複變函數:極限、連續與映射觀點
緊集上的有界性與連續性(boundedness and continuity on a compact set)
一個複數集合是有界的,若它能裝進某個有限半徑的圓盤裡——存在一個數 M,使得集合中每個 z 都有 |z| <= M。函數 f 在一個集合上有界,是指它的輸出集合有界,也就是處處 |f(z)| <= M。有界性是個樸素卻常用的概念:它說函數在那塊區域上絕不跑向無窮。
它之所以與連續性配對,源自分析學中一個主力定理。平面上一個集合是緊的(就此處要緊的意義而言),恰好當它既閉(包含自己的邊界)又有界——這就是海涅-博雷爾的刻畫。定理接著說:緊集上的連續函數自動有界,而且它的模 |f| 在該集合上確實取到一個最大值和一個最小值。沒有東西逃向無窮,而那些極值是真正被達到的,不只是被趨近。
這「緊緻給出有界」的原理,是好幾個招牌結果背後安靜的引擎。最大模原理說:在緊區域上全純的 f 在邊界上取得最大的 |f|;劉維爾定理(有界的整函數必為常數)是一個有界性陳述;而許多存在性證明的作法是從一個有界族中抽出收斂子列,這正是緊緻性在運作。每當你看到「在閉且有界的區域上」,就該預期附近有一個緊緻性論證。
在閉單位圓盤 |z| <= 1 上,連續函數 f(z) = z^2 + 1 有界:因為 |z| <= 1,故 |f(z)| <= |z|^2 + 1 <= 2,而最大值 |f| = 2 確實被取到,例如在 z = 1 處。
在閉且有界的集合上,連續函數有界,且其模取得極值。
「閉且有界」兩半缺一不可。在開圓盤 |z| < 1 上,連續函數 1/(1 - z) 當 z 趨近邊界時無界;而在無界的實數線上,像 x 這樣的連續函數根本不必有界。
又稱
另見