background image

Chapter 1

Setting the stage

1.1

Euclidean spaces and vectors

Let n be a natural number, i.e. n = 1, 2, 3, . . .. The n-dimensional Euclidean
space is the set of odered n-tuples of real numbers. We denote this space by

R

n

. Then

R

n

=

{x = (x

1

, x

2

, . . . , x

n

) : x

1

, x

2

, . . . , x

n

∈ R},

(1.1)

where R denotes the set of real numbers. In fact, R

n

= R

× R × . . . × R

the Cartesean product of R. Each element in x = (x

1

, x

2

, . . . , x

n

) is called

a vector with components x

1

, x

2

, . . . , x

n

. Other notations for vectors can be

bold letters x or underlined letters x; however we will not use these in this
note.

The zero vector of R

n

is simply 0 = (0, 0, . . . , 0).

Let x = (x

1

, x

2

, . . . , x

n

), y = (y

1

, y

2

, . . . , y

n

) be two vectors in R

n

and

c

∈ R. We define the following operations:

Addition: x + y = (x

1

+ y

1

, x

2

+ y

2

, . . . , x

n

+ y

n

),

Scalar product: cx = (cx

1

, cx

2

, . . . , cx

n

),

Dot product: x

· y = x

1

y

1

+ x

2

y

2

+ . . . x

n

y

n

.

The norm (or the length) of x is

|x| =

x

· x =

q

x

2
1

+ x

2
2

+ . . . + x

2
n

.

(1.2)

1


background image

2

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

Denote

−x = (−1)x = (−x

1

,

−x

2

, . . . ,

−x

n

).

Some immediate properties:

x+y = y +x, (x+y)+z = x+(y +z), c(x+y) = cx+cy, x+(

−x) = 0, (1.3)

|cx| = |c||x|, | − x| = |x|.

(1.4)

Proposition 1.1

(Cauchy-Schwar’s inequality). For any a, b

∈ R

n

,

|a · b| ≤ |a||b|.

(1.5)

Proof. See text, p.5.

Example 1.2.

For n = 2, a = (a

1

, a

2

), b = (b

1

, b

2

)

∈ R

2

, we have

|a

1

b

1

+ a

2

b

2

| ≤

q

a

2
1

+ a

2
2

q

b

2
1

+ b

2
2

.

(1.6)

For n = 3, a = (a

1

, a

2

, a

3

), b = (b

1

, b

2

, b

3

)

∈ R

3

, we have

|a

1

b

1

+ a

2

b

2

+ a

3

b

3

| ≤

q

a

2
1

+ a

2
2

+ a

2
3

q

b

2
1

+ b

2
2

+ b

2
3

.

(1.7)

Proposition 1.3

(The triangle inequality). For any a, b

∈ R

n

,

|a + b| ≤ |a| + |b|.

(1.8)

Consequently,

|a − b| ≥ | |a| − |b| |.

(1.9)

Corollary 1.4.

For any x, y, z

∈ R

n

,

|x − y| ≤ |x − z| + |z − y|.

(1.10)

|x| ≥ | |y| − |x − y| |.

(1.11)

Relation between the norm of x and that of its components: Let x =

(x

1

, x

2

, . . . , x

n

)

∈ R

n

and M = max

{|x

1

|, |x

2

|, . . . , |x

n

|}, then

M

≤ |x| ≤

nM.

(1.12)


background image

1.2. SUBSETS OF EUCLIDEAN SPACE

3

1.2

Subsets of Euclidean space

Let a

∈ R

n

and r > 0. The (open) ball B(r, a) is the set of all points whose

distance to a is less than r,

B(r, a) =

{x ∈ R

n

:

|x − a| < r}.

(1.13)

We can also define the closed ball

B

(r, a) =

{x ∈ R

n

:

|x − a| ≤ r}.

(1.14)

Let S be a subset of R

n

. Then the complement of S in R

n

is S

c

, the set

of all points in R

n

that are not in S:

S

c

= R

n

\ S = {x ∈ R

n

: x

6∈ S}.

(1.15)

Example 1.5.

If S = B(r, a), then S

c

=

{x ∈ R

n

:

|x − a| ≥ r}. If

S = B

(r, a), then S

c

=

{x ∈ R

n

:

|x − a| > r}.

