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【泛函分析】是否存在有界实值函数, 使得其在有理点上连续, 无理点上不连续?

【泛函分析】是否存在有界实值函数, 使得其在有理点上连续, 无理点上不连续?

是否存在有界实值函数, 使得其在有理点上连续, 无理点上不连续?

答案是不存在. 我们先证明一条引理.

若 f(x)f(x)f(x) 在有理数点处连续, 则至少在一个无理数点处连续.

证明: [0,1][0,1][0,1] 上的有理数集合可以排列为 Q∩[0,1]={0}∪{12,22}∪⋯∪{1m,...,mm}∪...\\mathbb{Q}\\cap[0,1]=\\{0\\}\\cup\\{\\frac{1}{2}, \\frac{2}{2}\\} \\cup \\cdots \\cup\\{\\frac{1}{m}, ..., \\frac{m}{m}\\}\\cup...Q∩[0,1]={0}∪{21​,22​}∪⋯∪{m1​,...,mm​}∪... (重复的元素剔除), 记为 A={rn}A=\\{r_{n}\\}A={rn​}. 在 AAA 中任取一个有理数点 rn1r_{n_{1}}rn1​​, 记为ξ1\\xi_{1}ξ1​, 对于 ϵ1=12\\epsilon_{1}=\\frac{1}{2}ϵ1​=21​, 存在 0<δ1<120 \\lt \\delta_{1} \\lt \\frac{1}{2}0<δ1​<21​,使得 ∣x−ξ1∣≤δ1|x-\\xi_{1}|\\leq \\delta_{1}∣x−ξ1​∣≤δ1​ 时, ∣f(x)−f(ξ1)∣≤ϵ1|f(x)-f(\\xi_{1})|\\leq \\epsilon_{1}∣f(x)−f(ξ1​)∣≤ϵ1​, 则在区间 [ξ1−δ1,ξ1+δ1][\\xi_{1}-\\delta_{1}, \\xi_{1}+\\delta_{1}][ξ1​−δ1​,ξ1​+δ1​] 内, 任取 x1,x2x_{1}, x_{2}x1​,x2​, ∣f(x1)−f(x2)∣≤∣f(x1)−f(ξ1)∣+∣f(x2)−f(ξ1)∣≤12+12=1|f(x_{1})-f(x_{2})|\\leq |f(x_{1})-f(\\xi_{1})|+|f(x_{2})-f(\\xi_{1})|\\leq \\frac{1}{2}+\\frac{1}{2}=1∣f(x1​)−f(x2​)∣≤∣f(x1​)−f(ξ1​)∣+∣f(x2​)−f(ξ1​)∣≤21​+21​=1. 在此区间内任取一有理数点 rn2r_{n_{2}}rn2​​, n2>n1n_{2}\\gt n_{1}n2​>n1​, 记为 ξ2\\xi_{2}ξ2​, 这是可以办到的: 否则, 该区间内的有理数标号全部小于等于 n1n_{1}n1​, 说明该区间有理数个数为有限个, 显然不成立. 对于 ϵ2=122\\epsilon_{2}=\\frac{1}{2^{2}}ϵ2​=221​, 存在 0<δ2<1220 \\lt \\delta_{2} \\lt \\frac{1}{2^{2}}0<δ2​<221​, 使得 [ξ2−δ2,ξ2+δ2]⊂[ξ1−δ1,ξ1+δ1][\\xi_{2}-\\delta_{2}, \\xi_{2}+\\delta_{2}]\\subset [\\xi_{1}-\\delta_{1}, \\xi_{1}+\\delta_{1}][ξ2​−δ2​,ξ2​+δ2​]⊂[ξ1​−δ1​,ξ1​+δ1​], 且对于其中的任意一点 xxx, ∣f(x)−f(ξ2)∣≤ϵ2|f(x)-f(\\xi_{2})|\\leq \\epsilon_{2}∣f(x)−f(ξ2​)∣≤ϵ2​, 则在区间 [ξ2−δ2,ξ2+δ2][\\xi_{2}-\\delta_{2}, \\xi_{2}+\\delta_{2}][ξ2​−δ2​,ξ2​+δ2​] 内, 任取 x1,x2x_{1}, x_{2}x1​,x2​, ∣f(x1)−f(x2)∣≤∣f(x1)−f(ξ2)∣+∣f(x2)−f(ξ2)∣≤122+122=12|f(x_{1})-f(x_{2})|\\leq |f(x_{1})-f(\\xi_{2})|+|f(x_{2})-f(\\xi_{2})|\\leq \\frac{1}{2^{2}}+\\frac{1}{2^{2}}=\\frac{1}{2}∣f(x1​)−f(x2​)∣≤∣f(x1​)−f(ξ2​)∣+∣f(x2​)−f(ξ2​)∣≤221​+221​=21​. … 在区间 [ξk−1−δk−1,ξk−1+δk−1][\\xi_{k-1}-\\delta_{k-1}, \\xi_{k-1}+\\delta_{k-1}][ξk−1​−δk−1​,ξk−1​+δk−1​] 内任取一有理数点 rnkr_{n_{k}}rnk​​, nk>nk−1n_{k}\\gt n_{k-1}nk​>nk−1​, 记为 ξk\\xi_{k}ξk​, 这是可以办到的: 否则, 该区间内的有理数标号全部小于等于 nk−1n_{k-1}nk−1​, 说明该区间有理数个数为有限个, 显然不成立. 