Монотонная функция

Pause
ИИ-обзор статьи
Монотонная функция — функция одной переменной, которая на всей области своего определения либо не убывает, либо не возрастает.
Строгая и нестрогая монотонность
В секции даны определения возрастающей, строго возрастающей, убывающей и строго убывающей функции. (Строго) возрастающая или убывающая функция называется (строго) монотонной.
Разнобой в терминологии монотонности
В некоторых источниках возрастающая и убывающая функции понимаются как строго возрастающая и строго убывающая, а нестрогие случаи называют неубывающей и невозрастающей. Строго монотонными называют возрастающие и убывающие функции, монотонными — неубывающие и невозрастающие.
Измеримость и ограниченность
Монотонная функция на интервале измерима относительно борелевских сигма-алгебр. На замкнутом интервале она ограничена и, следовательно, интегрируема по Лебегу.
Разрывы и дифференцируемость
Монотонная функция может иметь только разрывы первого рода, множество которых не более чем счётно. Почти всюду относительно меры Лебега она дифференцируема.
Критерии монотонности через производную
Для непрерывной на интервале функции с производной во всех точках неубывание эквивалентно неотрицательности производной, невозрастание — неположительности. Строгая монотонность гарантируется положительной или отрицательной производной, но обратное неверно: производная может обращаться в ноль, при этом точки с ненулевой производной должны быть всюду плотны.
Примеры различных типов монотонности
Степенная функция строго возрастает на всей прямой, хотя в стационарной точке производная равна нулю. Экспонента строго возрастает, константа одновременно не убывает и не возрастает. Канторова лестница — непрерывная неконстантная монотонная функция с почти всюду нулевой производной; функция Минковского — сингулярная строго возрастающая.

Моното́нная фу́нкция — это функция одной переменной, определённая на некотором подмножестве действительных чисел, которая либо везде (на области своего определения) не убывает, либо везде не возрастает. Более точно, это функция , приращение которой при не меняет знака, то есть либо всегда неотрицательное, либо всегда неположительное[1]. Если в дополнение приращение не равно нулю, то функция называется стро́го моното́нной.

Функция называется возраста́ющей, если большему значению аргумента соответствует не меньшее (по другой терминологии — большее) значение функции. Функция называется убыва́ющей, если большему значению аргумента соответствует не большее (по другой терминологии — меньшее) значение функции.

Определения

Пусть дана функция Тогда

  • функция называется возраста́ющей на , если
.
  • функция называется стро́го возраста́ющей на , если
.
  • функция называется убыва́ющей на , если
.
  • функция называется стро́го убыва́ющей на , если
.

(Строго) возрастающая или убывающая функция называется (строго) монотонной.

Другая терминология

Иногда под терминами возрастающая (убывающая) функция подразумевается строго возрастающая (убывающая) функция. Тогда про нестрого возрастающую (убывающую) функцию говорят, неубывающая (невозрастающая)[2]:

  • Функция называется возрастающей на некотором интервале, если для любых двух точек и этого интервала, таких что , справедливо . Другими словами, большему значению аргумента соответствует большее значение функции.
  • Функция называется убывающей на некотором интервале, если для любых двух точек и этого интервала, таких что , справедливо . Другими словами, большему значению аргумента соответствует меньшее значение функции.
  • Функция называется неубывающей на некотором интервале, если для любых двух точек и этого интервала, таких что , справедливо .
  • Функция называется невозрастающей на некотором интервале, если для любых двух точек и этого интервала, таких что , справедливо .
  • Возрастающие и убывающие функции называются строго монотонными, неубывающие и невозрастающие функции — монотонными.

Свойства монотонных функций

Условия монотонности функции

  • (Критерий монотонности функции, имеющей производную на интервале) Пусть функция непрерывна на и имеет в каждой точке производную Тогда
    не убывает на тогда и только тогда, когда
    не возрастает на тогда и только тогда, когда
  • (Достаточное условие строгой монотонности функции, имеющей производную на интервале) Пусть функция непрерывна на и имеет в каждой точке производную Тогда
    если то строго возрастает на
    если то строго убывает на

Обратное, вообще говоря, неверно. Производная строго монотонной функции может обращаться в ноль. Однако, множество точек, где производная не равна нулю, должно быть плотно на интервале Точнее имеет место

  • (Критерий строгой монотонности функции, имеющей производную на интервале) Пусть и всюду на интервале определена производная Тогда строго возрастает на интервале тогда и только тогда, когда выполнены следующие два условия:

Аналогично, строго убывает на интервале тогда и только тогда, когда выполнены следующие два условия:

Примеры

  • Функция строго возрастает на всей числовой прямой, несмотря на то, что точка является стационарной, то есть в этой точке .
  • Функция является строго возрастающей не только на открытом интервале , но и на замкнутом интервале .
  • Экспонента строго возрастает на всей числовой прямой.
  • Константа одновременно не возрастает и не убывает на всей числовой прямой.
  • Канторова лестница — пример непрерывной монотонной функции, которая не является константой, но при этом имеет производную равную нулю в почти всех точках.
  • Функция Минковского — пример сингулярной строго возрастающей функции.

Вариации и обобщения

Примечания

  1. ↑ Монотонная функция / Математическая энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия. И. М. Виноградов. 1977—1985.
  2. ↑ В. А. Ильин, В. А. Садовничий, Бл. Х. Сендов. Глава 4. Непрерывность функции // Математический анализ / Под ред. А. Н. Тихонова. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Проспект, 2006. — Т. 1. — С. 146. — 672 с. — ISBN 5-482-00445-7.
  3. ↑ Collins, P. J. (1971). Concordant mappings and the concordant-dissonant factorization of an arbitrary continuous function. Proceedings of the American Mathematical Society, 27(3), 587—591.

Литература

Pause