Definition 1.6.

Let S be a subset of R

n

and x

∈ R

n

.

x is called an interior point of S if there is r > 0 such that B(r, x)

⊂ S.

We denote the set of interior points of S by S

int

:

S

int

=

{x ∈ R

n

:

∃r > 0, B(r, x) ⊂ S}.

(1.16)

x is called a boundary point of S every ball centered at x intersect both

s and S

c

, i.e.,

∀r > 0, B(r, x) ∩ S 6= ∅ and B(r, x) ∩ S

c

6= ∅.

(1.17)

We denote by ∂S the set of all boundary points of S called the boundary of
S:

∂S =

{x ∈ R

n

:

∀r > 0, B(r, x) ∩ S 6= ∅ and B(r, x) ∩ S

c

6= ∅}.

(1.18)

The closure of S is ¯

S = S

∪ ∂S.

S is a neighborhood of x if x is an interior point of S.


background image

4

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

Definition 1.7.

Let S be a subset of R

n

.

S is called open if it contains none of its boundary points: S

∩ ∂S = ∅.

S is called closed if it contains all of its boundary points: ∂S

⊂ S.

Note: R

n

and the empty set

∅ are both open and closed.

Two sets A and B are said to be disjoint if A

∩ B = ∅.

Proposition 1.8.

Let S be a subset of R

n

. Then

a. S and its complement S

c

have the same boundary: ∂S = ∂(S

c

).

b. S

int

, ∂S, (S

c

)

int

are mutually disjoint, i.e., S

int

∩ ∂S, (S

c

)

int

∩ S

int

, ∂S

(S

c

)

int

are empty sets.

c. R

n

= S

int

∪ ∂S ∪ (S

c

)

int

.

Consequently, every point x

∈ R

n

belongs to exactly one of the following

sets S

int

, ∂S, (S

c

)

int

.

We also have S

⊂ S

int

∪ ∂S, hence ¯

S = S

int

∪ ∂S, therefore

Proposition 1.9.

( ¯

S)

c

= (S

c

)

int

.

Proposition 1.10.

Suppose S

⊂ R

n

.

a. S is open

⇐⇒ every point of S is an interior point of S ⇐⇒

S = S

int

.

b. S is closed

⇐⇒ S

c

is open.

Proposition 1.11.

(i) If S

1

and S

2

are both open (or closed), so are S

1

∪ S

2

and S

1

∩ S

2

.

(ii) If

{S

α

}

α∈I

is a fimily of open sets, then

α∈I

S

α

is open.

(iii) If

{S

α

}

α∈I

is a fimily of closed sets, then

α∈I

S

α

is closed.


background image

1.3. LIMITS AND CONTINUITY

5

1.3

Limits and continuity

Let n and k be two natural numbers. Let f be a function form R

n

to R

k

,

a

∈ R

n

and L

∈ R

k

. We say the limit of f (x) as x aproaches a is L if

∀ε > 0, ∃δ > 0, ∀x ∈ R

n

: 0 <

|x − a| < δ =⇒ |f(x) − L| < ε.

(1.19)

Notation:

lim

x→a

f (x) = L.

(1.20)

Proposition 1.12.

The limit lim

x→a

f (x), if exists, is unique.

Some equivalent statements of (1.19):

• If a = (a

1

, a

2

, . . . , a

n

), then we have lim

x→a

f (x) = L if and only if

∀ε > 0, ∃δ > 0, ∀x = (x

1

, x

2

, . . . , x

n

)

∈ R

n

:

0 <

|x−a| < max{|x

1

−a

1

|, |x

2

−a

2

|, . . . , |x

n

−a

n

|} < δ =⇒ |f(x)−L| < ε.

(1.21)

• If f = (f

1

, f

2

, . . . , f

k

) and L = (L

1

, L

2

, . . . , L

k

), where each f

j

is a

function from R

n

to R then

lim

x→a

f (x) = L

⇐⇒ lim

x→a

f

j

(x) = L

j

for all j = 1, 2, . . . , k.

(1.22)

Example 1.13.

See text, p. 14, 15.

Proposition 1.14.

Let f, g : R

n

→ R

m

, a

∈ R

n

and

lim

x→a

f (x) = L,

lim

x→a

g(x) = K.

