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Archivi giornalieri: 2 aprile 2021

Funzione continua

Funzione continua 

In matematica,

una funzione continua è una funzione che, intuitivamente, fa corrispondere ad elementi sufficientemente vicini del dominio elementi arbitrariamente vicini del codominio.

Esistono diverse definizioni di continuità, corrispondenti ai contesti matematici in cui vengono utilizzate:

la continuità di una funzione è uno dei concetti di base della topologia e dell’analisi matematica.

La continuità di una funzione può essere definita anche in modo locale:

in questo caso si parla di

continuità in un punto del dominio.

Una funzione continua è, per definizione, continua in ogni punto del proprio dominio.

Una funzione che non è continua è detta discontinua,

e

i punti del dominio in cui non è continua sono detti punti di discontinuità.

°°°°°

Per esempio,

la funzione che descrive l’altezza di un uomo rispetto alla sua età può essere vista come una funzione continua:

in periodi brevi l’uomo cresce di poco.

Al contrario,

la funzione che rappresenta la quantità di denaro presente in un conto corrente nel tempo è una funzione discontinua, poiché prelievi e depositi le fanno fare salti da un valore all’altro.

Definizioni

La continuità di una funzione è un concetto topologico, e quindi la definizione generale di funzione continua si sviluppa con funzioni tra spazi topologici.

Lo stesso concetto è però usato in ambiti meno generali, soprattutto per quanto riguarda il suo utilizzo in analisi matematica: è spesso presentata la definizione di continuità solo per funzioni tra spazi metrici, o ancora, solo per funzioni di una variabile reale.

Funzioni reali

Il grafico della funzione presenta un salto in x0: la funzione non è continua

Il grafico della funzione presenta un salto in x0: la funzione non è continua

Nel caso di funzioni di una variabile reale, spesso la continuità è presentata come una proprietà del grafico:

la funzione è continua se il suo grafico è formato da un’unica curva che non compia mai salti.

Sebbene questa nozione possa essere usata nei casi più semplici per distinguere funzioni continue da funzioni discontinue, non è formalmente corretta, e può portare ad ambiguità o errori.

Definizione in termini di limite di una funzione

Una funzione  si definisce continua nel punto  del suo dominio se il suo limite per  tendente a  coincide con la valutazione della funzione in , ovvero con .

In simboli:

Tale definizione è usata maggiormente

per funzioni definite su un intervallo della retta reale:

infatti,

essa ha senso solo se  è un punto di accumulazione per il dominio di .

Essa è comunque estendibile anche nel caso di domini più complicati, che comprendono punti isolati:

in essi,

  risulta continua per una “verità vuota” (dall’inglese vacuous truth).

La funzione si dice continua se è continua in ogni punto  del dominio.

Definizione epsilon-delta

Studiando la funzione nel punto p = 2 {\displaystyle p=2} , e scegliendo ε = 0.5 {\displaystyle \varepsilon =0.5} , basta scegliere δ = 0.5 {\displaystyle \delta =0.5} per far sì che tutte le immagini dei punti in ( 2 − δ , 2 + δ ) {\displaystyle (2-\delta ,2+\delta )} distino per meno di ϵ {\displaystyle \epsilon } da f ( 2 ) = 3.5 {\displaystyle f(2)=3.5}

Studiando la funzione nel punto , e scegliendo , basta scegliere  per far sì che tutte le immagini dei punti in  distino per meno di  da 

Una funzione

definita su un sottoinsieme  dei numeri reali a valori reali si dice continua in un punto 

se per ogni numero , esiste un secondo numero  tale che,

 

la funzione  dista da  per meno di , ovvero:

In linguaggio simbolico, una funzione è continua in un punto  se:

Se questa proprietà vale per ogni punto nel dominio di definizione della funzione, allora si dice che la funzione è continua.

In questo caso si dice che

che è l’insieme delle funzioni continue a valori reali e variabili in .

Più intuitivamente,

se si vuole che la funzione  disti di un valore piccolo da  ci basta restringerci ad un intorno abbastanza piccolo del punto .

Se questo è possibile qualunque sia la distanza scelta

(a meno di restringere ulteriormente l’intorno di ),

allora la funzione è continua in .

Questa definizione è equivalente a quella data in precedenza:

essa è costruita dalla prima semplicemente esplicitando la definizione di limite di una funzione.

È stata usata per la prima volta da Cauchy.

Funzioni tra spazi topologici

f è continua in un punto x ∈ X se (e solo se) per ogni intorno V di f(x) esiste un intorno U di x tale che f(U) ⊆ V. Intuitivamente, per quanto sia piccolo V esiste sempre un U contenente x che viene mappato in V.

f è continua in un punto x ∈ X se (e solo se) per ogni intorno V di f(x) esiste un intorno U di x tale che f(U) ⊆ V.

Intuitivamente,

per quanto sia piccolo V esiste sempre un U contenente x che viene mappato in V.

La definizione di continuità data nel caso di funzioni reali può essere generalizzata in contesti più ampi,

come quello degli spazi topologici.

