半連續

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定義在拓撲空間E上的數值函式f稱為在E的點x0下(上)半連續,如果對滿足bf(x0))的R上任一元素b,存在x0的鄰域V,使對V上的任一點x,bf(x)),如果f在E上的任一點都是下(上)半連續的,則稱f在E上是下(上)半連續的。 為使數值函式f在x0點是連續的,必須且只須它在該點既是下半連續又是上半連續的。為使f在點x0下半連續,必須且只須其反號函式-f在該點上半連續。設(fi)i∈I為定義在拓撲空間E上、而在E的點x0下半連續的數值函式族, 則族(fi)i∈I的上包絡在x0點下半連續,如果集合I是有限的,則族(fi)i∈I的下包絡在x0點也是下半連續的,為使拓撲空間E的一個子集是開的(閉的),必須且只須它的特徵函式在E上是下(上)半連續的。在緊空間上定義且下半連續的數值函式f可達到其下確界。

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如果某個函式 的上圖是閉集,我們稱 為閉函式。閉性與經典的下半連續性的概念有關,函式 是在向量 處下半連續的,如果

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對於每個滿足 的點列 成立,我們稱 是 下半連續的 (lower semicontinuous),如果它在定義域X的每一點x處都是下半連續的,我們稱 是 上半連續的(upper semicountinous),如果 是下半連續的,這些定義與針對實函式的相應定義是一致的。

相關性質定理

以下命題將函式的閉性、下半連續性和函式水平集的閉性聯繫起來。見圖1

圖1 圖1
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圖1 函式上圖和它的水平集關係的示意圖,易見水平集 經過平移後等同於 和“切片” 的交集,這表明 為閉若且唯若所有的水平集為閉。

命題1

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對於函式

,以下各款等價:
(i)水平集對每個標量均為閉;
(ii)函式為下半連續的;
(iii)集合為閉。
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證明: 如果 對所有 成立,那么結果是平凡的,顯然成立。我們假定 對至少一個 成立,這樣 就是非空的,且至少有一個非空的水平集,先來證明(i)蘊含(ii)。假定水平集 對於每個標量 都是閉的,反設

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對某個 和收斂到 的點列 成立,並且令 為滿足

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的標量。那么必存在子列使得對所有成立,於是成立,由於是閉的,必然也屬於,於是,從而導出矛盾。
下面證明(ii)蘊含(iii),假定在上為下半連續,並令為點列
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的極限,於是我們有 ,進而令 ,由 在 處的下半連續性,我們得到

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於是, 故 為閉。

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最後證明(iii)蘊含(i)。假定

為閉,且令為點列,它收斂到某個且屬於對應於某個標量的水平集,於是對於所有的k成立,並且,因而由於為閉,我們有
,故屬於,這意味著這個集合是閉的。

在大部分推導中,我們傾向於採用閉性的概念,而較少用到下半連續性,其中的一個原因是,不同於閉性,下半連續性是一個與定義域有關的性質。例如,由

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定義的函式 既不是閉的也不是下半連續的;但如果把它的定義域限制到(0,1)上,就變成為下半連續。

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另一方面,如果函式 具有閉的有效定義域且在每個 處均為下半連續,那么 必然是閉的,我們把這個結論敘述為一個命題,其證明可以據命題1證明(ii)蘊含(iii)的過程給出。

命題2

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為一函式,如果它的有效定義域是閉的,且在每個處均是下半連續的,那么函式是閉的。
舉例來說,集合X的示性函式為閉若且唯若X是閉的(“當”的部分可以根據上述命題得出,而“僅當”的部分可以用上圖的定義導出),更一般地,如果是形如
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的函式,其中 為連續函式,那么可以證明 是閉的若且唯若X是閉的。

最後需要指出非真的閉凸函式非常特殊:它不能在任何點上取有限值,因此它具有如下形式

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為明白其中的原因,讓我們來考慮非真的閉凸函式 ,並假定存在著某個x使得 為有限.令 滿足 。(這樣的點必然存在,因為 是非真的並且 不恆等於∞),因為 是凸的,可知每個點

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都滿足 ,同時有 ,因為 是閉的,這意味著 ,從而導出矛盾,總之, 非真的閉凸函式在任何點都不能取有限值。

性質1

若干個半連續函式,它們的和是一個無處半連續的函式。

性質2

兩個半連續函式,其最小值函式並不半連續。

性質3

一個收斂的上半連續函式序列,其極限函式並不上半連續。

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