(1.23)

Then

(i) lim

x→a

(f + g)(x) = L + K.

In the case m = 1, we have

(ii) lim

x→a

(f g)(x) = LK.

(iii) If L

6= 0, then

lim

x→a

g(x)

f (x)

=

K

L

.


background image

6

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

Remark 1.15.

We have

lim

x→a

= L if and only if lim

x→a

|f(x) − L| = 0.

(1.24)

When L = 0, it becomes

lim

x→a

f (x) = 0 if and only if lim

x→a

|f(x)| = 0.

(1.25)

Proposition 1.16

(“squeezing property”). Let f, g, h : R

n

→ R satisfying

g(x)

≤ f(x) ≤ h(x) for all x ∈ R

n

. Suppose a

∈ R

n

and

lim

x→a

g(x) = lim

x→a

h(x) = L

∈ R

m

.

Then lim

x→a

f (x) = L.

Proposition 1.17.

Let f : R

n

→ R, a ∈ R

n

and lim

x→a

f (x) = L.

(i) If f (x)

≤ M for all x ∈ B(r, a) for some r > 0 then L ≤ M.

(ii) If f (x)

≥ m for all x ∈ B(r, a) for some r > 0 then L ≥ m.

Definition 1.18.

Let a

∈ R

n

, we say f is continuous at a if

lim

x→a

f (x) = f (a),

(1.26)

equivalently,

∀ε > 0, ∃δ > 0, ∀x ∈ R

n

:

|x − a| < δ =⇒ |f(x) − L| < ε.

(1.27)

Let U be a subset of R

n

. We say f is continuous on U if f is continuous

at every point a of U.

Proposition 1.19.

Let U

⊂ R

n

and f, g : R

n

→ R

m

be continuous on U.

Then (f + g) and (f

· g) are continuous on U.

In the case m = 1, we have (f g) is continuous on U and (f /g) is contin-

uous on V = U

\ g

1

(

{0}) = {x ∈ U : g(x) 6= 0}.

Theorem 1.20.

Let f : R

n

→ R

k

, g : R

k

→ R

m

, and U

⊂ R

n

. If f is

continuous on U and g is continuous on f (U) then g

◦ f is continuous on U.

Theorem 1.21.

Let f : R

n

→ R

m

be continuous and U be a subset of R

m

.

If U is open (resp. closed), then f

1

(U) is open (resp. closed).


background image

1.4. SEQUENCES

7

1.4

Sequences

Let A be a non-empty set. A sequence in A is a function f : N

→ A, that is,

for all k

∈ N, x

k

= f (k)

∈ A. Notation {x

k

}, {x

k

}


1

,

{x

k

}


k=1

, . . ..

Definition 1.22.

Let

{x

k

} be a sequence in R

n

and L

∈ R

n

. We say

{x

k

}

coverges to the limit L if

∀ε > 0, ∃K ∈ N, ∀k ∈ N : k > K =⇒ |x

k

− L| < ε.

(1.28)

Notation:

lim

k→∞

x

k

= L.

In this case, we say the sequence is convergent, otherwise the sequence is
divergent.

In the case m = 1 we have the following two definitions

lim

k→∞

x

k

=

∞ ⇐⇒ ∀M > 0, ∃K ∈ N, ∀k ∈ N : k > K =⇒ x

k

> M, (1.29)

lim

k→∞

x

k

=

−∞ ⇐⇒ ∀M > 0, ∃K ∈ N, ∀k ∈ N : k > K =⇒ x

k

<

−M.

(1.30)

If lim

k→∞

x

k

=

∞ or −∞ then {x

k

} is divergent.

Limits of sequences have similar properties to those of limits of functions.

Theorem 1.23.

Suppose S

⊂ R

n

and x

∈ R

n

. Then x belongs to the closure

of S if and only if there is a sequence in S coverging to x.

Corollary 1.24.

Let S be a subset of R

n

. Then S is closed if and only if for

every sequence

{x

k

} in S which converges to a ∈ R

n

, we have a

∈ S.

Theorem 1.25.

