लिपशिट्ज निरंतरता

लिपशित्ज़ निरंतर कार्य के लिए, एक डबल शंकु (सफेद) उपस्थित है जिसका मूल ग्राफ के साथ स्थानांतरित किया जा सकता है ताकि पूरा ग्राफ हमेशा डबल शंकु के बाहर रहे

गणितीय विश्लेषण में, जर्मनी के गणितज्ञ रुडोल्फ लिप्सचित्ज़ के नाम पर लिप्सचिट्ज़ निरंतरता, फ़ंक्शन (गणित) के लिए समान निरंतरता का एक मजबूत रूप है। सहज रूप से, एक लिपशिट्ज निरंतर कार्य सीमित है कि यह कितनी तेजी से बदल सकता है: एक वास्तविक संख्या उपस्थित है, जैसे कि इस फ़ंक्शन के लेखाचित्र पर प्रत्येक जोड़ी के लिए, उन्हें जोड़ने वाली रेखा के ढलान का पूर्ण मूल्य इससे अधिक नहीं है यह वास्तविक संख्या; इस तरह की सबसे छोटी सीमा को फ़ंक्शन (या निरंतरता का मापांक ) का लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक कहा जाता है। उदाहरण के लिए, प्रत्येक कार्य जो पहले यौगिक को सीमित करता है, वह लिप्सचिट्ज़ निरंतर है।

विभेदक समीकरणों के सिद्धांत में, लिपशिट्ज निरंतरता पिकार्ड-लिंडेलोफ प्रमेय की केंद्रीय स्थिति है जो प्रारंभिक मूल्य समस्या के समाधान के अस्तित्व और विशिष्टता की गारंटी देती है। एक विशेष प्रकार की लिप्सचिट्ज़ निरंतरता, जिसे संकुचन मानचित्रण कहा जाता है, का उपयोग बानाच फिक्स्ड-पॉइंट प्रमेय में किया जाता है। हमारे पास वास्तविक रेखा के कॉम्पैक्टनेस गैर-तुच्छ अंतराल पर कार्यों के लिए सख्त समावेशन की निम्नलिखित श्रृंखला है:

निरंतर अवकलनीय ⊂ लिप्सचिट्ज़ निरंतर ⊂ $\alpha$-होल्डर निरंतर,

कहाँ पे $0<\alpha \leq 1$. हमारे पास भी है

लिपशिट्ज निरंतर ⊂ बिल्कुल निरंतर ⊂ समान रूप से निरंतर।

परिभाषाएँ

दो मीट्रिक रिक्त स्थान दिए गए हैं (एक्स, डी_X) और (वाई, डी_Y), जहां घ_X समूह एक्स और डी पर मीट्रिक (गणित) को दर्शाता है_Y समूह वाई पर मीट्रिक है, एक फ़ंक्शन एफ: एक्स → वाई को 'लिप्सचिट्ज़ निरंतर' कहा जाता है यदि वास्तविक निरंतर के ≥ 0 उपस्थित है, तो सभी एक्स के लिए₁ और एक्स₂ एक्स में,

$d_{Y}(f(x_{1}),f(x_{2}))\leq Kd_{X}(x_{1},x_{2}).$

ऐसे किसी भी K को फलन f के लिए 'a लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक' कहा जाता है और f को 'K-लिप्सचिट्ज़' भी कहा जा सकता है। सबसे छोटे स्थिरांक को कभी-कभी '(सर्वश्रेष्ठ) लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक' कहा जाता है च या 'फैलाव' या 'फैलाव' की बंद। यदि K = 1 फ़ंक्शन को 'लघु मानचित्र' कहा जाता है, और यदि 0 ≤ K <1 और f स्वयं के लिए एक मीट्रिक स्थान मानचित्र करता है, तो फ़ंक्शन को 'संकुचन मानचित्रण' कहा जाता है।

विशेष रूप से, एक वास्तविक-मूल्यवान फलन f : R → R को लिप्सचिट्ज़ निरंतर कहा जाता है यदि वहाँ एक सकारात्मक वास्तविक स्थिरांक K उपस्थित है जैसे कि, सभी वास्तविक x के लिए₁ और एक्स₂,

$|f(x_{1})-f(x_{2})|\leq K|x_{1}-x_{2}|.$

इस मामले में, वाई मानक मीट्रिक डी के साथ वास्तविक संख्या 'आर' का समूह है_Y(वाई₁, वाई₂) = |वाई₁- और₂|, और X 'R' का उपसमुच्चय है।

