方企勤 第五章 多元函数微分学 第10题

教材习题

📝 题目

例 10 设 $f\left( {x,y}\right)$ 定义在开集 $\Omega$ 内,若 $f\left( {x,y}\right)$ 对 $x$ 连续,对 $y$ 满足李普希兹条件,即 $\forall \left( {x,{y}^{\prime }}\right) ,\left( {x,{y}^{\prime \prime }}\right) \in \Omega$ ,有

$$ \left| {f\left( {x,{y}^{\prime }}\right) - f\left( {x,{y}^{\prime \prime }}\right) }\right| \leq L\left| {{y}^{\prime } - {y}^{\prime \prime }}\right| \;\left( {L\text{ 为常数 }}\right) . $$

求证: $f\left( {x,y}\right)$ 在 $\Omega$ 上连续.

💡 答案解析

证 $\forall \left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) \in \Omega$ ,由于 $f\left( {x,{y}_{0}}\right)$ 在 ${x}_{0}$ 点连续,所以 $\forall \varepsilon > 0$ , $\exists {\delta }_{1}\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) > 0$ ,当 $\left| {x - {x}_{0}}\right| < {\delta }_{1}$ 时,有

$$ \left| {f\left( {x,{y}_{0}}\right) - f\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) }\right| < \varepsilon /2. \tag{1.5} $$

取 ${\delta }_{2} = \varepsilon /\left( {2L}\right) > 0$ ,当 $\left| {y - {y}_{0}}\right| < {\delta }_{2}$ 时,由条件可得

$$ \left| {f\left( {x,y}\right) - f\left( {x,{y}_{0}}\right) }\right| \leq L\left| {y - {y}_{0}}\right| < L \cdot \varepsilon /\left( {2L}\right) = \varepsilon /2. $$

(1.6)

只要取 $\delta = \min \left( {{\delta }_{1},{\delta }_{2}}\right) > 0$ ,当 $\left| {x - {x}_{0}}\right| < \delta ,\left| {y - {y}_{0}}\right| < \delta$ ,且邻域 $U\left( {\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) ;\delta }\right) \subset \Omega$ ,则有

$$ \left| {f\left( {x,y}\right) - f\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) }\right| $$

$$ \leq \left| {f\left( {x,y}\right) - f\left( {x,{y}_{0}}\right) }\right| + \left| {f\left( {x,{y}_{0}}\right) - f\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right) }\right| $$

$$ \leq \varepsilon /2 + \varepsilon /2 = \varepsilon \text{ (由式子(1.5) 与(1.6)), } $$

即 $f\left( {x,y}\right)$ 在 $\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right)$ 点连续. 由 $\left( {{x}_{0},{y}_{0}}\right)$ 的任意性,知 $f\left( {x,y}\right) \in {C\Omega }$ .

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:任取一点(x0,y0)∈Ω,证明f在该点连续
任取(x0,y0)∈Ω,由于f(x,y0)在x0连续,故∀ε>0,∃δ1>0,当|x-x0|<δ1时,|f(x,y0)-f(x0,y0)|<ε/2。
公式:|f(x,y0)-f(x0,y0)|<ε/2
提示:利用f对x的连续性
步骤 2/4
目标:利用李普希兹条件控制y方向增量
取δ2=ε/(2L)>0,当|y-y0|<δ2时,由李普希兹条件得|f(x,y)-f(x,y0)|≤L|y-y0|
公式:|f(x,y)-f(x,y0)|≤L|y-y0|<ε/2
提示:注意Lipschitz条件中的常数L
步骤 3/4
目标:取δ=min(δ1,δ2),验证连续性
取δ=min(δ1,δ2)>0,当|x-x0|<δ,|y-y0|<δ且邻域U((x0,y0);δ)⊂Ω时,有|f(x,y)-f(x0,y0)|≤|f(x,y)-f(x,y0)|+|f(x,y0)-f(x0,y0)|<ε/2+ε/2=ε。
公式:|f(x,y)-f(x0,y0)|<ε
提示:使用三角不等式拆分
步骤 4/4
目标:由任意性得f在Ω上连续
由(x0,y0)的任意性,知f(x,y)在Ω上连续。
提示:连续性定义

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