수학 개념 지도
미적분(Calculus)

연속성(Continuity)

입력을 조금만 움직이면 출력도 조금만 움직인다. 점 a에서의 극한값이 함숫값과 같을 때 연속이다.

lim⁡x→af(x)=f(a)\lim_{x \to a} f(x) = f(a)
먼저 보면 좋은 개념극한

"펜을 떼지 않고 그릴 수 있다"는 직관을 한 점에서의 조건으로 바꿔 정확히 말하면 이렇습니다(19세기에 프랑스의 코시와 독일의 바이어슈트라스가 다듬은 정의입니다). 출력이 f(a)f(a)에서 ε=\varepsilon = 보다 멀어지지 않게 하고 싶다고 합시다. 입력을 aa 근처 δ\delta 안에만 두면 그렇게 되는 양수 δ가, ε을 아무리 작게 잡아도 언제나 있으면 f는 점 a에서 연속입니다. 함수⁠(function)⁠를 로 바꾸고 점 a를 끌어 보세요.

가로 띠: 허용된 출력 오차 ε. 세로 띠: 그 오차를 지키는 입력 범위 δ. δ가 없으면 붉게 표시됩니다.

지금은 . 도약이 있는 곳에서는 ε을 도약 폭 이하로 잡는 순간 어떤 δ도 소용없습니다. 점 a의 한쪽에 아무리 가까운 입력을 잡아도 출력이 도약 폭 가까이 떨어져 있기 때문입니다. 붉은 세로 띠가 그 모습입니다. 점 하나만 튀는 곳은 극한⁠(limit)⁠은 있는데 함숫값이 엉뚱한 경우이고, 1/x1/x의 x=0x = 0처럼 값이 한없이 커지는 곳(극)은 극한 자체가 없습니다.

연속성은 여러 정리의 기초입니다. 한 구간에서 연속인 함수가 양 끝에서 부호가 다르면 그 사이에서 반드시 0을 지난다는 중간값 정리⁠(intermediate value theorem)⁠가 대표적입니다. 미분⁠(differentiation)⁠ 가능하면 연속이지만 거꾸로는 아닙니다. ∣x∣|x|의 꼭짓점⁠(vertex)⁠은 연속이지만 확대해도 곧아지지 않습니다.

펜 그림은 출발점일 뿐, 정의와 딱 같지는 않습니다. 더 극단적인 예로 "악마의 계단⁠(devil's staircase)⁠"은 연속이고 0에서 1까지 올라가는데도, 길이를 모두 합하면 0인 칸토어 집합⁠(Cantor set)⁠의 점들을 빼면 어디서나 기울기⁠(slope)⁠가 0입니다. 오르는 일이 전부 그 '길이 없는' 점들 위에서 일어나는 셈입니다. 연속이지만 어느 점에서도 미분할 수 없어서, 아무리 확대해도 톱니가 끝없이 나타나는 함수도 있습니다(1872년 바이어슈트라스가 발표한 예).

연속은 점마다 그 근처만 보고 판정하는 성질입니다. 그래서 조각마다 연속이고 겹치는 곳에서 서로 맞는 함수들을 이어 붙이면 연속함수가 됩니다. 이렇게 국소적으로 확인되고 이어 붙일 수 있는 성질을 담는 틀이 층입니다. 수열로 말하면, 실수⁠(real number)⁠ 위의 연속함수는 xn→xx_n \to x일 때 언제나 f(xn)→f(x)f(x_n) \to f(x), 곧 f(lim⁡xn)=lim⁡f(xn)f(\lim x_n) = \lim f(x_n)인 함수입니다. 프로그램의 뜻을 다루는 영역 이론⁠(domain theory)⁠의 스콧 연속성은 이 식을 '정보가 점점 늘어나는 사슬'과 그 한계(상한⁠, upper bound⁠)로 옮긴 것입니다.

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미분에서 회전까지 · 1편 · 미분 순간의 속도 속도계는 '지금 이 순간'의 속도를 보여 준다. 순간에는 시간이 흐르지 않는데, 무엇을 재는 걸까? 집합론 무한에도 크기가 있다 자연수와 짝수는 어느 쪽이 많을까? 칸토어는 무한을 세는 법을 찾았고, 무한이 하나가 아님을 보였다. 삼각함수 원에서 파동으로 별의 위치를 재던 현의 표가 사인이 되고, 열의 흐름을 풀던 푸리에가 모든 파동을 사인으로 쪼갰다. 그래프 이론 일곱 다리의 도시 쾨니히스베르크의 일곱 다리를 한 번씩만 건너 산책할 수 있을까? 오일러는 지도를 지우고 점과 선만 남겼다. 거리와 유사도 까마귀와 택시 까마귀는 곧장 날고 택시는 블록을 돌아간다. '얼마나 먼가'에는 답이 하나가 아니고, 어떤 거리를 고르느냐가 통계와 기계 학습의 답을 바꾼다. 신경망과 기계 학습 배우는 기계 예를 보여 주면 규칙을 스스로 찾는 기계. 1958년의 퍼셉트론에서 오늘의 심층 신경망까지, 그 밑바닥에는 미분과 연쇄법칙이 있다. 게임과 증명 이기는 쪽이 존재한다 "이 판은 백이 이겼다"는 흑이 어떻게 두든 백에게 답이 있다는 말이다. 체스의 체르멜로 정리, ε–δ, 님의 이진법, 폰 노이만의 최소최대와 쌍대성, 논리의 한계를 재는 게임, 끝나지 않는 게임과 선택공리, 대화로 읽는 증명, 겨루며 배우는 신경망까지. 수학의 참을 두 사람의 게임으로 읽는다. 수학의 오류 틀린 증명이 만든 수학 틀린 증명은 흔하다. 드물게, "정확히 어디가 틀렸는가"라는 물음이 새 분야를 낳는다. 코시의 합 정리와 균등 수렴, 라메의 증명과 아이디얼, 켐프의 사슬, 푸앵카레의 회수된 논문과 혼돈, 프레게의 법칙과 러셀의 편지, 보예보츠키와 증명 보조기까지. 오류는 대개 서로 다른 두 가지를 하나로 여긴 자리에 있었다.

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