सामान्य तौर पर, असमानता (तुच्छ रूप से) संतुष्ट होती है यदि x₁ = एक्स₂. अन्यथा, कोई समतुल्य रूप से एक फ़ंक्शन को लिप्सचिट्ज़ निरंतर होने के लिए परिभाषित कर सकता है यदि और केवल यदि एक स्थिर K ≥ 0 उपस्थित है जैसे कि, सभी x के लिए₁ ≠ एक्स₂,

${\frac {d_{Y}(f(x_{1}),f(x_{2}))}{d_{X}(x_{1},x_{2})}}\leq K.$

कई वास्तविक चरों के वास्तविक-मूल्यवान कार्यों के लिए, यह तभी और केवल तभी होता है जब सभी छेदक रेखाओं के ढलानों का निरपेक्ष मान K से घिरा हो। ढलान K की रेखाओं का समूह फ़ंक्शन के लेखाचित्र पर एक बिंदु से होकर निकलता है। गोलाकार शंकु,और एक फ़ंक्शन लिपशिट्ज है यदि और केवल अगर फ़ंक्शन का लेखाचित्र हर जगह इस शंकु के बाहर पूरी तरह से स्थित है (आंकड़ा देखें)।

एक फ़ंक्शन को 'स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ निरंतर' कहा जाता है यदि एक्स में प्रत्येक एक्स के लिए एक्स का पड़ोस (गणित) यू उपस्थित है जैसे कि यू तक सीमित एफ लिप्सचिट्ज़ निरंतर है। समतुल्य रूप से, यदि X एक स्थानीय रूप से सघन मापीय स्थान है, तो f स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ है यदि और केवल यदि यह X के प्रत्येक सघन उपसमुच्चय पर लिप्सचिट्ज़ निरंतर है। उन स्थानों में जो स्थानीय रूप से सघन नहीं हैं, यह एक आवश्यक है लेकिन पर्याप्त स्थिति नहीं है।

अधिक सामान्यतः, एक्स पर परिभाषित एक फ़ंक्शन एफ को 'होल्डर निरंतर' कहा जाता है या एक्स पर अनुक्रम α > 0 की 'होल्डर स्थिति' को पूरा करने के लिए कहा जाता है यदि निरंतर एम ≥ 0 उपस्थित है जैसे कि

$d_{Y}(f(x),f(y))\leq Md_{X}(x,y)^{\alpha }$ X में सभी x और y के लिए। कभी-कभी अनुक्रम α की होल्डर कंडीशन को 'अनुक्रम की यूनिफॉर्म लिप्सचिट्ज़ स्थि‍ति' α> 0 भी कहा जाता है।

वास्तविक संख्या K ≥ 1 के लिए, यदि

${\frac {1}{K}}d_{X}(x_{1},x_{2})\leq d_{Y}(f(x_{1}),f(x_{2}))\leq Kd_{X}(x_{1},x_{2})\quad {\text{ for all }}x_{1},x_{2}\in X,$

तब f को 'K-bilipschitz' कहा जाता है ('K-bi-लिप्सचिट्ज़' भी लिखा जाता है)। हम कहते हैं कि f 'bilipschitz' या 'bi-लिप्सचिट्ज़' है, जिसका अर्थ है कि ऐसा K उपस्थित है। एक bilipschitz मानचित्रण इंजेक्शन फ़ंक्शन है, और वास्तव में इसकी छवि पर एक होमोमोर्फिज्म है। एक बाइलिप्सिट्ज़ फ़ंक्शन एक इंजेक्टिव लिप्सचिट्ज़ फ़ंक्शन के समान है जिसका व्युत्क्रम फ़ंक्शन भी लिप्सचिट्ज़ है।

उदाहरण

Lipschitz निरंतर कार्य:

• फ़ंक्शन $f(x)={\sqrt {x^{2}+5}}$ सभी वास्तविक संख्याओं के लिए परिभाषित लिप्सचिट्ज़ निरंतर लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक K = 1 के साथ है , क्योंकि यह हर जगह है अंतर और यौगिक का निरपेक्ष मान 1 से ऊपर है।
• इसी तरह, sine फलन लिप्सचिट्ज़ निरंतर है क्योंकि इसका व्युत्पन्न, कोज्या फलन, निरपेक्ष मान में 1 से ऊपर परिबद्ध है।
• फ़ंक्शन f(x) = |x| वास्तविक पर परिभाषित लिप्सचिट्ज़ निरंतर लिप्सचिट्ज़ निरंतर बराबर है रिवर्स त्रिकोण असमानता द्वारा 1 तक। यह एक लिपशिट्ज निरंतर कार्य का एक उदाहरण है जो भिन्न-भिन्न नहीं है। अधिक सामान्यतः , एक सदिश स्थान पर एक मानदंड संबंधित मापीय के संबंध में लिप्सचिट्ज़ निरंतर है, जिसमें लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक 1 के बराबर है।