Let S

⊂ R

n

, f : S

→ R

m

and a

∈ S. Then the following

are equivalent

a. f is continuous at a.
b. For any sequence

{x

k

} in S that converges to a, the sequence {f(x

k

)

}

converges to f (a).


background image

8

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

Let

{x

k

}


k=1

be a sequence. Let k

j

be a strictly increasing function from

N

to N, that is, k

j

∈ N for all j ∈ N and k

j

> k

l

whenever j > l. Note

that the latter property is equivalent to k

j+1

> k

j

for all j

∈ N. Then the

sequence

{x

k

j

}


j=1

is called a subsequence of

{x

k

}.

Lemma 1.26.

Let k

j

be a strictly increasing function from N to N. Then

k

j

≥ j for all j ∈ N.

Proposition 1.27.

Let

{x

k

}


k=1

be a convergent sequence in R

n

. Then any

subsequence

{x

k

j

}


j=1

of

{x

k

} is convergent and

lim

j→∞

x

k

j

= lim

k→∞

x

k

.


background image

1.5. COMPLETENESS

9

1.5

Completeness

Let S

⊂ R and c ∈ R.

• c is an upper bound of S if ∀x ∈ S, x ≤ c.

• S is said to be bounded (from) above if it has an upper bound.

• c is a lower bound of S if ∀x ∈ S, x ≥ c.

• S is said to be bounded (from) below if it has an lower bound.

• We say S is bounded if it is bounded above and below, equivalently there

are m, M

∈ R such that m ≤ x ≤ M for all x ∈ S, or equivalently,

there is C > 0 such that

|x| ≤ C for all x ∈ S.

• A least upper bound of S, called sup S, is an upper bound of S and is

smallest among the all upper bounds of S.

• A greatest lower bound of S, called inf S, is a lower bound of S and is

largest among the all lower bounds of S.

Note that if sup S (or inf S) exists then it is unique.
Let A

⊂ B ⊂ R. Then

sup A

≤ sup B, inf B ≤ inf A.

(1.31)

Let A

⊂ R. Let B = {−x : x ∈ A}. If sup A (resp. inf A) exists then

inf B =

− sup A (resp. sup B = − inf A).

(1.32)

Proposition 1.28.

Let S

⊂ R. Then

a = sup S

⇐⇒

(i)

∀x ∈ S, x ≤ a,

(ii)

∀ε > 0, ∃x

0

∈ S : a − ε < x

0

.

a = inf S

⇐⇒

(i)

∀x ∈ S, x ≥ a,

(ii)

∀ε > 0, ∃x

0

∈ S : x

0

< a + ε.


background image

10

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

Remark 1.29.

From Proposition 1.28 we see that if a = sup S or a = inf S

then there is a sequence in S converging to a.

The Completeness Axiom.

Let S be a non-empty subset of R which

is bounded above, then sup S exists.

Corollary 1.30.

Let S be a non-empty subset of R which is bounded below,

then inf S exists.

Definition 1.31.

Let

{x

k

} be a sequence in R.

• {x

k

} is increasing if x

k

≥ x

j

whenever k > j, or equivalently, x

k+1

≥ x

k

for all k.

• {x

k

} is decreasing if x

k

≤ x

j

whenever k > j, or equivalently, x

k+1

≤ x

k

for all k.

• {x

k

} is monotone if it is increasing or decreasing.

• {x

k

} is bounded above if the set {x

k

: k

∈ N} is bounded above, that

is, there is M

∈ R such that x

k

≤ M for all k.

• {x

k

} is bounded below if the set {x

k

: k

∈ N} is bounded below, that

is, there is m

∈ R such that x

k

≥ m for all k.

• {x

k

} if bounded if it is bounded above and below, equivalently, there is

C > 0 such that

|x

k

| < C for all k.

Theorem 1.32.

Every bounded monotone sequence in R is convergent. More

precisely,

(i) If

{x

k

} is increasing and bounded above then

lim

k→∞

x

k

= sup

{x

k

: k

∈ N}.

(1.33)

(ii) If

{x

k

} is decreasing and bounded below then

lim

k→∞

x

k

= inf

{x

k

: k

∈ N}.

(1.34)


background image

1.5. COMPLETENESS

11

Theorem 1.33

(The nested interval theorem). Let I

k

= [a

k

, b

k

] for k

∈ N,

a

k

, b

k

∈ R, a

k

≤ b

k

, be a sequence of intervals that satisfy

(a) I

1

⊃ I

2

⊃ I

3

⊃ . . ., that is, I

k

⊃ I

k+1

for all k.