Siano due spazi topologici  e sia un’applicazione.

Allora:

 si dice continua in  se  intorno di    intorno di  tale che ;

 si dice continua se  aperto in    è un insieme aperto in .

Osserviamo che altre definizioni equivalenti di funzione continua sono:

  •  è continua in ogni punto ;

  •   è aperto in  con  una base della topologia ;

  •   è aperto in  con  una prebase della topologia ;

  •  chiuso in   è chiuso in ;

  •   con  la chiusura di un sottoinsieme;

  •   con  la chiusura di un sottoinsieme.

La definizione di continuità è strettamente legata alla topologia scelta nel dominio e nel codominio:

funzioni continue con alcune scelte di topologia possono non esserlo con altre.

Per esempio,

la funzione identità è continua se lo spazio di arrivo ha la stessa topologia dello spazio di partenza,

oppure se ne ha una meno fine, ovvero con meno aperti.

Se invece lo spazio di arrivo ha una topologia più fine, con più aperti, la funzione identità non risulta continua.

Funzioni tra spazi metrici

Gli spazi metrici sono spazi topologici nei quali la topologia è generata da una base di intorni circolari.

Sia  una funzione tra due spazi metrici  e La funzione f si dice continua in un punto  se, per ogni scelta di , esiste un , tale che, per ogni punto  che dista meno di  da ,

ovvero che:

si ha che  dista per meno di  da ,

ovvero:

La definizione può essere scritta servendosi della nozione di intorno sferico

centrato in , di raggio : in questo caso,

la funzione è continua se  implica che  o,

simbolicamente:

dove  è l’insieme di definizione di .

Nel caso di funzioni reali, le definizioni coincidono se le due distanze su dominio e codominio non sono altro che il modulo della differenza tra due valori in .

Inoltre, questa definizione è valida per funzioni definite e a valori in tutti gli spazi vettoriali normati, dove la distanza sia la norma della differenza tra due punti.

In particolare, è valida in  con la norma euclidea, ed estende quindi la definizione di continuità a funzioni di più variabili.

Esempi

Una funzione cubica, espressa da un polinomio di terzo grado, è una funzione continua.

Una funzione cubica, espressa da un polinomio di terzo grado, è una funzione continua.

Sono esempi di funzioni continue:

La funzione di Heaviside presenta una discontinuità in 0.

La funzione di Heaviside presenta una discontinuità in 0.

Sono esempi di funzioni non continue:

Proprietà delle funzioni continue

Sia  una funzione continua a valori reali definita su un intervallo .

Valgono:

  • Permanenza del segno: Se in un punto  del suo dominio , allora esiste un intorno  tale che  in tutti i punti dell’intorno.

  • Teorema dei valori intermedi: se  e  sono due punti del dominio, allora  assume tutti i valori compresi fra  e .

  • Teorema di Bolzano: se  e  sono due punti del dominio tali che  (ovvero se  e  hanno segno diverso), allora esiste almeno un  tale che 

  • Teorema di Weierstrass: se l’intervallo  è chiuso e limitato, ovvero se , allora  ammette massimo e minimo, ovvero esistono due punti  e  tali che  per ogni .

Se  è una funzione continua biiettiva a valori reali definita su un intervallo,

allora

 è strettamente monotona

e

la funzione inversa  è continua e strettamente monotona.

L’implicazione non vale in generale per le funzioni il cui dominio non è un intervallo.

Sia  una funzione tra spazi metrici.

Valgono:

°°°°°

°°°°°

Sia  una funzione continua tra spazi topologici.

Valgono:

Composizione

La composizione di funzioni continue è una funzione continua,

ovvero

se  e  sono due funzioni continue,

allora anche:

è una funzione continua.

Come conseguenza di questa proprietà si hanno le seguenti:

  • La somma  di due funzioni continue è una funzione continua.

  • Il prodotto  di due funzioni continue è una funzione continua.

  • Il quoziente  di due funzioni continue è una funzione continua (nell’insieme di definizione, ovvero dove  è diversa da 0).

In generale, l’inverso non è vero:

ad esempio,

se una funzione continua è somma di due funzioni, non è detto che entrambi gli addendi siano a loro volta funzioni continue.

Ad esempio se

allora  e  non sono continue,

ma

sono entrambe continue su tutto .

Analogamente se

allora  e  non sono continue,

ma

è continua su tutto .

Successioni

L'animazione mostra una sequenza di funzioni continue che converge puntualmente a una funzione discontinua

L’animazione mostra una sequenza di funzioni continue che converge puntualmente a una funzione discontinua

Data una successione di funzioni continue  tali che il limite:

esiste finito per ogni  (convergenza puntuale), allora non è vero che  è una funzione continua.

Se però la successione converge uniformemente, allora il limite puntuale  è continuo.

Derivazione e integrazione

Una funzione derivabile (o più in generale una funzione differenziabile) in un punto  è sempre continua in quel punto.

Non è vero l’inverso:

esistono funzioni continue non derivabili, come ad esempio la funzione valore assoluto, continua in  ma non derivabile nello stesso punto.