लिप्सचिट्ज़ निरंतर कार्य जो हर जगह भिन्न नहीं होते हैं:

• फ़ंक्शन $f(x)=|x|$

लिपशिट्ज निरंतर कार्य जो हर जगह भिन्न -भिन्न होते हैं लेकिन लगातार भिन्न -भिन्न नहीं होते हैं:

• फ़ंक्शन $f(x)\;=\;{\begin{cases}x^{2}\sin(1/x)&{\text{if }}x\neq 0\\0&{\text{if }}x=0\end{cases}}$, जिसका व्युत्पत्ति मौजूद है लेकिन इसमें एक आवश्यक विच्छिन्नता है$x=0$.

निरंतर कार्य जो (विश्व स्तर पर) लिप्सचिट्ज़ निरंतर नहीं हैं:

• फलन f(x) = √x [0, 1] पर परिभाषित लिप्सचिट्ज़ निरंतर नहीं है। जैसे-जैसे x 0 की ओर बढ़ता है, यह फलन असीम रूप से तीव्र हो जाता है क्योंकि इसका व्युत्पन्न अनंत हो जाता है। हालांकि, यह समान रूप से निरंतर है, और दोनों होल्डर निरंतर वर्ग C0, α के लिए α ≤ 1/2 और [0, 1] पर भी बिल्कुल निरंतर (दोनों जिनमें से पूर्व का अर्थ है)।

अलग-अलग कार्य जो (स्थानीय रूप से) लिप्सचिट्ज़ निरंतर नहीं हैं:

• 0<x≤1 के लिए f(0) = 0 और f(x) = x3/2sin(1/x) द्वारा परिभाषित फ़ंक्शन f एक ऐसे फ़ंक्शन का उदाहरण देता है जो कॉम्पैक्ट सेट पर अलग-अलग होता है, जबकि स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ नहीं व्युत्पन्न कार्य बाध्य नहीं है। नीचे पहली संपत्ति भी देखें।

विश्लेषणात्मक कार्य जो (विश्व स्तर पर) लिप्सचिट्ज़ निरंतर नहीं हैं:

• घातीय फलन x → ∞ के रूप में मनमाने ढंग से तीव्र हो जाता है, और इसलिए एक विश्लेषणात्मक कार्य होने के बावजूद विश्व स्तर पर लिप्सचिट्ज़ निरंतर नहीं है
• सभी वास्तविक संख्याओं वाले डोमेन के साथ फलन f(x) =x2 लिप्सचिट्ज़ निरंतर नहीं है। जैसे ही x अनंत तक पहुंचता है, यह फ़ंक्शन मनमाने ढंग से खड़ी हो जाती है। हालांकि यह स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ निरंतर है।