(b) lim

k→∞

(b

k

− a

k

) = 0.

Then


k=1

I

k

=

{c} for some c ∈ R.

Using the nested interval theorem, we can prove

Theorem 1.34.

Every bounded sequence in R has a convergent subsequence.

As a consequence, we have

Theorem 1.35.

Every bounded sequence in R

n

has a convergent subsequence.

Proposition 1.36.

Let

{x

k

} be a convergent sequence in R

n

. Then

(a)

{x

k

} is bounded.

(b) roughly speaking, (x

k

− x

j

)

→ 0 as k, j → ∞; more precisely,

∀ε > 0, ∃K ∈ N, ∀k ∈ N, ∀j ∈ N : [(k > K) ∧ (j > K)] =⇒ |x

k

− x

j

| < ε.

(1.35)

Definition 1.37.

A sequence in R

n

is called a Cauchy sequence if it satisfies

(1.35).

Proposition 1.38.

Let

{x

k

} be a Cauchy sequence in R

n

. Then it is bounded.

If, in addition, it has a convergent subsequence

{x

k

j

}


j=1

then

{x

k

} itseft is

convergent and lim

k→∞

x

k

= lim

j→∞

x

k

j

.

Combining Theorem 1.35, Propositions 1.36 and 1.38, we obtain

Theorem 1.39.

A sequence in R

n

is convergent if and only if it is Cauchy.


background image

12

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

1.6

Compactness

Definition 1.40.

A subset in R

n

is called compact if it is closed and bounded.

Theorem 1.41

(The Bozano-Weierstrass Theorem). Let S ba a subset of

R

n

. Then the following are equivalent

(a) S is compact
(b) Every sequence in S has a subsequence converging to a point which

belongs to S.

The raltion between compact sets and continuous functions:

Theorem 1.42.

Let S

⊂ R

n

be compact and f : S

→ R

m

be continuous.

Then f (S) is compact (as a subset of R

m

).

Corollary 1.43.

Let S

⊂ R

n

be compact and f : S

→ R

m

be continuous.

Definition 1.44.

Let S

⊂ R

n

, f : S

→ R, and a ∈ S.

f (a) is the maximum (largest value) of f on S if f (a)

≥ f(x) for all

x

∈ S.

f (a) is the minimum (smallest value) of f on S if f (a)

≤ f(x) for all

x

∈ S.

Theorem 1.45

(The Extreme Value Theorem). Let S

⊂ R

n

be compact and

f : S

→ R

m

be continuous. Then there are a, b

∈ S such that f(a) is the

maximum value of f on S and f (b) is the minimum value of f on S.


background image

1.7. CONNECTEDNESS

13

1.7

Connectedness

Let S be a subset of R

n

.

• S is disconnected if there are non-empty sets S

1

and S

2

such that

S = S

1

∪ S

2

,

S

1

∩ ¯

S

2

=

∅, S

2

∩ ¯

S

1

=

∅.

(1.36)

We call the above pair (S

1

, S

2

) a disconnection of S. (Note: they are

not unique.)

• S is connected if it is NOT disconnected.

Theorem 1.46.

The connected subsets of R are the intervals, i.e.,

[a, b), [a, b], (a, b], (a, b), [c,

∞), (c, ∞), (−∞, c), (−∞, c].

Proof. Skipped (see text).

Notes: S is an interval in R if and only if

∀x, y ∈ S, ∀z ∈ R : x < z < y =⇒ z ∈ S.

(1.37)

Theorem 1.47.

If S

⊂ R

n

is connected and f : S

→ R

m

is continuous, then

f (S) is connected.

Proof. Proof by Contraposition: f (S) being disconnected implies S being
disconnected.

Suppose f (S) is disconnected then it has a disconnection (U

1

, U

2

). Let

S

1

= f

1

(U

1

) =

{x ∈ S : f(x) ∈ U

1

} and S

2

= f

1

(U

2

) =

{x ∈ S : f(x) ∈

U

1

}. Then S

1

, S

2

are not empty and S

1

∪ S

2

= S. Suppose S

1

∩ ¯

S

2

6= ∅, then

there is x

0

∈ S

1

∩ ¯

S

2

. There is a sequence

{x

k

} in S

2

such that x

k

∈ S

2

,

x

k

→ x

0

as k

→ ∞. Since f is continuous at x

0

∈ S: lim

k→∞

f (x

k

) = f (x

0

).

