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  • 1 # 使用者417387147807

    19世紀的德國數學家狄利克雷提出一個函式:

    這屬於一個人造函式,而這個函式本身卻給我們帶來很多深刻的思考。

    首先最好來感受一下這個函式。當x取有理數的時候,函式值為1;當x取無理數的時候,函式值為0。這裡糾結的地方在哪裡呢?無理數和有理數密密麻麻地摻雜在一起,任意兩個無理數之間有無窮多個有理數,任意兩個有理數之間有無窮多個無理數。也就是不管x的區間取得多麼小,函式值會急劇地在0與1之間反覆跳動。

    這種跳動不是一般的函式波動,而是捉摸不到的、極其迅速的跳變。因此狄利克雷函式是極度不連續的。

    所以,狄利克雷函式的一個重要特點就是:無法作圖。你可以試著把x軸上的有理數和無理數進行分離,屬於有理數的點上升一個單位,屬於無理數的點停留在原處。當然,這隻能存在於想象中,圖形無法表示。

    這就使得函式的概念擴大了。函式不一定需要表示式,甚至不需要影象,它成為了一個抽象的概念。只要存在某種對應關係,我們就可以稱之為函式。

    我們接著探究一下狄利克雷函式的奇偶性和週期性。

    假設x是在正半軸上的,如果它是有理數,-x也為有理數;如果它是無理數,-x也為無理數。例如 ,那麼 。所以對於一切x, 。於是狄利克雷函式是偶函式,也就是它的影象是軸對稱的,是可以關於y軸折起來的(實數的對稱性)。

    再說週期性。任何有理數都可以作為狄利克雷函式的週期。即 。如果x為有理數,則有1=1;如果x為無理數,則有0=0。

    無理數可不可以作為函式的週期呢?答案是否定的。假設無理數可以作為週期,肯定有 。如果我取 ,則得到1=0。然而這是不成立的,說明假設是錯誤的。

    最後,我們回到函式的“極度”不連續上。“極度”的意思就是函式“影象”下面沒有面積,也就是它和x軸圍不出面積。那麼我們就要去問:函式不連續到什麼程度它下面才會沒有面積?

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