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¿Puede una función continua de ninguna parte tener un gráfico conectado?

Después de notar que la función de $f: \mathbb R\rightarrow \mathbb R $ $$ f(x) = \left\{\begin{array}{l} \sin\frac{1}{x} & \text{for }x\neq 0 \\ 0 &\text{for }x=0 \end{array}\right. $$ tiene una gráfica que es un conjunto conectado, a pesar de que la función no es continua en $x=0$, empecé a preguntarme, haces existe una función de $f: X\rightarrow Y$ que no está ni continuas, pero todavía tiene un grafo conexo?

Me gustaría considerar tres casos

  • $X$ e $Y$ siendo general de espacios topológicos
  • $X$ e $Y$ siendo los espacios de Hausdorff
  • AÑADIDO: $X=Y=\mathbb R$

Pero si tienen la respuesta para otros, más específicos casos, puede ser interesante también.

29voto

sewo Puntos 58

Aquí hay un ejemplo para $\mathbb R^2 \to \mathbb R$ :

$$ f (x, y) = \begin{cases} y & \text{when }x=0\text{ or }x=1 \\ x & \text{when }x\in(0,1)\text{ and }y=0 \\ 1-x &\text{when }x\in(0,1)\text{ and } y=x(1-x) \\ x(1-x) & \text{when }x\notin\{0,1\}\text{ and } y/x(1-x) \notin\mathbb Q \\ 0 & \text{otherwise} \end {casos} $$

Esto se ve fácilmente como discontinuo en todas partes. Pero su gráfica está conectada por el camino .


Una construcción similar pero más simple, también $\mathbb R^2\to\mathbb R$ :

$$ \begin{align} g(1 + r\cos\theta, r\sin\theta) = r & \quad\text{for }r>0,\; \theta\in\mathbb Q\cap[0,\pi] \\ g(r\cos\theta, r\sin\theta) =r & \quad \text{for }r>0,\; \theta\in\mathbb Q\cap[\pi,2\pi] \\ g(x,y) =0 & \quad\text{everywhere else} \end {align} $$

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YuiTo Cheng Puntos 15

Echa un vistazo a este artículo:

F. B. Jones, Totalmente discontinuo lineal de las funciones cuyas gráficas son conectados, de 23 de noviembre, (1940).

Resumen:

Cauchy descubierto antes de 1821 que una función que satisface la ecuación $$ f(x)+f(y)=f(x+y) $$ es continuo o totalmente discontinuo. Después de Hamel demostró la existencia de una función discontinua, muchos matemáticos se ha preocupado por los problemas que surgen a partir del estudio de tales funciones. Sin embargo, la siguiente pregunta parece haber quedado sin respuesta: Desde el plano de la imagen de una función de este tipo (la gráfica de $y =f(x)$) debe ser conectado o ser totalmente desconectado, se debe a que la función sea continua si su imagen está conectado? La respuesta es no.

En particular, el Teorema 5 se presenta un lugar función continua $f:\Bbb R \rightarrow \Bbb R$ cuya gráfica está conectado.


Si Conway base 13 de la función es un ejemplo de ello sigue siendo desconocido. (al menos en MSE; ver Es el gráfico de Conway de la base 13 de la función conectado?) Resulta que la gráfica de Conway de la base 13 de la función es totalmente desconectados. Ver este brillante respuesta.

12voto

Adam Malter Puntos 96

No es una simple estrategia general para muchas preguntas de este tipo, que es simplemente el intento de construir un contraejemplo por inducción transfinita. Primero vamos a pensar acerca de lo que significa para el gráfico de $G$ de una función de $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ a ser desconectado. Significa que hay abierto conjuntos de $U,V\subset\mathbb{R}^2$ tal que $U\cap G$ e $V\cap G$ son tanto vacío, y juntos forman una partición de $G$ (vamos a decir $(U,V)$ separa $G$ en este caso). Así, para hacer $G$ conectado, solo tenemos a uno-por-uno descartar cada par $(U,V)$ a partir de la separación de él.

Así, entonces, aquí es el de la construcción. Fijar una enumeración $(U_\alpha,V_\alpha)_{\alpha<\mathfrak{c}}$ de todos los pares de subconjuntos abiertos de $\mathbb{R}^2$. Por una recursión transfinita de longitud $\mathfrak{c}$ definimos los valores de una función $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$. En el $\alpha$th paso, se añade un nuevo valor de $f$ para prevenir $(U_\alpha,V_\alpha)$ desde la separación de la gráfica de $f$, si es necesario. ¿Cómo hacemos eso? Bien, si es posible, se define un nuevo valor de $f$ tales que el punto correspondiente en el gráfico de $G$ será en el $U_\alpha\cap V_\alpha$ o no se en $U_\alpha\cup V_\alpha$, lo $U_\alpha\cap G$ e $V_\alpha\cap G$ no partición de $G$.

