku układu współrzędnych.
Otrzymujemy zatem, że funkcja, która nie jest parzysta nie musi być nieparzysta. Analogiczna sytuacja nie może mieć miejsca w przypadku ciągłości funkcji. Innymi słowy, każda funkcja jest albo ciągła, albo nieciągła.
Zwróćmy uwagę, że zaprzeczeniem zdania:
Funkcja jest ciągła w każdym punkcie.
jest
Funkcja nie jest ciągła w przynajmniej jednym punkcie.
Jest to bardzo istotne, gdyż dzięki tej obserwacji otrzymujemy, że jeżeli funkcja nie jest ciągła choćby w jednym tylko punkcie, to jest ona nieciągła.
Podamy przykład funkcji ciągłej, która wymyka się podanej na początku, intuicyjnej definicji. Dana jest funkcja o następującym wykresie
Możemy z łatwością zaobserwować, że funkcja jest ciągła w każdym punkcie swojej dziedziny. Nie jest jednak możliwe, by narysować wykres funkcji bez odrywania ołówka od kartki.
Kolejny przykład może się wydawać równie zaskakujący jak poprzedni.
Pokażemy przykład funkcji ciągłej, której wykres wydaje się rozrywać. Dana jest funkcja . Jej dobrze znany wykres
„rozrywa się” w punkcie . Powstaje jednak niemały problem. Dziedziną funkcji jest zbiór , a więc funkcja w ogóle nie jest określona w zerze. Tym bardziej nie może być tam ciągła lub nieciągła. Jeżeli zaś weźmiemy jakikolwiek inny punkt , to bez trudu zauważymy, że funkcja jest ciągła w tym punkcie.
Nie ulega więc wątpliwości, że funkcja jest ciągła jako funkcja ciągłafunkcja ciągła w każdym punkcie swojej dziedziny.
Powyższe przykłady pokazują, że przy sprawdzaniu ciągłości funkcji, która nie jest określona na przedziale trzeba zachować szczególną ostrożność. Najskuteczniejszą metodą jest próbowanie znalezienia konkretnego punktu, w którym rozważana funkcja jest nieciągła. Jeżeli taki punkt nie istnieje, funkcja jest ciągła.
Pokażemy, że funkcja z przykładu 5 staje się nieciągła, gdy tylko włączymy zero do jej dziedziny. Rozważamy funkcję
.
Teraz funkcja jest już określona dla wszystkich liczb rzeczywistych, w tym dla punktu . Wykres wciąż rozrywa się w zerze.
Tym samym funkcja jest nieciągła w zerze. Co za tym idzie, jest ona nieciągła. Zwróćmy uwagę, że nie da się przyjąć żadnej wartości w punkcie tak, by funkcja była ciągła.
Słownik
funkcja ciągła w każdym punkcie dziedziny
funkcja, która w pewnym punkcie swej dziedziny posiada skończone, lecz różne granice lewostronną i prawostronną
funkcja, która w pewnym punkcie swej dziedziny posiada granicę różną od wartości funkcji w tym punkcie