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【泛函分析】Thomae function

【泛函分析】Thomae function

定义 R\\mathbb{R}R 上的函数(Thomae function):

f(x)={0x∈R−Q1q∣x∣=pq,gcd⁡(p,q)=1f(x) = \\begin{cases} &0 & x\\in \\mathbb{R}-\\mathbb{Q}\\\\ &\\frac{1}{q} & |x|=\\frac{p}{q}, \\gcd(p,q)=1 \\end{cases} f(x)={0q1xRQx=qp,gcd(p,q)=1
可以证明: 此函数在有理数点上连续的, 在无理数点上不连续的.
说明: 下文所指的 nnn, n∈N+n\\in \\mathbb{N}^{+}nN+ 分点是指 {kn,k∈Z}\\{\\frac{k}{n}, k\\in \\mathbb{Z}\\}{nk,kZ}.
(1) 若 x∈Qx\\in \\mathbb{Q}xQ, f(x)≠0f(x)\\neq 0f(x)=0, 则对于 ∀δ>0\\forall \\delta\\gt 0δ>0, (x−δ,x+δ)(x-\\delta, x+\\delta)(xδ,x+δ) 中存在无理数 x′x'x, f(x′)=0f(x')=0f(x)=0, ∣f(x)−f(x′)∣=∣f(x)∣|f(x)-f(x')| = |f(x)|f(x)f(x)=f(x), 因此函数在 xxx 中不连续.

(2) 若 x∈R−Qx\\in \\mathbb{R}-\\mathbb{Q}xRQ, 则对于 ∀δ>0\\forall \\delta \\gt 0δ>0, 记 floor(1δ)=N\\mathrm{floor}(\\frac{1}{\\delta})=Nfloor(δ1)=N, 对于 n>Nn \\gt Nn>N, (x−δ,x+δ)(x-\\delta, x+\\delta)(xδ,x+δ) 中必然 nnn 分割点, 对于 n=1,…,Nn=1, \\dots, Nn=1,,N, 记 d=inf⁡{∣x−mn∣∣0≤m≤n,1≤n≤N,m,n∈N+}d=\\inf\\{|x-\\frac{m}{n}||0\\leq m\\leq n, 1\\leq n\\leq N, m,n\\in \\mathbb{N}^{+}\\}d=inf{xnm∣∣0mn,1nN,m,nN+}, 对于 δ′<d\\delta'\\lt dδ<d, (x−δ′,x+δ′)(x-\\delta', x+\\delta')(xδ,x+δ) 只包含 n>Nn\\gt Nn>N 的分点, 因此在此区间内的有理数点的取值范围为 {1n∣n>N}\\{\\frac{1}{n}|n\\gt N\\}{n1n>N}. 对于 ∀ϵ>0\\forall \\epsilon \\gt 0ϵ>0, 取 δ>0\\delta\\gt 0δ>0 满足: floor(1δ)>1ϵ{\\mathrm{floor}(\\frac{1}{\\delta})}\\gt \\frac{1}{\\epsilon}floor(δ1)>ϵ1, 则当 ∣x′−x∣≤δ|x'-x|\\leq \\deltaxxδ 时, 若 x′∈Qx'\\in \\mathbb{Q}xQ, ∣f(x)′−f(x)∣=∣f(x′)∣<1floor(1δ)<ϵ|f(x)'-f(x)|=|f(x')|\\lt \\frac{1}{\\mathrm{floor}(\\frac{1}{\\delta})}\\lt \\epsilonf(x)f(x)=f(x)<floor(δ1)1<ϵ, 若 x′∈R−Qx'\\in \\mathbb{R}-\\mathbb{Q}xRQ 时, ∣f(x′)−f(x)∣=0|f(x')-f(x)|=0f(x)f(x)=0, 证毕.

参考: Thomae function, University of Washington.