§22-4  反函數與函數空間

一個單射的線性函數,會不會把某個方向的長度壓到任意小?一個連續的單射函數,它的反函數需不需要另外驗一次連續?而所有連續函數放在一起,又是什麼樣的結構?

壓不扁的線性函數

影印機把一張圖縮小到七成,內容還在,只是每一段距離都短了七成。可是如果機器故障,把整張圖壓成一條線,資訊就回不來了——原圖上分得開的兩個點,印出來會疊在同一個位置。

§21-4 已經給了每個線性函數一個放大的上限:‖f(x)‖ ≤ ‖f‖ · ‖x‖,長度不會被放大超過某個倍數。本篇先問相反的一側:有沒有一個正的下限,保證長度也不會被壓縮超過某個倍數?答案恰好就是「這個函數有沒有把資訊壓掉」。

22.8  COROLLARY
Let f : ℝᵖ → ℝ^q be linear. Then f is injective if and only if there is a constant m > 0 with
  ‖f(x)‖ ≥ m‖x‖
for all x ∈ ℝᵖ.
單射與「長度壓不扁」是同一件事。配上 §21-4 的上界讀成一組:單射的線性函數把每個長度夾在 m‖x‖ 與 ‖f‖‖x‖ 之間,倍率可能不同,可是不會歸零。要留意這條只對線性函數成立,一般的連續單射沒有這種夾擊。
正例:f(x, y) = (2x + y, x − 3y) 單射(§21-2 例 4 的判準:2 · (−3) − 1 · 1 = −7 ≠ 0),所以存在這樣的 m。反例:投影 P(x, y) = (x, 0) 不單射——(0, 1) 與 (0, 2) 同送到原點,而 ‖P(0, 1)‖ = 0 讓任何正的 m 都不成立。
PROOF

記 S = {x ∈ ℝᵖ : ‖x‖ = 1} 為單位球面。它 closed 且 bounded,由 11.3 是 compact。f 線性所以連續(21.3),22.7 因此用得上。

證明計畫 · 由所求想起
正向所求是一個正的常數 m。候選只有一個自然的選擇:像的長度在單位球面上的 inf。22.7 保證這個 inf 被某一點取到——而「被取到」正是把它推離零的關鍵:單射使得那一點的像不是零向量,於是 inf 本身是正的。之後把任意的 u 縮成單位長度,齊次性把結論放回去。
逆向所求是單射,直接把兩個像相同的點代進不等式。

Proof.  Assume f is injective. By 22.7 applied to f on the compact set S there is a point x_* ∈ S with
  ‖f(x_*)‖ = m = inf {‖f(x)‖ : x ∈ S}.
Since x_* ≠ 0 and f is injective with f(0) = 0, we have f(x_*) ≠ 0, so m > 0.
這一步的所求:讓 inf 離開零。光說「每個 x ∈ S 都有 ‖f(x)‖ > 0」推不出 inf 大於零——無限多個正數的 inf 可以是零。真正把事情關上的是 22.7:inf 被 S 上某一個點取到,於是它等於一個具體的長度,而那個長度不是零。用到 f(0) = 0(§21-1 的兩條規則附帶給出)加單射:只有原點被送到原點,而 x_* 長度是 1,不是原點。
Now let u ∈ ℝᵖ. If u = 0 both sides vanish. If u ≠ 0, then u/‖u‖ ∈ S, so ‖f(u/‖u‖)‖ ≥ m; by homogeneity the left side equals ‖f(u)‖ / ‖u‖, and multiplying by ‖u‖ gives ‖f(u)‖ ≥ m‖u‖.
這一步把球面上的結論推到全空間,手法與 §21-4 算 ‖f‖ 時完全一樣:先把 u 縮成單位長度送進去,再把縮放倍數提出來。提得出來是因為 f 齊次而 norm 對正數的純量倍也齊次。零向量另案處理,因為除法要求分母不為零,這一格是邊界簿記。
Conversely, suppose ‖f(x)‖ ≥ m‖x‖ holds for all x with some m > 0. If f(x₁) = f(x₂), then linearity gives
  0 = ‖f(x₁) − f(x₂)‖ = ‖f(x₁ − x₂)‖ ≥ m‖x₁ − x₂‖,
so ‖x₁ − x₂‖ = 0 and x₁ = x₂. Hence f is injective.
這一步的所求:由不等式反推單射。與 21.3 的證明用的是同一個動作——把兩點之差當成一個新的輸入,線性讓 f(x₁) − f(x₂) 等於 f(x₁ − x₂)。之後 m 為正就把 ‖x₁ − x₂‖ 壓成零,而 norm 為零只有零向量(8.5 的第一條規格)。
單射的線性函數把長度夾在兩個正倍率之間,兩側都不會失控。∎
S 單位球面 m > 0 單射:最近處仍離開原點 不單射:像通過原點,m 只能是 0

