峰图 | 关于图形动态等价原理的解释

一、前言

在「荒原之梦考研数学」的《峰图 | 深入理解二元函数的(全面)极限》这篇文章中,我们知道,在二元函数一点处极限的定义中,无论去心邻域的形状是圆形,还是正方形,对应的定义都是等价的,并且通过极限的思想证明了为什么圆形和正方形的形状不同,但是却等价.

接着,在「荒原之梦考研数学」的《峰图 | 二元函数去心邻域可以是哪些形状?不可以是哪些形状?》这篇文章中,我们基于《峰图 | 深入理解二元函数的(全面)极限》这篇文章中的结论,得出了所有能够做环绕极限点放缩的二维有界平面(可推广至三维有界曲面)在定义二元函数一点处极限的时候都是等价的这个更进一步的结论.

在这篇文章中,「荒原之梦考研数学」将通过对图形动态等价原理的阐释,给出有关不同形状的能够做环绕极限点放缩的二维有界平面(可推广至三维有界曲面,但在本文中仅基于二维有界平面做论述)在定义二元函数一点处极限的时候都是等价的这一结论的另一视角的证明.

二、正文

在本文中,「荒原之梦考研数学」所提出的图形动态等价原理,首先基于这样一种几何直观结论,即:对于一个封闭的图形,如果我们可以“定位”其上的所有点,那么,我们就能实现对这个封闭图形的“克隆”.

例如,对于图 01 中的绿色多边形,我们可以找到其上的所有点(如图 02 中黄色圆点所示)——如果我们将这些黄色圆点连接起来,那么,就得到了一个事实上和绿色多边形完全一样的图形(如图 03 所示):

峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 01.
图 01.
峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 02.
图 02.
峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 03.
图 03.

于是,对于如图 04 中的蓝色多边形,如果将其“放大”(如图 05, 06, 07 所示),就会发现,蓝色多边形会与绿色多边形产生交点:

峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 04.
图 04.
峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 05.
图 05.
峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 06.
图 06.
峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 07.
图 07.

由于蓝色多边形在“放大”的过程中实际上会“扫过”一个如图 08 所示的连续的面,这个面完整覆盖了绿色多边形的所有边上的所有点,因此,在绿色多边形任意找一点,都可以在动态变化的蓝色多边形上也找到一点,使得其与绿色多边形上的点重合——我们称此为蓝色多边形对绿色多边形的“动态等价”:

峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 08.
图 08.

类似地,如图 09 和图 10 所示,如果我们“缩小”绿色多边形,则在这个动态过程中,绿色多边形“扫过”所形成的连续的面也会完全覆盖蓝色多边形,也就是说,蓝色多边形也能够形成对绿色多边形的“动态等价”:

峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 09.
图 09.
峰图 | 关于图形动态等价原理的解释 - 荒原之梦考研数学 - 图 10.
图 10.

综上,我们就通过“动态等价”的原理证明了,在动态的“放大”和“缩小”过程中,不同形状的可以用于定义二元函数一点处极限的去心邻域实际上是互相“动态等价”的关系.


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