गुण

• एक हर जगह भिन्न होने वाला फ़ंक्शन g : 'R' → 'R' लिप्सचिट्ज़ निरंतर है (K = sup |g′(x)|) अगर और केवल अगर यह पहले यौगिक से घिरा हुआ है; माध्य मान प्रमेय से एक दिशा का अनुसरण होता है। विशेष रूप से, कोई भी लगातार भिन्न होने वाला कार्य स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ है, क्योंकि निरंतर कार्य स्थानीय रूप से बंधे हुए हैं, इसलिए इसकी ढाल स्थानीय रूप से भी बंधी हुई है।
• ए लिपशिट्ज फंक्शन g : 'R' →  'R' पूरी तरह से निरंतर है और इसलिए लगभग हर जगह अंतर है, यानी, लेबेस्ग माप शून्य के समूह के बाहर हर बिंदु पर अंतर है। इसका व्युत्पन्न अनिवार्य रूप से लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक द्वारा परिमाण में बंधा हुआ है, और a < b के लिए, अंतर g(b) − g(a) अंतराल [a, b] पर व्युत्पन्न g′ के अभिन्न के बराबर है।
  • इसके विपरीत, यदि f : I → 'R' बिल्कुल निरंतर है और इस प्रकार लगभग हर जगह भिन्न-भिन्न है, और संतुष्ट करता है |f′(x)| I में लगभग सभी x के लिए ≤ K, फिर f लिप्सचिट्ज़ निरंतर लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक के साथ अधिकांश K पर है।
  • सामान्यतः, रैडेमाकर का प्रमेय यूक्लिडियन रिक्त स्थान के बीच लिप्सचिट्ज़ मानचित्रण के लिए विभेदीकरण परिणाम का विस्तार करता है: एक लिपशिट्ज मानचित्र f : U → 'R'^m, जहां U 'R' में एक विवृत समुच्चय हैⁿ, लगभग हर जगह व्युत्पन्न है। इसके अतिरिक्त, अगर K f का सबसे अच्छा लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक है, तो $\|Df(x)\|\leq K$ जब भी कुल व्युत्पन्न डीएफ उपस्थित होता है।
• एक भिन्न लिप्सचिट्ज़ मानचित्र के लिए $f:U\to \mathbb {R} ^{m}$ असमानता $\|Df\|_{W^{1,\infty }(U)}\leq K$ सबसे अच्छा लिपशिट्ज स्थिरांक रखता है $K$ का $f$. यदि डोमेन $U$ वास्तव में उत्तल है $\|Df\|_{W^{1,\infty }(U)}=K$.
• मान लीजिए कि {एफ_n} दो मापीय रिक्त स्थान के बीच लिप्सचिट्ज़ निरंतर मानचित्रण का अनुक्रम है, और यह कि सभी f_nलिप्सचिट्ज़ स्थिरांक कुछ K द्वारा परिबद्ध है। यदि f_nमानचित्रण f एकसमान अभिसरण में अभिसरण करता है, फिर f भी लिप्सचिट्ज़ है, जिसमें लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक उसी K से घिरा होता है। विशेष रूप से, इसका तात्पर्य है कि लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक के लिए एक विशेष सीमा के साथ एक सघन मापीय स्थान पर वास्तविक-मूल्यवान कार्यों का समूह है निरंतर कार्यों के बनच स्थान का एक बंद और उत्तल उपसमुच्चय। हालाँकि, यह परिणाम उन अनुक्रमों के लिए नहीं है जिनमें फ़ंक्शंस में अबाध लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक हो सकते हैं। वास्तव में, सघन मेट्रिक स्पेस पर सभी लिप्सचिट्ज़ फ़ंक्शंस का स्थान निरंतर कार्यों के बानाच स्पेस का एक सबलजेब्रा है, और इस प्रकार इसमें घना है, जो स्टोन-वीयरस्ट्रैस प्रमेय का एक प्रारंभिक परिणाम है (या वेइरस्ट्रास सन्निकटन प्रमेय के परिणामस्वरूप, क्योंकि हर बहुपद स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ निरंतर है)।
• प्रत्येक लिपशित्ज़ निरंतर मानचित्र समान रूप से निरंतर है, और इसलिए एक फ़ोर्टियोरी निरंतर कार्य करता है। अधिक सामान्यतः, परिबद्ध लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक वाले कार्यों का एक समूह एक सम-सतत समूह बनाता है। अरज़ेला-एस्कोली प्रमेय का अर्थ है कि यदि {f_n} परिबद्ध लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक के साथ कार्यों का एक समान रूप से बंधा हुआ अनुक्रम है, तो इसका एक अभिसरण अनुवर्ती है। पिछले अनुच्छेद के परिणाम से, सीमा फंक्शन भी लिप्सचिट्ज़ है, लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक के लिए समान बाउंड के साथ। विशेष रूप से सघन मेट्रिक स्पेस एक्स पर लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक ≤ के  वाले सभी वास्तविक-मूल्यवान लिप्सचिट्ज़ फ़ंक्शंस का समूह बानाच स्पेस सी (एक्स) का स्थानीय रूप से सघन स्पेस उत्तल सबसमूह है।
• Lipschitz के एक परिवार के लिए निरंतर कार्य f_α सामान्य स्थिरांक के साथ, फ़ंक्शन $\sup _{\alpha }f_{\alpha }$ (तथा $\inf _{\alpha }f_{\alpha }$) लिप्सचिट्ज़ निरंतर भी है, समान लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक के साथ, बशर्ते कि यह कम से कम एक बिंदु पर एक परिमित मान ग्रहण करे।
• यदि U मापीय स्पेस M का एक उपसमुच्चय है और f : U → 'R' एक लिप्सचिट्ज़ निरंतर कार्य है, तो हमेशा लिप्सचिट्ज़ निरंतर मानचित्र M → 'R' उपस्थित होते हैं जो f का विस्तार करते हैं और f के समान लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक रखते हैं (यह भी देखें किर्स्ज़ब्रौन प्रमेय)। द्वारा एक विस्तार प्रदान किया जाता है