這張圖在說 22.8 的證明為什麼非用 22.7 不可:上排的像是一個不通過原點的封閉曲線,離原點最近的那一點給出正的 m;下排不單射時,球面上某個方向被整個壓到原點,最近距離就是零。要留意「每一點的像都不是原點」與「最近距離大於零」是兩件事——把後者釘住的是 22.7 保證的「inf 真的被某一點取到」。

反函數不必再驗一次

把一份文件加密再解密,加密那一步做得再平順,解密那一步仍然可能極不穩定——輸入差一個位元,輸出面目全非。所以「正向連續」不會自動送給你「反向連續」。

可是只要定義域是 compact,這件事就免費奉送。下面這條定理是 22.5 最漂亮的一個結果:它把一個關於反函數的敘述,整個化約成 22.1(c) 的一次檢查。

22.9  CONTINUITY OF THE INVERSE FUNCTION
Let K ⊆ ℝᵖ be compact and let f be continuous and injective with domain K and range f(K) ⊆ ℝ^q. Then the inverse function g = f⁻¹, with domain f(K) and range K, is continuous.
定義域 compact 時,連續加單射就自動換來反函數連續——不必對 g 做任何額外檢查。這裡的 f⁻¹ 是真正的反函數(§2-2 的 2.6),單射保證它存在;與前幾篇當成「把集合拉回去」的同名記號不同。
正例:f(t) = (cos t, sin t) 限制在 compact 的 [0, π] 上連續且單射,像是上半圓,而反函數(由半圓上的點讀回角度)確實連續。反例:K 的 compact 少不得——把定義域換成 [0, 2π),同一個公式仍然連續且單射,反函數卻在 (1, 0) 這一點跳了一整圈,例 6 逐步驗。
PROOF

單射保證 g = f⁻¹ 存在,定義域是 f(K)、值域是 K。要證 g 連續,可用的判準有三個,選 22.1(c)——因為它要的是 closed set 的逆像,而 compact 集合的像正好 closed。

證明計畫 · 由所求想起
所求是:任給 ℝᵖ 裡的 closed set H,找一個 closed set 把 g⁻¹(H) 從 g 的定義域裡切出來。關鍵的辨認是 g⁻¹(H) 其實就是 f(H ∩ K)——「反函數把它送進 H 的那些點」與「H 裡屬於 K 的點的像」是同一批。這一步把問題從反函數翻回正函數,而正函數這邊 22.5 立刻適用:H ∩ K compact,所以像 compact,所以 closed。

Proof.  Let H be closed in ℝᵖ. Then H ∩ K is closed by 9.6(c) and bounded because K is, so it is compact by 11.3. By 22.5 the set
  H₁ = f(H ∩ K)
is compact in ℝ^q, hence closed.
這一步的所求:造出一個 closed set 當候選。兩個集合取交集之後 compact,靠的是 Heine-Borel 的兩個條件各自被繼承——closed 由 §9-2 的 9.6(c)(任意多個 closed set 的交集仍 closed)給出,bounded 由子集直接繼承。之後 22.5 把 compact 送過去,而 compact 在 ℝ^q 裡蘊涵 closed,又是 11.3。
We claim H₁ = g⁻¹(H). Indeed, a point y lies in g⁻¹(H) exactly when y ∈ f(K) and its unique preimage x = g(y) lies in H; that is, exactly when y = f(x) for some x ∈ H ∩ K.
這一步是全證明的樞紐,值得慢讀。g⁻¹(H) 依定義是「g 把它送進 H 的那些 y」,而 g(y) 就是 y 在 f 之下那個唯一的原像——所以條件等於說 y 的原像住在 H 裡,也就是 y 是 H ∩ K 中某點的像。單射在這裡不可省:原像若不唯一,「g(y) 落在 H」這句話就沒有意義。要留意兩個記號雖然長得一樣,這裡出現的 f(H ∩ K) 是正像、g⁻¹(H) 是逆像,而等式把兩者接了起來。
Since H₁ ⊆ f(K) = D(g), the equality can be written as H₁ ∩ D(g) = g⁻¹(H) with H₁ closed. As H was an arbitrary closed set, 22.1(c) shows that g is continuous.
這一步結案,是例行核對。22.1(c) 要的形狀是「closed set 與定義域的交集」,而 H₁ 本來就整個住在 D(g) 內,交上去不損失任何東西。整條定理沒有出現一次 ε 或 δ——這正是把連續改寫成集合語言的報酬:對反函數逐點驗連續會很麻煩,而集合層級的敘述兩邊都適用。
定義域 compact 時,連續與單射合起來就把反函數的連續一併買下。∎
K H ∩ K f(K) H₁ f 正像 f(H ∩ K) = 逆像 g⁻¹(H)

