Gleichmäßige Stetigkeit

Einführung

Ist f∈C(D)f\in C(D) eine stetige Funktion und z∈Dz\in D, dann bedeutet Stetigkeit von ff in zz:
∀ε>0  ∃δ>0  ∀x∈D∣x−z∣<δ  ⇒  ∣f(x)−f(z)∣<ε\forall \varepsilon>0\;\exists \delta>0\;\forall x\in D\quad|x-z|<\delta\;\Rightarrow\;\left|f(x)-f(z)\right|<\varepsilon
Es hängt dabei δ\delta von ε\varepsilon und von zz ab.

Beispiel

D=[0,∞[D=[0,\infty[, f(x)=x2 f(x)=x^2 und z>0z>0. Sei ε>0\varepsilon>0 und sei δ>0\delta>0 so gewählt, dass
∀x∈D∣x−z∣<δ  ⇒  ∣f(x)−f(z)∣<ε\forall x\in D\quad|x-z|<\delta\;\Rightarrow\;\left|f(x)-f(z)\right|<\varepsilon(1)
gstetig.png
Während ε\varepsilon konstant bleibt, kann δ\delta für z1z_1 größer gewählt werden als für z2z_2
Wir setzen x:=z+δ2x:=z+\dfrac{\delta}{2}, dann gilt ∣x−z∣=δ2<δ|x-z|=\dfrac{\delta}{2}<\delta, daher auch ∣f(x)−f(z)∣<ε|f(x)-f(z)|<\varepsilon d.h. ∣x2−z2∣<ε\left|x^2-z^2\right|<\varepsilon, also wegen x2−z2=(x−z)(x+z)x^2-z^2=(x-z)(x+z): ∣x−z∣⋅∣x+z∣⎵=δ2(2z+δ2)<ε\underbrace{|x-z|\cdot |x+z|}_{=\frac{\delta}{2}(2z+\frac{\delta}{2})}<\varepsilon ⇒  δ2⋅(2z+δ2)=δz+δ24  >  δz\Rightarrow\; \dfrac{\delta}{2}\cdot\left(2z+\dfrac{\delta}{2}\right)=\delta z+\dfrac{\delta^2}{4}\;>\;\delta z ⇒  δz<ε  \Rightarrow\; \delta z<\varepsilon \;⇒    δ<εz\Rightarrow\;\; \delta <\dfrac{\varepsilon}{z} ⇒δ\Rightarrow \delta hängt von ε\varepsilon und von zz ab. Je größer zz wird, desto kleiner muss δ\delta werden, um die Gültigkeit von (1) zu gewährleisten. Die Anpassung des Stetigkeitskriteriums führt auf die gleichmäßige Stetigkeit.

Definition der gleichmäßigen Stetigkeit

f:D→Rf:D\to \R heißt gleichmäßig stetig auf DD, wenn gilt:
∀ε>0  ∃δ>0  ∀x,z∈D:  ∣x−z∣<δ  ⇒  ∣f(x)−f(z)∣<ε{\forall \varepsilon>0\;\exists \delta>0\; \forall x,z\in D:\;|x-z|<\delta\;\Rightarrow\; \left|f(x)-f(z)\right|<\varepsilon}
In dieser Definition hängt δ\delta nur von ε\varepsilon ab. Die gleichmäßige Stetigkeit kann jedoch nicht mehr für einzelne Punkte definiert werden. Nach Definition ist sofort klar: ff gleichmäßig stetig auf DD ⇒\Rightarrow ff stetig auf DD. Die Umkehrung gilt jedoch im Allgemeinen nicht. Es gilt aber

Satz 16MB

Sei DD kompakt (also beschränkt und abgeschlossen) und ff stetig auf DD. Dann ist ff auch gleichmäßig stetig auf DD. Insbesondere sind stetige Funktionen auf abgeschlossenen Intervallen gleichmäßig stetig.

Beweis

Der Satz ist ein Spezialfall von Satz 16JZ für metrische Räume und wurde dort bewiesen. □\qed

Beispiel

f=x2f=x^2 und D=[0,1]D=[0,1]. ∣f(x)−f(z)∣=∣x2−z2∣\left|f(x)-f(z)\right|=|x^2-z^2|=∣x+z∣⋅∣x−z∣≤2∣x−z∣=|x+z|\cdot |x-z|\leq 2|x-z|. Für ε>0\varepsilon>0 wählen wir daher δ:=ε2\delta:=\dfrac{\varepsilon}{2} und sehen, dass ff auf [0,1][0,1] gleichmäßig stetig ist.

Beispiel

f=1xf=\dfrac 1 x und D=]0,1]D=]0,1]. ff ist nicht gleichmäßig stetig auf DD.
Für ϵ=1\epsilon=1 zeigen wir, dass es für beliebiges δ>0\delta>0 x,z∈]0,1]x,z\in]0,1] gibt, so dass ∣x−z∣<δ|x-z|<\delta und ∣1x−1z∣>=1\left|\dfrac 1 x -\dfrac 1 z\right|>=1. 1. Fall δ>=1\delta>=1: Die Behauptung ist mit x=1x=1 und z=13z=\dfrac 1 3 erfüllt, da ∣x−z∣=∣1−13∣|x-z|=\left|1-\dfrac 1 3\right| =23<δ=\dfrac 2 3<\delta, aber ∣1x−1z∣\left|\dfrac 1 x -\dfrac 1 z\right| =∣1−3∣=2>=1=|1-3|=2>=1. 2. Fall δ<1\delta<1: Setze x=δx=\delta und z=δ2z=\dfrac \delta 2. Es gilt ∣x−z∣=∣δ−δ2∣|x-z|=\left|\delta-\dfrac \delta 2\right| =−δ2<δ=-\dfrac \delta 2< \delta , aber ∣1x−1z∣\left|\dfrac 1 x -\dfrac 1 z\right| =∣1δ−2δ∣=\left|\dfrac 1\delta -\dfrac 2\delta\right| =∣−1δ∣>1=\left|-\dfrac 1\delta \right|>1, da δ<1\delta<1.
 
 

"Offensichtlich" ist das gefährlichste Wort in der Mathematik.

Eric Temple Bell

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