${\tilde {f}}(x):=\inf _{u\in U}\{f(u)+k\,d(x,u)\},$ : जहाँ k, U पर f के लिए लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक है।

लिप्सचिट्ज़ मैनिफोल्ड्स

एक टोपोलॉजिकल मैनिफोल्ड पर एक लिप्सचिट्ज़ संरचना को एक एटलस (टोपोलॉजी) का उपयोग करके परिभाषित किया गया है, जिसके संक्रमण मानचित्र बाइलिप्सचिट्ज़ हैं; यह संभव है क्योंकि बाइलिप्सचिट्ज़ मानचित्र एक छद्मसमूह बनाते हैं। इस तरह की संरचना किसी को इस तरह के मैनिफोल्ड्स के बीच स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ मानचित्रों को परिभाषित करने की अनुमति देती है, इसी तरह चिकनी मैनिफोल्ड्स के बीच चिकने नक्शों को कैसे परिभाषित किया जाता है: यदि M तथा N लिप्सचिट्ज़ मैनिफोल्ड्स हैं, फिर एक फ़ंक्शन $f:M\to N$ स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ है अगर और केवल अगर समन्वय चार्ट के प्रत्येक जोड़े के लिए $\phi :U\to M$ तथा $\psi :V\to N$, कहाँ पे U तथा V इसी यूक्लिडियन रिक्त स्थान, संरचना में खुले समूह हैं

$$\psi ^{-1}\circ f\circ \phi :U\cap (f\circ \phi )^{-1}(\psi (V))\to N$$

स्थानीय रूप से लिप्सचिट्ज़ है। यह परिभाषा किसी मापीय को परिभाषित करने पर निर्भर नहीं करती है M या N. यह संरचना एक टुकड़ा-रेखीय कई गुना और एक स्थलीय कई गुना के बीच मध्यवर्ती है: एक पीएल संरचना एक अद्वितीय लिप्सचिट्ज़ संरचना को जन्म देती है। जबकि लिप्सचिट्ज़ मैनिफोल्ड्स टोपोलॉजिकल मैनिफोल्ड्स से निकटता से संबंधित हैं, रेडमाकर का प्रमेय किसी को विश्लेषण करने की अनुमति देता है, विभिन्न अनुप्रयोगों को उत्पन्न करता है।

एक तरफा लिपशिट्ज

चलो F(x) एक hemicontinuous|upper semi-continuous function of x हो, और यह कि F(x) सभी x के लिए एक बंद, उत्तल समूह है। तब F एक तरफा लिपशिट्ज है यदि

$(x_{1}-x_{2})^{T}(F(x_{1})-F(x_{2}))\leq C\Vert x_{1}-x_{2}\Vert ^{2}$ कुछ सी के लिए और सभी एक्स के लिए₁ और एक्स₂.

यह संभव है कि फ़ंक्शन F में एक बहुत बड़ा लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक हो सकता है, लेकिन एक मध्यम आकार का, या नकारात्मक, एक ओर लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक भी हो सकता है। उदाहरण के लिए, समारोह

${\begin{cases}F:\mathbf {R} ^{2}\to \mathbf {R} ,\\F(x,y)=-50(y-\cos(x))\end{cases}}$

लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक K = 50 और एक तरफा लिप्सचिट्ज़ स्थिरांक C = 0 है। एक उदाहरण जो एक तरफा लिप्सचिट्ज़ है लेकिन लिप्सचिट्ज़ निरंतर नहीं है F(x) = e^−x, C = 0 के साथ।

यह भी देखें

• Contraction mapping
• दीनी निरंतरता
• निरंतरता का मापांक
• क्वासी-आइसोमेट्री
• जॉनसन-लिंडनस्ट्रॉस लेम्मा - किसी पूर्णांक n≥0 के लिए, कोई परिमित उपसमुच्चय X⊆'R'ⁿ, और कोई वास्तविक संख्या 0<ε<1, एक (1+ε)-bi-Lipschitz फ़ंक्शन उपस्थित है $f:\mathbb {R} ^{n}\to \mathbb {R} ^{d},$ कहाँ पे $d=\lceil 15(\ln |X|)/\varepsilon ^{2}\rceil .$