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Gleichmäßige Stetigkeit

Bei gleichmäßig stetigen Funktionen kann um jeden Punkt des Graphen ein Rechteck mit Höhe {\displaystyle 2\epsilon } und Breite 2\delta eingezeichnet werden, ohne dass der Graph direkt ober-/unterhalb des Rechtecks liegt. Die Funktion {\displaystyle g(x)={\sqrt {x}}} ist gleichmäßig stetig. Hier verläuft der Graph nur innerhalb des Rechtecks. Bei der Funktion f(x)={\tfrac  1x} ist dies aber nicht der Fall. Bei kleinen Argumenten in der Nähe der Null verändert sich die Funktion so stark, dass Funktionswerte direkt ober- bzw. unterhalb des Rechtecks liegen.

Die Gleichmäßige Stetigkeit ist eine stärkere Form der Stetigkeit und damit ein Begriff der Analysis. Bei einer gleichmäßig stetigen Funktion ist der Abstand beliebiger Paare von Funktionswerten kleiner als ein beliebig vorgegebener Maximalfehler, solange die Argumente hinreichend nah beieinanderliegen.

Definition

Sei D eine Teilmenge von \mathbb {R} , kurz D\subseteq \mathbb{R} .

Eine Abbildung f\colon D\rightarrow \mathbb{R} heißt gleichmäßig stetig genau dann, wenn

\forall \varepsilon >0~\exists \delta >0~\forall x,x_{0}\in D\colon |x-x_{0}|<\delta \Rightarrow |f(x)-f(x_{0})|<\varepsilon .

Zur besseren Unterscheidung bezeichnet man die gewöhnliche Stetigkeit, wenn sie in jedem Punkt von D gegeben ist, auch als punktweise Stetigkeit.

Die Besonderheit der gleichmäßigen Stetigkeit besteht darin, dass \delta nur von \varepsilon und nicht, wie bei der punktweisen Stetigkeit, noch zusätzlich von der Stelle x_{0} abhängt.

Anschaulich bedeutet das: Zu jeder noch so kleinen senkrechten Rechteckseite \varepsilon kann man eine hinreichend kleine waagrechte Rechteckseite \delta finden, sodass, wenn man das Rechteck mit den Seiten \varepsilon ;\delta geeignet auf dem Funktionsgraphen entlangführt, dieser immer nur die senkrechten Rechtecksseiten schneidet. (Bsp.: Wurzelfunktion auf (0,\infty )).

Beispiele

Betrachte die Funktion

f\colon \mathbb{R} ^{+}\rightarrow \mathbb{R} ^{+} mit f(x)=x^{2}:

Quadratic-function-uniform-continuity.svg

Diese ist stetig, aber nicht gleichmäßig stetig: Je weiter rechts man in einem der \delta -Streifen zwei Punkte wählt, desto größer kann der Abstand der beiden Funktionswerte werden und somit unser gewähltes \varepsilon übersteigen. Dies entspricht nicht der Definition gleichmäßiger Stetigkeit: Der Abstand der Funktionswerte muss für jede Wahl zweier solcher Stellen kleiner als ein vorgegebenes \varepsilon sein. Das ist bei dieser Funktion nicht der Fall.

Weiterhin gilt: Jede Einschränkung von f auf ein kompaktes Intervall ist gleichmäßig stetig. Dies folgt unmittelbar aus dem Satz von Heine.

Ein anderes Beispiel ist die stetige Funktion

f\colon \mathbb{R} ^{+}\rightarrow \mathbb{R} ^{+} mit f(x)={\sqrt  {x}}

die gleichmäßig stetig, sogar hölderstetig, aber nicht lipschitzstetig ist.

Verallgemeinerung: metrische Räume

Allgemeiner wird auch folgende Definition verwendet:

Seien (X,d_{X}),(Y,d_{Y}) zwei metrische Räume. Eine Abbildung f\colon X\rightarrow Y heißt gleichmäßig stetig genau dann, wenn

\forall \varepsilon >0~\exists \delta >0~\forall x,x_{0}\in X\colon d_{X}(x,x_{0})<\delta \Rightarrow d_{Y}(f(x),f(x_{0}))<\varepsilon .

Verallgemeinerung: uniforme Räume

Noch allgemeiner heißt in der Topologie eine Funktion f\colon X\to Y zwischen zwei uniformen Räumen (X,{\mathcal  U}_{X}) und (Y,{\mathcal  U}_{Y}) gleichmäßig stetig, wenn das Urbild jeder Nachbarschaft wieder eine Nachbarschaft ist, wenn also (f\times f)^{{-1}}({\mathcal  U}_{Y})\subset {\mathcal  U}_{X}.

Eigenschaften

Jede gleichmäßig stetige Funktion ist stetig. Die Umkehrung gilt nicht: Es gibt stetige Funktionen wie die Quadratfunktion, die nicht gleichmäßig stetig sind. Für gewisse Definitionsbereiche fallen Stetigkeit und gleichmäßige Stetigkeit wiederum zusammen. Der Satz von Heine besagt nämlich: Jede stetige Funktion auf einer kompakten Menge ist gleichmäßig stetig.

Ist (x_n)_{n \in \N} eine Cauchy-Folge im Raum M und ist f\colon M\to N gleichmäßig stetig, so ist auch (f(x_{n}))_{{n\in \mathbb{N} }} eine Cauchy-Folge in N. Dies gilt im Allgemeinen nicht für Funktionen, die nur stetig sind, wie das Beispiel M=(0,1],f(x)={\tfrac  1x} und x_{n}={\tfrac  1n} zeigt.

Unmittelbar daraus, dass f Cauchy-Folgen auf Cauchy-Folgen abbildet, folgt nun: Ist f gleichmäßig stetig auf einer Menge M, dann ist f stetig fortsetzbar auf den Abschluss {\overline {M}}.

Im \mathbb {R} ^{n} lässt sich anschaulich die Aussage treffen, dass eine gleichmäßig stetige Funktion (mit Werten in \mathbb {R} ) keine Polstellen besitzen kann. Wie sollte sie auch, lässt sie sich doch – wie bereits dargestellt – stetig auf den Abschluss ihres Definitionsbereiches fortsetzen. Eine solche stetige Fortsetzung ist in einer Polstelle aber eben nicht möglich.

Spezielle Formen der gleichmäßigen Stetigkeit sind Hölder- und Lipschitz-Stetigkeit.

Visualisierung

Bei einer gleichmäßig stetigen Funktion kann für jeden vorgegebenen Maximalfehler \epsilon >0 ein \delta >0 gefunden werden, so dass sich alle Paare von Funktionswerten f(x) und f(y) um maximal \epsilon unterscheiden, solange die Abstände von x und y kleiner als \delta sind. Dementsprechend kann um jeden Punkt (x,f(x)) des Graphen ein Rechteck mit Höhe {\displaystyle 2\epsilon } und Breite 2\delta eingezeichnet werden, bei dem der Graph komplett im Inneren des Rechtecks verläuft, so dass keine Funktionswerte direkt ober- beziehungsweise unterhalb des Rechtecks liegen. Bei nicht gleichmäßig stetigen Funktionen ist dies nicht möglich. Zum Teil verläuft zwar der Graph im Inneren des Rechtecks – aber nicht überall.

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Basierend auf einem Artikel in: Wikipedia.de
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Datum der letzten Änderung:  Jena, den: 15.12. 2017