這張圖在說 22.9 的樞紐那一步:左邊深色是 H 與 K 的交集,它 compact,所以右邊的像 H₁ 也 compact、因而 closed。而這個正像恰好就是反函數之下 H 的逆像——單射讓兩個方向的對應一個對一個,兩種讀法指的是同一批點。22.1(c) 要的正是這個形狀。

例 6定義域少了一個端點,反函數就斷了
22.9 要求 K compact。若只差一個端點沒收進來,會壞到什麼程度?
  1. 取 φ(t) = (cos t, sin t),定義域 D = [0, 2π),值域是單位圓 S。φ 連續(兩個座標各自連續),而且單射——角度在一整圈之內不重複,右端點 2π 被排除掉正是為了這件事。
  2. D 不 compact:它 bounded,可是不 closed(2π 是 cluster point 卻不在籍,10.5)。所以 22.9 的前提缺一角。
  3. 看反函數 φ⁻¹ 在點 (1, 0) 上的行為。φ⁻¹(1, 0) = 0。取圓上的一列點 yₙ = φ(2π − 1/n),它們沿著圓周從下方走向 (1, 0),所以 yₙ → (1, 0)。
  4. 可是 φ⁻¹(yₙ) = 2π − 1/n → 2π,而 φ⁻¹(1, 0) = 0。像數列跑向 2π、目標值卻是 0,20.3 的不連續判準直接判定 φ⁻¹ 在 (1, 0) 不連續。
圓上兩個相鄰的點,讀回來的角度可以差將近一整圈——壞掉的不是某個小鄰域裡的細節,是整段參數被撕開。第 1 步那個「排除右端點」是為了單射不得不做的取捨,而它同時毀掉了 compact。這說明 22.9 的前提不是技術性的方便假設:把 D 換成 [0, 2π] 會恢復 compact,卻讓 φ 不再單射。
0 2π 右端不在籍 貼得很近 圓上相鄰,角度卻差一整圈 φ

這張圖在說例 6 的機制:區間的左端在籍、右端不在籍,可是兩端在圓上被送到幾乎同一個位置。於是圓上兩個相距極近的點,反過來讀出的角度一個接近 0、一個接近 2π。φ 本身沒有問題——問題出在定義域被剪掉一個端點之後不再 compact,22.9 的保證隨之失效。

連續函數自己組成的空間

本節到此都在問「一個連續函數會做什麼」。最後換一個角度:把所有連續函數放在一起,這一堆東西自己是什麼結構?§17-3 已經對有界函數做過同一件事——函數可以相加、可以乘常數,於是它們組成一個 vector space,而 sup 給出一個 norm。連續函數是其中特別重要的一群,值得有自己的名字。

