对Lipschitz连续的理解

学术   2023-09-22 19:39   中国香港  

Lipschitz连续性是以德国数学家Rudolf Lipschitz命名的一种函数的强形式的均匀连续性。直观地说,Lipschitz连续函数的变化速度是有限的,表述为:存在一个实数,对于该函数图上的任意一对点,连接它们的线段的斜率的绝对值不大于该实数;这样的上界被称为该函数的Lipschitz常数(与均匀连续性模数相关)。例如,定义在区间上且具有有界一阶导数的每个函数都是Lipschitz连续的。

在微分方程理论中,Lipschitz连续性是Picard-Lindelöf定理的核心条件,该定理保证了初值问题的解的存在性和唯一性。名为收缩的一种特殊类型的Lipschitz连续性在Banach不动点定理中被使用。

对于一维函数来说,在某一点可导意味着存在定义在的某个邻域内的一个常数,使得

这个常数就是该点的导数,符合导数定义的极限。

而Lipschitz连续则是一个强的连续性条件。对于一维函数,如果存在常数,使得对于任意的,都有

那么函数就是Lipschitz连续的。

从定义上来看,连续可导的函数一定是连续函数,而Lipschitz连续则是对连续函数施加了更强的限制。

具体地说,在一维情况下,如果一个函数在某个区间上可导,那么它也是该区间上的连续函数。但Lipschitz连续则要求函数在整个定义域上都具备一定的斜率上限。

举个简单的例子,函数在整个实数域上都是连续可导的,因为对于任意的,导数在整个区间上是连续的。但是不是一个Lipschitz连续函数,因为它的斜率没有上界。

定义

给定两个度量空间,这里表示集合上的度量,表示集合上的度量,如果存在一个实常数 ,使得对于X中的任意

则称函数是Lipschitz连续的。这样的 被称为函数的Lipschitz常数,也可以称为 K-Lipschitz。最小的常数有时被称为f的(最佳的)Lipschitz常数或者f的膨胀率。如果,则该函数被称为短映射,如果且f将度量空间映射到自身,则该函数被称为收缩。

特别地,对于实值函数,如果存在正实常数 K,使得对于所有实数 x_1 和 x_2,

在这种情况下,Y是具有标准度量的实数集R,而X是R的子集。

一般来说,如果,则不等式(显然)成立。否则,可以等价地定义一个函数是Lipschitz连续的,如果且仅如果存在一个常数 ,使得对于所有

对于多个实变量的实值函数来说,如果所有割线的斜率的绝对值都被所限制,这个条件就成立。通过通过函数图上的某一点的斜率为的所有直线形成一个圆锥体,当且仅当函数的图在这个圆锥体的外面时,该函数是Lipschitz的。

如果对于中的每个都存在一个邻域,使得上的是Lipschitz连续的,则函数称为局部Lipschitz连续的。等价地,如果是局部紧的度量空间,则f在X的每个紧子集上都是Lipschitz连续的。在不是局部紧的空间中,这是一个必要但不充分的条件。

更一般地说,如果对于在X上定义的函数,存在常数,使得对于X中的所有

则称函数f满足X上的Hölder连续性或满足顺序的Hölder条件。有时,顺序的Hölder条件也称为顺序的均匀Lipschitz条件。

对于实数,如果对于X中的所有

如果存在一个常数K,那么函数就被称为K-双Lipschitz(也可写作K-bi-Lipschitz)。我们说函数是双Lipschitz的,意味着存在这样的。双Lipschitz映射是单射,并且实际上是一个同胚映射到它的图像上。双Lipschitz函数与一个反函数也是Lipschitz的一样。

举例

在所有点处可微的Lipschitz连续函数

对于定义在所有实数上的函数,它是Lipschitz连续的,Lipschitz常数,因为它在所有点都可微,且导数的绝对值被上界为1所限制。在“性质”下面列出的第一条性质中有详细说明。

同样地,正弦函数是Lipschitz连续的,因为它的导数,即余弦函数,在绝对值上被上界为1所限制。

在所有点处不可微的Lipschitz连续函数

对于定义在实数上的函数,它在实数上是Lipschitz连续的,Lipschitz常数等于1,根据反三角不等式。更一般地说,在向量空间上的范数是与相关度量的Lipschitz连续函数,Lipschitz常数等于1。

在所有点处可微但不连续可微的Lipschitz连续函数

函数,它的导数存在,但在处有本质不连续。

不是(全局)Lipschitz连续的连续函数

定义在区间上的函数不是Lipschitz连续的。当接近0时,这个函数变得无穷陡,因为它的导数变得无穷大。然而,它是一致连续的,并且在上既是α类的Hölder连续函数,也是绝对连续的(这两个条件都意味着前者)。

