振荡 (数学)

数学中,函数或序列的振荡是用于量化序列或函数在接近无穷大或某一点时,其极值之间的变化程度的数字。与极限类似,有好几种定义将这一只管概念转化为适合数学处理的形式:实数序列的振荡、实值函数在一点的振荡,以及函数在区间(或开集)上的振荡。

定义
序列的振荡
令(a_n)为实数序列。则序列的\omega(a_n)振荡可定义为(a_n)的上下极限之间的差(可能是无穷大):

:\omega(a_n) = \limsup_{n\to\infty} a_n - \liminf_{n\to\infty} a_n.

当且仅当序列收敛时,振荡为零。若\limsup_{n\to\infty}、\liminf_{n\to\infty}都等于+∞或−∞,即序列趋近于+∞或−∞,则称振荡未定义。

开集函数的振荡
令f为实变量的实值函数,则f在区间I上的振荡是f的上下确界之差:
:\omega_f(I) = \sup_{x\in I} f(x) - \inf_{x\in I} f(x).
更一般地说,若f:X\to\mathbb{R}是拓扑空间X(如度量空间)上的函数,则f在开集U上的振荡为
:\omega_f(U) = \sup_{x\in U} f(x) - \inf_{x\in U}f(x).

函数在一点的振荡
实变函数f在x_0处的振荡定义为f在x_0的\epsilon邻域上的振荡在\epsilon\to 0时的极限:
:\omega_f(x_0) = \lim_{\epsilon\to 0} \omega_f(x_0-\epsilon,x_0+\epsilon).
这等同于函数在x_0处的上下极限之差,前提是x_0不被排除在极限之外。

更一般地说,若f:X\to\mathbb{R}是度量空间上的实值函数,则振荡为
:\omega_f(x_0) = \lim_{\epsilon\to 0} \omega_f(B_\epsilon(x_0)).

示例
)在x = 0处的振荡为2,其他地方都是0。]]
*\frac {1}{x}在x=0处有无穷大的振荡,其他地方均为0。
*\sin \frac {1}{x}(拓扑学家正弦曲线)在x=0处的振荡为2,其他地方均为0。
*\sin x在所有有限的x处的振荡均为0,在−∞、+∞处为2。
*(-1)^x(1, -1, 1, -1, 1, -1...)的振荡为2。

最后一例的序列是周期的,而任何周期(非常值)序列的振荡必不是0。不过,非零振荡无法推出周期性。

从几何角度看,实数振荡函数的图形会沿着xy平面上的某条路径运行,而不会收敛到越来越小的区域。在良态情况下,路径可能看起来像一个循环,即周期性行为;在最糟糕的情况下,则是覆盖整个区域的非常不规则的运动。

连续性
振荡可以用来定义函数的连续性,并且很容易等价于通常的ε-δ定义(对于定义在实线各处的函数):当且仅当振荡为0时,函数ƒ在x0处连续;用符号表示为\omega_f(x_0) = 0.这个定义的好处在于量化了不连续性:振荡给出了函数在某点的不连续程度。

例如,在间断点的分类中有:

  • 可去间断点的函数偏移值等于震荡;
  • 跳跃间断点的函数跳跃值等于震荡(假设该点的值位于两侧极限之间);
  • 第二类间断点中,振荡衡量了极限不存在的程度。

描述集合论中,这个定义有助于研究间断点和连续点的集合:连续点是振荡小于ε的集合的交集(于是是Gδ集),并给出了勒贝格可积条件一个方向的快速证明。

通过简单的重排和极限(上极限和下极限)来定义振荡,可以等价于ε-δ定义:若(在某点)对给定的ε0,没有能满足ε-δ条件的δ,则振荡大于等于ε0;反之,若对每个ε都有能满足的δ,则振荡为0。振荡定义可以自然地推广到从拓扑空间到度量空间的映射。

推广
更一般地,设f : XY是拓扑空间X到度量空间Y的函数,则*f的振荡*可定义在每个xX*:

:\omega(x) = \inf\left\{\mathrm{diam}(f(U))\mid U\mathrm{\ is\ a\ neighborhood\ of\ }x\right\}

另见

  • 波动函数
  • 包络
  • 格兰迪级数
  • 有界平均振动

参考文献
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