Note that f (x

k

)

∈ U

2

, then f (x

0

)

∈ ¯

U

2

. But we also have x

0

∈ S

1

which

implies f (x

0

)

∈ U

1

, therefore f (x

0

)

∈ U

1

∩ ¯

U

2

. This contradicts the fact

that U

1

∩ ¯

U

2

=

∅. Thus S

1

∩ ¯

S

2

=

∅. Similarly, S

2

∩ ¯

S

1

=

∅. Hence S is

disconnected.


background image

14

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

Corollary 1.48

(The intermediate value theorem). Suppose S is connected

and f : S

→ R is continuous. If a, b ∈ S, t ∈ R and f(a) < t < f(b), then

there is c

∈ S such that f(c) = t.

Proof. We have f (S) is a connected subset of R, hence it is an interval. Since
f (a), f (b)

∈ f(S), then we have the whole interval [f(a), f(b)] is contained

in f (S). Therefore t

∈ f(S), which means that there is c ∈ S such that

t = f (c).

Definition 1.49.

A set S

⊂ R

n

is said to be arcwise connected (or pathwise

connected ) if any two points in S can be joined by a continuous curve in S,
that is for any a, y

∈ S, there is a continuous function g : [0, 1] → S such

that g(0) = a and g(1) = b.

Theorem 1.50.

If S is arcwise connected, then S is connected.

Proof. Let S be arcwise connected. Suppose S is disconnected. Let (S

1

, S

2

)

be a disconnection of S. There are a

∈ S

1

and b

∈ S

2

. Since S is arcwise

connected there is a continuous function f : [0, 1]

→ S such that f(0) = a

and f (1) = b. Note that T = f ([0, 1]) is connected. Let T

1

= S

1

∩ T and

T

2

= S

2

∩ T . Then T

1

, T

2

are non-empty sets (containing a, b respectively.).

We have T

1

∩ ¯

T

2

⊂ S

1

∩ ¯

S

2

=

∅, hence T

1

∩ ¯

T

2

=

∅. Similarly, T

2

∩ ¯

T

1

=

∅.

Therefore, T is disconnected, contradiction. Conclusion: S is connected.

Let a, b, c

∈ S. If there is a countinuous curve in S connecting a and b,

and one connectiong b and c, then there is one connecting a and c (transitive
relation). Indeed, let f, g : [0, 1]

→ S such that f(0) = a, f(1) = b and

g(0) = b, g(1) = c. Then let h : [0, 1]

→ S,

h(t) =

f (2t)

if 0

≤ t < 1/2,

g(21

− 1)

if 1/2

≤ t ≤ 1.

(Verify the continuity of h at 1/2 using left and right limits.)


background image

1.7. CONNECTEDNESS

15

Example 1.51.

Balls, spheres in R

3

and disks, circles in R

2

are arcwise-

connected, hence connected.

Example 1 p.34 in the text. In R

2

, let a = (

−1, 0), b = (1, 0) and

S

1

= B(1, a), S

2

= B(1, b). Let S = S

1

∪ S

2

and T = S

1

∩ ¯

S

2

. Then

S is disconnected. Since every point in T can be connected to the origin
(0, 0)

∈ T , we have T is arcwise connected, hence connected.

Note: A connected set is not necessarily arcwise connected. See text p.37

for an example of a set in R

2

which is connected but NOT arcwise-connected.

Theorem 1.52.

If S is connected and open, then S is arcwise connected.

Proof. Let S be open and connected. Let a be a fixed point in S. We will
prove that we can connect a to any other points of S, hence showing that S
is arcwise connected.

Set S

1

=

{x ∈ S : x is joined by a continuous curve in S}.

Claim: S

1

= S. Then S is arcwise connected.

Proof of the claim: Suppose S

1

6= S. Then S

2

= S

\ S

1

is not empty and

S = S

1

∪ S

2

. Note: S

1

6= ∅ and S

1

∩ S

2

=

∅. We now show that S

1

∩ ¯

S

2

and

S

2

∩ ¯

S

1

are empty.