不是(局部)Lipschitz连续的可微函数

根据(对于),可以给出一个在紧致集上可微但不邻域Lipschitz连续的函数的例子,因为其导数函数没有界限,可参考下述的第1条性质。

不是(全局)Lipschitz连续的解析函数

指数函数在时变得任意陡峭,因此尽管是解析函数,它并不是全局Lipschitz连续的。定义在所有实数上的函数也不是Lipschitz连续的。当趋近于无穷大时,该函数变得任意陡峭。但是,它是局部Lipschitz连续的。

性质

  • 如果处处可微的函数是Lipschitz连续的(具有),当且仅当它的导函数有界;其中一个方向是由于中值定理可得。特别地,任何连续可微函数都是局部Lipschitz连续的,因为连续函数在局部是有界的,所以它的梯度也是局部有界的。

  • Lipschitz函数是绝对连续的,因此几乎处处可微,也就是在零测集外的每个点都可微。其导函数的绝对值被Lipschitz常数本质上限制,对于,差值等于导函数在区间上的积分。

    • 反过来,如果是绝对连续的,因此在几乎所有(在中)都满足的条件,则是Lipschitz连续的,Lipschitz常数最大为

    • 更一般地说,Rademacher定理将可微性结果扩展到欧几里得空间的Lipschitz映射之间:Lipschitz映射,其中中的开集,几乎处处可微。此外,如果的最佳Lipschitz常数,则总导数存在时有

  • 对于一个可微的Lipschitz映射,不等式成立,其中的最佳Lipschitz常数。如果定义域是凸的,那么实际上。假设是两个度量空间之间的Lipschitz连续映射的序列,并且所有的都有被某个限制的Lipschitz常数。如果一致收敛于一个映射,那么也是Lipschitz的,Lipschitz常数被同样的限制。特别地,这意味着在具有特定Lipschitz常数的紧致度量空间上的实值函数集是连续函数的闭凸子集。然而,对于可能具有无界Lipschitz常数的函数序列,该结果不成立。事实上,在紧致度量空间上的所有Lipschitz函数的空间是连续函数Banach空间的子代数,因此在其中是稠密的,这是Stone-Weierstrass定理的一个基本推论(也是Weierstrass逼近定理的结果,因为每个多项式都是局部Lipschitz连续的)。

  • 每个Lipschitz连续映射都是一致连续的,因此也是连续的。更一般地,具有有界Lipschitz常数的函数集合构成一个等度连续集。Arzelà-Ascoli定理暗示了如果是一个有界一致Lipschitz常数的函数序列,那么它有一个收敛的子序列。根据前一段的结果,极限函数也是Lipschitz的,并且具有相同的Lipschitz常数上界。特别地,在具有Lipschitz常数的紧度量空间上的所有实值Lipschitz函数构成了Banach空间的一个局部紧凸子集。

  • 对于具有相同常数的Lipschitz连续函数家族,函数(和)也是Lipschitz连续的,并且具有相同的Lipschitz常数,前提是它至少在某一点上取得有限值。

  • 如果是度量空间的一个子集,是Lipschitz连续函数,总是存在Lipschitz连续映射扩展并且具有与相同的Lipschitz常数(参见Kirszbraun定理)。可以通过以下方式进行扩展:

    其中的Lipschitz常数。

Lipschitz流形

在拓扑流形上定义一个Lipschitz结构,使用一组图表的过渡映射是双Lipschitz的;这是可能的,因为双Lipschitz映射构成了一个伪群。这样的结构允许我们定义两个流形之间的局部Lipschitz映射,类似于如何定义两个光滑流形之间的光滑映射:如果是Lipschitz流形,那么一个函数是局部Lipschitz的,当且仅当对于每一对坐标图,其中是相应欧氏空间中的开集,复合映射

是局部Lipschitz的。该定义不依赖于对定义度量。

这种结构介于分段线性流形和拓扑流形之间:分段线性结构会产生唯一的Lipschitz结构。尽管Lipschitz流形与拓扑流形密切相关,但Rademacher定理使我们能够进行分析,从而获得各种应用。

单边Lipschitz

设F(x)是x的上半连续函数,并且对于所有x,F(x)是一个闭凸集。那么如果对于所有存在某个使得

则F是单边Lipschitz的。

函数F的Lipschitz常数可能非常大,但单边Lipschitz常数可能适中,甚至为负。例如,函数

的Lipschitz常数K = 50,而单边Lipschitz常数。一个单边Lipschitz但不是Lipschitz连续的例子是,其

参考文献:Wiki百科


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