对于连续函数大家都知道,一般我们所接触的连续函数都能找到在一段区域里可导。而在数学的发展过程中,数学家猜测有没有处处连续又处处不可导的函数呢?一般的函数把它局部放大,当它放大到一定程度,就会是一条光滑的曲线。只要光滑就肯定可导。那么处处连续处处不可导的函数,不管怎么放大,一定不会出现光滑的曲线,后来这样函数被数学家找到了,现在给出Van Der Waerden在1930年找到的一个函数,是用无穷级数表示的:

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(1)

首先证明这个无穷级数在负无穷到正无穷区域内连续。

该证明需要用到函数项级数里的两个定理,第一个是函数项级数一致收敛的Weierstrass判别法。这里先解释一下一致收敛

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(2)

一致收敛其实就是函数项级数在各个点的收敛速度一致,收敛速度与函数点的位置无关

一致收敛的Weierstrass判别法:

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(3)

证明略。第二个定理是对于一致收敛的函数项级数,极限运算与无限求和运算可以交换顺序。

连续性定理:

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(4)

证明略。有了这两个定理,下面继续证明这个无穷级数在负无穷到正无穷区域内连续。

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(5)

接下来是该证明最关键的地方:

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(6)

当第m位小数点是0,1,2,3,5,6,7,8这些数时,小数位上加1,这样,原来小数位的数大于等于5,经过这样的操作之后,小数位的数还是大于等于5;原来小数位的数小于5,经过这样操作,小数位的数还是小于5。

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(7)

这个极限是不存在的,也就是函数的导数不存在。

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(8)

有哪种常见的连续不可导函数(你能想象处处连续处处不可导的函数什么样子吗)(9)

实际上现实生活中到处有这样的处处连续处处不可导的函数,比如海岸线,首先海岸线是连续的,从地图上看海岸线弯弯曲曲不光滑的,如果试图放大去找光滑的曲线,我们去海边观察海岸线,会发现局部有更多的地图上没有显示出的皱褶。无论怎么放大,曲线总有皱褶。反而是在生活难以找到理论上光滑的曲线,光滑的玻璃把它放大也会看到它并不是平整的,任何平面都有粗糙度,褶皱恰恰是常态。

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