康托尔函数

[[File:CantorFunction.svg|300px|right|thumb|区间[0,1]上的康托尔函数]]
在数学中,以数学家格奥尔格·康托尔命名的康托尔函数,是一个一致连续,却不绝对连续的函数。

定义
康托尔函数 c : [0,1] → [0,1] ,对于x∈[0,1],其函数值c(x)可由以下步骤得到:

以三进制表示x。

如果x中有数字1,就将第一个1之后的所有数字换成0。

将所有数字2换成数字1。

以二进制读取转换之后的数,这个数即为c(x)。

例如:

  • 1/4以三进制表示为0.020202...,其中并没有1,因此经过第二步仍然是0.020202...,第三步转换为0.010101...,将其视为二进制,则为1/3,因此c(1/4)=1/3。
  • 1/5以三进制表示为0.01210121...,第二步转换为0.01,由于其中没有2,因此经过第三步后仍是0.01,视为二进制则为1/4,因此c(1/5)=1/4。
  • 200/243以三进制表示为0.21102(即0.2110122222...),第二步转换为0.21,第三步转换为0.11,视为二进制则为3/4,因此c(200/243)=3/4。

其它定义
性质构造
若在[0, 1]上定义的f(x)满足下列四个条件,则f(x)即为康托尔函数:

\forall 0 \le x

f(0)=0

f(\frac{1}{3} x)=\frac{1}{2} f(x)

f(1-x)=1-f(x)

迭代构造
下面构造一个函数序列{fn(x)},这个序列将收敛于康托尔函数:
首先定义
:f_0(x) = x
接下来,对于每个正整数n,函数fn+1(x)都由函数fn(x)定义:
:f_{n+1}(x) =
\begin{cases}
\frac{1}{2} \times f_n(3x) &\mbox{if } 0 \le x
检查 fn(x)是否每个点都收敛于之前定义的康托尔函数,可以发现,
:\max_{x \in [0, 1]} |f_{n+1}(x) - f_n(x)| \le \frac 1 2 \, \max_{x \in [0, 1]} |f_{n}(x) - f_{n-1}(x)|, \quad n \ge1.
设f(x)是极限函数, 那么对于任意非负整数n都有,
:\max_{x \in [0, 1]} |f(x) - f_n(x)| \le 2^{-n+1} \, \max_{x \in [0, 1]} |f_1(x) - f_0(x)|.
另外可以注意到只要满足f0(0) = 0, f0(1) = 1 且f0 有界,起始函数f0(x)具体是什么函数并不重要。
參考資料

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