Esistono anche funzioni a variabile reale continue in tutti i punti del dominio e non derivabili in nessuno di essi, come la funzione di Weierstrass.

Una funzione continua  è sempre integrabile secondo Riemann (e quindi anche secondo Lebesgue).

Inoltre,

  ammette sempre primitive e ogni sua primitiva è continua.

Viceversa,

non tutte le funzioni integrabili sono continue:

per esempio,

sono integrabili tutte le funzioni costanti a tratti.

Altri tipi di continuità

Continuità per successioni

Una funzione  a valori reali è continua per successioni in  se, per ogni successione  a valori nel dominio della funzione e convergente a , la successione  converge a .

Questa formulazione di continuità è dovuta ad Eduard Heine.

Una funzione continua è sempre continua per successioni, mentre, al contrario è possibile dare esempi di funzioni continue per successioni, ma non continue.

L’inverso vale solo se il dominio  è uno spazio sequenziale, come lo sono gli spazi primo-numerabili e dunque in particolare gli spazi metrici: in questo caso, quindi, le due definizioni si possono considerare equivalenti.

Continuità a sinistra e a destra

Una funzione continua a destra

Una funzione continua a destra

Una funzione reale  si dice continua a destra in  se:

dove il limite è inteso solo come limite destro.

Una funzione  si dice continua a sinistra in  se:

Una funzione è continua in un punto se e solo se è ivi continua a destra e a sinistra.

Queste proprietà non sono estendibili a funzioni a più di una variabile, in quanto nel piano, nello spazio, e generalmente in  quando  non esiste relazione d’ordine, ovvero non è possibile definire una “destra” o una “sinistra”.

Semicontinuità

Una funzione semicontinua inferiormente: nel punto di salto, f ( x 0 ) {\displaystyle f(x_{0})} si trova in basso

Una funzione semicontinua inferiormente: nel punto di salto,  si trova in basso

Una funzione  definita su uno spazio topologico  a valori reali si dice semicontinua inferiormente in  se per ogni  esiste un intorno  di  tale che per ogni , si ha:

Se invece vale, per ogni :

la funzione viene detta semicontinua superiormente in .

Se la prima (o rispettivamente la seconda) proprietà vale in ogni punto del dominio, si dice che la funzione è semicontinua inferiormente (o rispettivamente semicontinua superiormente).

La semicontinuità (sia inferiore che superiore), è una proprietà più debole della continuità: esistono funzioni semicontinue ma non continue.

Viceversa,

una funzione è continua se e solo se è sia semicontinua inferiormente che semicontinua superiormente.

Continuità separata

Nel caso di funzioni di più variabili, è possibile definire una condizione più debole di continuità, detta continuità separata:

una funzione  è continua separatamente in un punto  rispetto a una delle variabili  se è continua la funzione di una variabile dipendente solo dal parametro , lasciando le restanti variabili fissate al valore assunto nel punto in esame.

Continuità uniforme

Una condizione più forte (e globale) di continuità è quella di continuità uniforme:

una funzione continua tra due spazi metrici si dice uniformemente continua se il parametro  della definizione non dipende dal punto  considerato, ovvero se è possibile scegliere un  che soddisfi la definizione per tutti i punti del dominio.

Più precisamente,

una funzione  è uniformemente continua se, per ogni  esiste un  tale che, comunque presi due punti  e  nel dominio di  che distano per meno di , allora le loro immagini  e  distano per meno di .

Equicontinuità

Quando gli elementi di un insieme di funzioni continue hanno il medesimo modulo di continuità, si parla di insieme equicontinuo.

Nello specifico, Siano  e  due spazi metrici e  una famiglia di funzioni definite da  in .

La famiglia  è equicontinua nel punto  se per ogni  esiste  tale che  per tutte le  e per ogni  tali che .

La famiglia  è equicontinua (in tutto ) se è equicontinua in ogni suo punto.

La famiglia  è uniformemente equicontinua se per ogni  esiste  tale che  per tutte le  e per ogni coppia di punti  e  in  tali che .

Più in generale, quando  è uno spazio topologico, un insieme  di funzioni da  in  è equicontinuo nel punto  se per ogni  il punto  possiede un intorno  tale che:

Tale definizione è spesso utilizzata nell’ambito degli spazi vettoriali topologici.

Spazio delle funzioni continue

L’insieme di tutte le funzioni continue su un dominio fissato  e a valori reali:

può essere dotato di una struttura di spazio vettoriale ponendo per  e  in tale insieme:

e per  numero reale:

Lo spazio vettoriale così definito è detto spazio delle funzioni continue su .

Se il dominio  è compatto (e quindi per tutte le funzioni in  vale il teorema di Weierstrass) nello spazio  può essere definita una norma ponendo:

detta norma uniforme o norma del sup.

La coppia costituita dallo spazio  e dalla norma uniforme individua uno spazio di Banach.

 

 

 

 

Segue …

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Pubblicato da su 2 aprile 2021 in MATEMATICA

 

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