22.10  DEFINITION
Let D ⊆ ℝᵖ. The collection of all continuous functions on D to ℝ^q is written C_{pq}(D).
The collection of those which are in addition bounded is written BC_{pq}(D).
When p and q are clear from the context we abbreviate these to C(D) and BC(D).
兩個記號差一個 B,差別就是有沒有額外要求有界。一般而言 BC(D) 真的比 C(D) 小——f(x) = x 在 D = ℝ 上連續卻無界。可是 D 一旦 compact,22.7 說連續必定有界,兩者就重合。
正例:D = [0, 1] 時 C(D) = BC(D)——這個定義域 compact,每個連續函數都有界。反例:D = (0, 1) 時兩者不同——f(x) = 1/x 在其上連續卻無界,屬於 C(D) 而不屬於 BC(D)。
22.11  THEOREM
(a)  C_{pq}(D) and BC_{pq}(D) are vector spaces under the pointwise operations
  (f + g)(x) = f(x) + g(x),  (cf)(x) = c f(x).
(b)  BC_{pq}(D) is a normed space under
  ‖f‖_D = sup {‖f(x)‖ : x ∈ D}.
(a) 說「連續」這個性質對相加與乘常數封閉;(b) 說有界的那一群還配得上一個長度。C(D) 一般沒有這個 norm——無界函數的 sup 不是實數,所以 (b) 只對 BC 成立,這正是要分成兩個記號的理由。
正例:D = [0, 1] 上 f(x) = x 與 g(x) = x²,則 ‖f‖_D = 1、‖g‖_D = 1、‖f − g‖_D = ¼(差在 x = ½ 最大)。反例:在 D = ℝ 上取 f(x) = x,‖f‖_D 沒有定義——它連續、屬於 C(D),可是 (b) 管不到它。
PROOF

兩部分各有現成的來源:(a) 的連續部分是 20.6,(b) 的 norm 部分是 §17-3 的 17.8。這裡要做的是確認接得上。

Proof.  (a) If f, g are continuous at each point of D, so are f + g and cf by 20.6; the remaining vector space axioms hold because they are checked value by value in ℝ^q. If moreover f and g are bounded, say by M and N, then f + g is bounded by M + N and cf by |c|M, so BC_{pq}(D) is closed under the operations too.
這一步是例行核對。值得注意的是分工:「連續」由 20.6 保住,「有界」另外驗一次,兩個性質互不相干——一個函數可以連續而無界,也可以有界而不連續。其餘的公理(結合律、分配律⋯)在每個 x 上就是 ℝ^q 自己的公理,逐點成立就整體成立,這是 §8-1 例 2 已經走過的路。
(b) The set BC_{pq}(D) is a subset of the space of all bounded functions on D to ℝ^q, on which ‖·‖_D was shown to be a norm in 17.8. By (a) it is closed under the operations, so it is a subspace, and a norm restricted to a subspace is again a norm. Finally, if D is compact then every continuous f on D is bounded by 22.7, so C_{pq}(D) = BC_{pq}(D).
這一步把已有的結果接上來,不重證。norm 的四條規格全是對單一個函數或一對函數講的,所以在較小的集合上照樣成立——真正需要檢查的只有「較小的集合對運算封閉」,而那是 (a) 剛給的。最後一句把 22.7 兌現成一個記號上的等式:D compact 時「有界」不再是額外要求。
連續函數不只是一個一個的對象,它們合起來是一個有長度的空間。∎
—— 第四階段到此結束 ——

本篇收了三份紅利。22.8 用 22.7 把單位球面上的 inf 釘在正數上,於是單射的線性函數有一個壓不扁的下界,與 §21-4 的上界配成一組。22.9 把「反函數連續」整個化約成 22.1(c) 的一次檢查,關鍵是辨認出 g⁻¹(H) 就是正像 f(H ∩ K);例 6 用單位圓示範少了 compact 會壞到什麼程度。22.10 與 22.11 把所有連續函數收成一個空間,D compact 時它與有界連續函數的空間重合。本節到此收工,起來走動一下,喝點水。

下一幕預告

本節的四條主定理都是同一個模式:先問「連續保住了什麼」,再把答案兌現成一條實用的結論。而所有證明的入口都是 22.1——把逐點的連續改寫成集合層級的敘述之後,連通、緊緻、反函數這三件事各自只剩幾行。

下一節換一個角度追問。20.2(b) 那個 δ 一直有一件事沒說破:它不只跟著 ε 走,還跟著點的位置走。倒數函數在靠近零的地方,可用的 δ 會一路縮小到沒有正的下限。那麼什麼時候可以挑出一個對整個定義域通用的 δ?答案又一次落在 compact 上,而這個強化版的連續會在往後每一次談積分與逼近時登場。同一節還會給出一條看似無關卻極為實用的定理:某些函數必定有一個「不動」的點,把它自己送回它自己。