对于 ϵk=12k\\epsilon_{k}=\\frac{1}{2^{k}}ϵk​=2k1​, 存在 0<δk<12k0 \\lt \\delta_{k} \\lt \\frac{1}{2^{k}}0<δk​<2k1​,使得 [ξk−δk,ξk+δk]⊂[ξk−δk,ξk+δk][\\xi_{k}-\\delta_{k}, \\xi_{k}+\\delta_{k}]\\subset [\\xi_{k}-\\delta_{k}, \\xi_{k}+\\delta_{k}][ξk​−δk​,ξk​+δk​]⊂[ξk​−δk​,ξk​+δk​], 且对于其中的任意一点 xxx, ∣f(x)−f(ξk)∣≤ϵk|f(x)-f(\\xi_{k})|\\leq \\epsilon_{k}∣f(x)−f(ξk​)∣≤ϵk​, 则在区间 [ξk−δk,ξk+δk][\\xi_{k}-\\delta_{k}, \\xi_{k}+\\delta_{k}][ξk​−δk​,ξk​+δk​] 内, 任取 x1,x2x_{1}, x_{2}x1​,x2​, ∣f(x1)−f(x2)∣≤∣f(x1)−f(ξk)∣+∣f(x2)−f(ξk)∣≤12k+122=12k−1|f(x_{1})-f(x_{2})|\\leq |f(x_{1})-f(\\xi_{k})|+|f(x_{2})-f(\\xi_{k})|\\leq \\frac{1}{2^{k}}+\\frac{1}{2^{2}}=\\frac{1}{2^{k-1}}∣f(x1​)−f(x2​)∣≤∣f(x1​)−f(ξk​)∣+∣f(x2​)−f(ξk​)∣≤2k1​+221​=2k−11​. 考虑 ⋂i=1∞[ξi−δi,ξi+δi]\\bigcap\\limits_{i=1}^{\\infty}[\\xi_{i}-\\delta_{i}, \\xi_{i}+\\delta_{i}]i=1⋂∞​[ξi​−δi​,ξi​+δi​], 这是一列嵌套的闭区间, 且区间长度趋于 000, 根据闭区间套定理, 可以推出其交集为一个点 x0x_{0}x0​. 这个点必然是无理数点, 否则, 设其编号为 nnn, 则 n>nk≥kn\\gt n_{k}\\geq kn>nk​≥k, ∀k∈N+\\forall k \\in \\mathbb{N}^{+}∀k∈N+, 显然不成立. 满足对于 ∀ϵ>0\\forall \\epsilon \\gt 0∀ϵ>0, 存在正整数 kkk 使得 12k−1<ϵ\\frac{1}{2^{k-1}}\\lt \\epsilon2k−11​<ϵ, x0∈[ξk−δk,ξk+δk]x_{0}\\in [\\xi_{k}-\\delta_{k}, \\xi_{k}+\\delta_{k}]x0​∈[ξk​−δk​,ξk​+δk​], 对于此区间内的任意一点 xxx, ∣f(x)−f(x0)∣≤12k−1<ϵ|f(x)-f(x_{0})|\\leq \\frac{1}{2^{k-1}}\\lt \\epsilon∣f(x)−f(x0​)∣≤2k−11​<ϵ, 因此可以找到一个 δ>0\\delta\\gt 0δ>0, 使得 [x0−δ,x0+δ]⊂[ξk−δk,ξk+δk][x_{0}-\\delta, x_{0}+\\delta]\\subset [\\xi_{k}-\\delta_{k}, \\xi_{k}+\\delta_{k}][x0​−δ,x0​+δ]⊂[ξk​−δk​,ξk​+δk​], 进而当 ∣x−x0∣≤δ|x-x_{0}|\\leq \\delta∣x−x0​∣≤δ 时, ∣f(x)−f(x0)∣≤ϵ|f(x)-f(x_{0})|\\leq \\epsilon∣f(x)−f(x0​)∣≤ϵ.

该证明参考了知乎问题 是否存在有界实值函数, 使得其在有理点上连续, 无理点上不连续? 的回复中网友"冯白羽"的回答.