陶哲轩实分析 命题 13.3.2 最大值原理

本文探讨了在紧致度量空间中连续函数的有界性及其最大值和最小值的存在性。利用全有界性和紧致性的性质,证明了连续函数在该空间中有界,并能在某点取得其最大值和最小值。
设 $(X,d)$ 是紧致度量空间,并设 $f:X\to\mathbf{R}$ 是连续函数,那么 $f$ 是有界的.更进一步, $f$ 在某点 $x_{\max}\in X$ 达到它的最大值,也在某点 $x_{\min}$ 达到它的最小值.
证明:我先证明 $f$ 在 $X$ 上有界.根据 陶哲轩实分析习题 12.5.10 ,$X$ 是全有界的,意即对于任意给定的正实数 $\varepsilon$,都存在一个有限的开球族覆盖 $X$,且该开球族中的每个开球的半径都为 $\varepsilon$.我们只用证明 $f$ 在每个开球上都有界即可(为什么?)这根据 $f$ 的连续性是很容易证明的. 下面我来证明 $f$ 在 $X$ 上能达到最大值(最小值类似,不予详述).由于   $f$ 在 $X$ 上有界,因此 $f$ 在 $X$ 上有上确界.下证 $f$ 在 $X$ 上必定能达到这个上确界.假如 $f$ 在 $X$ 上不能达到这个上确界,则意味着 $f$ 在 $X$ 上存在着一个序列 $$f(x_1),f(x_2),\cdots,f(x_n),\cdots$$ 该序列的极限是 $f$ 在 $X$ 上的上确界 $a$.由于 $X$ 的紧致性,因此序列 $$x_1,x_2,\cdots,x_n,\cdots$$ 在 $X$ 上有收敛子列收敛到 $X$ 上的一个元素 $p$,下面证明 $f(p)=a$.这是容易的(具体怎么证留给读者). 可见与假设矛盾,因此 $f$ 在 $X$ 上能达到上确界,该上确界即 $f$ 在 $X$ 上的最大值.$\Box$

转载于:https://www.cnblogs.com/yeluqing/archive/2013/03/07/3827435.html

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