Let x

∈ S

1

, S being open implies there is a ball B(r, x)

⊂ S, r > 0. For

every y

∈ B, there is a curve from a to x then x to y, hence y ∈ S

1

. Therefore

B(1, x) is a subset of S

1

. Thus x

6∈ ¯

S

2

. We then have S

1

∩ ¯

S

2

=

∅.

Let x

∈ S

2

, there is a ball B = B(r, x)

⊂ S. Suppose x ∈ ¯

S

1

then there is

y

∈ B ∩ S

1

, hence we can find a continuous curve in S from a to y then y to

x. Thus x

∈ S

1

, which is absurd since x

6∈ S

1

(S

1

∩ S

2

=

∅). Hence x 6∈ ¯

S

1

,

therefore S

2

∩ ¯

S

1

=

∅.

We have proved (S

1

, S

2

) is a disconnection of S, which is impossible since

S is connected. Therefore the claim is true and the proof of the theorem is
complete.


background image

16

CHAPTER 1. SETTING THE STAGE

1.8

Uniform continuity

Let S

⊂ R

n

and f : S

→ R

m

be continuous. We have

∀x ∈ S, ∀ε > 0, ∃δ > 0, ∀y ∈ S : |y − x| < δ =⇒ |f(x) − f(y)| < ε. (1.38)

The above δ in general depends on x, ε. In some cases, δ is independent

of x, then roughly speaking, the rate f (y) approaches f (x) as y approaches
x is controlled uniformly on the whole domain S.

Definition 1.53.

A function f : S

→ R

m

is uniformly continuous on S if

∀ε > 0, ∃δ > 0, ∀x ∈ S, ∀y ∈ S : |y − x| < δ =⇒ |f(x) − f(y)| < ε. (1.39)

Example 1.54.

The function f (x) = x

2

is not uniformly continuous on

(0,

∞). Suppose it is, let ε > 0, then there is δ > 0 such that for any

x, y

∈ (0, ∞) and δ > 0, we have

|y

2

− x

2

| = |y − x||y + x| < ε.

Take y = x + δ then 2δx < ε. So δ < ε/(2x) which goes to zero as x goes to
infinity which is a contradiction since δ is a fixed positive number.

Example 1.55.

The function f (x) = sin x is uniformly continuous on R.

Indeed, by the Mean Value Theorem (next chapter),

|f(x) − f(y)| = |x −

y

|| cos z| ≤ |x − y|, where z ∈ [x, y] or [y, x]. We can take δ = ε in (1.39).

Example 1.56.

The function f (x) = x

2

is uniformly continuous on every

bounded subsets of R. Suppose there is M > 0 such that

|x| ≤ M for all

x

∈ S. Then for any x, y ∈ S.

|f(x) − f(y)| = |x − y||x + y| ≤ 2M|x − y|.

We can take δ = ε/(2M) in (1.39). Note: We can use the Mean Value
Theorem as well.

Theorem 1.57.

Suppose S is compact and f : S

→ R

m

is continuous. Then

f is uniformly continuous.


background image

1.8. UNIFORM CONTINUITY

17

Proof. By contradiction. Suppose f is not uniformly continuous, then

∃ε

0

> 0,

∀δ > 0, ∃x, y ∈ S : |x − y| < δ and |f(x) − f(y)| ≥ ε

0

.

(1.40)

Take δ = 1/k

→ 0. There are sequences {x

k

}, {y

k

} in S such that

|x

k

− y

k

| <

1

k

,

|f(x

k

)

− f(y

k

)

| ≥ ε

0

.

(1.41)

Since S is compact, there exist covergent subsequences

{x

k

j

}, {y

k

j

} whose

limits belong to S. By the first property of (1.41), we have

lim

j→∞

x

k

j

= lim

j→∞

y

k

j

= x

0

∈ S.

Since f is continuous at x

0

, lim

j→∞

|f(x

k

j

)

− f(y

k

j

)

| = |f(x

0

)

− f(x

0

)

| = 0

which contradicts the second property in (1.41). We conclude that f must
be uniformly continuous.




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 59 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل