2025年04月10日
数学 / 高等数学
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在二维欧几里得空间中,我们常常用邻域来描述一个点周围的“微小区域”。对于一个点 ,两种常见的邻域是圆邻域方邻域。下面我们详细讨论它们的定义、公式推导及两者之间的关系。


一、定义与基本公式

1、圆邻域(开圆盘)

圆邻域使用欧几里得距离,也称为 范数。对于给定半径 ,点 的开圆邻域定义为

用平方来表示,可以写作

这种定义下的邻域是一个以 为中心、半径为 的开圆盘。

2、方邻域(开方形)

方邻域通常利用无穷范数(或称为切比雪夫距离)来定义。对于给定 ,点 的开方邻域可定义为

这实际上描述了一个以 为中心、边长为 的正方形区域。


二、邻域间的包含关系及不等式证明

在二维空间中,可以定义两种常用的向量范数:欧几里得范数和无穷范数。设对于向量

它们之间满足以下不等式:

考虑邻域中心的平移,即设 ,我们有

  • 如果 ,则必有 换句话说,任何在圆邻域 内的点必定满足 ,即
  • 另一方面,如果 ,即 ,则有 即点 必定落在半径为 的圆邻域内,从而

因此,我们得到了如下包含关系:

这表明虽然两种邻域在拓扑意义上是等价(都可以作为生成拓扑的基),但在度量具体估计上存在尺度上的不同。


三、在函数极限与连续性证明中的应用

在讨论二元函数 在点 处的极限或连续性时,我们常使用 定义:

使

这里用的是 圆邻域 的定义,因为条件自然转化为欧几里得距离小于 .

有时,为了简化估计,我们也可能使用 方邻域 定义:

使

虽然这种证明方式与使用圆邻域在逻辑上是等价的,但在选取 时需要注意前述两者之间的包含关系。比如,在证明极限存在时,如果你能证明在开方邻域内 ,那么由于

你同样能保证在圆邻域内成立;反之亦然,在选取 时可能需要引入 的因子进行调整.


四、总结

  • 圆邻域 由公式

    给出,是以欧几里得距离为基础的“圆形”区域.

  • 方邻域 由公式

    给出,是以无穷范数为基础的“正方形”区域.

  • 利用范数之间的不等式

    我们可以证明两种邻域存在如下包含关系:

在实际应用中(例如在证明极限存在或讨论连续性时),选择哪一种邻域主要取决于证明的便利性及后续估计的需要。两者在拓扑意义上是等价的,但在具体估计常数时,如 的问题需要特别注意.

以上推导和公式详细展现了二元函数中圆邻域与方邻域的定义、公式推导以及二者之间的区别和联系.

作者信息:老官童鞋gogoho
发表于:2025年04月10日