Si esto no es posible, entonces, $U_\alpha$ e $V_\alpha$ debe partición $A\times\mathbb{R}$ donde $A\subseteq\mathbb{R}$ es el conjunto de puntos donde todavía no hemos definido $f$. Desde $\mathbb{R}$ está conectado, esto significa que podemos partición $A$ en los conjuntos de $B$ e $C$ (ambos abiertos en $A$) tal que $U_\alpha\cap (A\times\mathbb{R})=B\times\mathbb{R}$ e $V_\alpha\cap (A\times\mathbb{R})=C\times\mathbb{R}$. Ahora ya hemos definido a menos de $\mathfrak{c}$ valores de $f$ hasta el momento en esta construcción, $|\mathbb{R}\setminus A|<\mathfrak{c}$ y, en particular, $A$ es denso en $\mathbb{R}$. Si $B$ estaban vacías, a continuación, $U_\alpha$ tendría vacío interior y por lo tanto estaría vacía, y por lo $(U_\alpha,V_\alpha)$ nunca se puede separar la gráfica de $f$. Una conclusión similar se aplica en el caso $C$ está vacía, así que vamos a asumir que tanto $B$ e $C$ son no vacíos. De ello se desprende que $\overline{B}$ e $\overline{C}$ no puede ser discontinuo (de lo contrario sería un trivial partición de $\mathbb{R}$ en subconjuntos cerrados), así que hay un punto de $x\in\mathbb{R}\setminus A$ que es un punto de acumulación de ambos $B$ e $C$. Desde $x\not\in A$, ya hemos definido $f(x)$. Nota ahora que $(x,f(x))\not\in U_\alpha$, desde el $U_\alpha$ contendría un abrir pelota alrededor de $(x,f(x))$ , y por lo tanto se cruzan $C\times\mathbb{R}$. Del mismo modo, $(x,f(x))\not\in V_\alpha$. Por lo tanto $U_\alpha$ e $V_\alpha$ ya no contienen la totalidad de la gráfica de $f$, y así no tenemos que hacer nada para evitar que se separen de ella.

Al final de esta construcción que tendrá una función parcial $\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ tal que, por construcción, su gráfica no se separa por cualquier par de subconjuntos abiertos de $\mathbb{R}^2$, y la misma está garantizada para mantener para cualquier extensión de nuestra función. Se extiende a un total de función, obtenemos un total de función $f:\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ cuya gráfica está conectado. Pero claro que podemos organizar en esta construcción para $f$ a estar en ninguna parte continua; por ejemplo, podríamos empezar por definir $f$ en todos los racionales, de modo que la imagen de cada intervalo abierto es denso en $\mathbb{R}$. De hecho, la construcción muestra que cualquier función parcial $\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ definido en un conjunto de cardinalidad menor que $\mathfrak{c}$ puede ser extendido a un total de la función cuya gráfica está conectado. (O incluso más fuerte, usted podría comenzar con parciales de la función cuyo dominio omite $\mathfrak{c}$ puntos de cada intervalo, ya que es todo lo que necesita para garantizar que el conjunto de $A$ es denso en cada paso.)

1voto

John Hughes Puntos 27780

No una respuesta

Muy buena pregunta, y no tengo una respuesta para usted, pero tengo algunas pequeñas reflexiones:

Sumando el peso y los desplazados copias de $f$, usted puede conseguir discontinuidades en muchos lugares. Por ejemplo, usted podría escribir $$ F(x) = \sum_{n \in \Bbb Z} \frac{f(x-n)}{1+n^2} $$ Que va a tener un $f$-como discontinuidad en cada número entero.

Digresión Un comentario se pregunta si el gráfico está todavía conectado. Permítanme mostrarles que es a $x = 1$ como un ejemplo, el cual debe ser razonablemente convincente para otros enteros puntos. (Para los no-entero puntos, $F$ es continuo, de modo que estamos bien).

Escribir \begin{align} F(x) &= \frac{1}{2} f(x-1) + \sum_{n\ne 1 \in \Bbb Z} \frac{f(x-n)}{1+n^2}\\ &= \frac{1}{2} f(x-1) + G_1(x) \end{align} donde $G_1$ es una función que es continua en $x = 1$.

Echemos un vistazo a la gráfica de $F$ cerca de $1$, por ejemplo en el intervalo de $(3/4, 5/4)$. Es exactamente $$ K = \{ (x, \frac{1}{2} f(x-1) + G_1(x)) \mediados de 3/4 < x < 5/4 \} $$

Contraste esto con la gráfica de $f$ cerca de $0$, que es $$ H = \{ (x, f(x)) \mid -1/4 < x < 1/4 \} $$ y que sabemos (de estándar de cálculo de los libros como Spivak) para ser conectado.

Ahora veamos la función $$ S : K \H : (x, y) \mapsto (x-1, y - G_1(x)) $$ Esto es claramente continua y un bijection (e incluso se extiende a un bijection de un (vertical) barrio de $K$ a un barrio de $H$), por lo $K$ también está conectado.

Fin de la digresión

Y, a continuación, para los números finitos base-2-expansiones, usted puede hacer el mismo tipo de cosa: vamos a $$ G(x) = \sum_{k \in \Bbb Z, k > 0} \frac{1}{2^k} F(2^k x) $$ y que va a tener $f$-como discontinuidades en todos los puntos, con un límite de base 2 de representaciones, que es un denso conjunto en $\Bbb R$.

Pero tengo la sensación de que se tiraba a las incontables-conjunto del territorio va a ser mucho más difícil.

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