In diesem Abschnitt fassen wir die wichtigsten Zusammenhänge und Ergebnisse zwischen den verwandten Begriffen der error: internal links not implemented, yet! und der error: internal links not implemented, yet! zusammen.

Übersicht: Zusammenhang zwischen Stetigkeit und Differenzierbarkeit

Wir hatten bereits bewiesen, dass error: internal links not implemented, yet! . Die Umkehrung ist im allgemeinen nicht richtig. Beispiele hierfür sind die Funktionen f:\mathbb{R} \to \mathbb{R} ,\ f(x)=|x| oder f:\mathbb{R} _{0}^{+}\to \mathbb{R} ,\ f(x)={\sqrt x} jeweils im Nullpunkt.
Eine stärkere Variante der Stetigkeit ist die error: internal links not implemented, yet! . Diese stellt, im Gegensatz zur „gewöhnlichen“ Stetigkeit, keine lokale , sondern eine globale Eigenschaft dar. Daher ist error: internal links not implemented, yet! . Die Umkehrung gilt hingegen nicht, wie das Beispiel f:\mathbb{R} \to \mathbb{R} ,\ f(x)=x^{2} zeigt. Jedoch ist error: internal links not implemented, yet! . Dieses Resultat ist in der Literatur auch als Satz von Heine-Cantor bekannt.
Eine weitere „Verschärfung“ der gleichmäßigen Stetigkeit stellt die error: internal links not implemented, yet! dar. Sie besagt anschaulich, dass das \delta in der error: internal links not implemented, yet! linear von \epsilon abhängt. Damit ist jede lipschitz-stetige Funktion auch gleichmäßig stetig. Die Umkehrung gilt im allgemeinen nicht. Ein Beispiel ist f:\mathbb{R} _{0}^{+}\to \mathbb{R} ,\ f(x)={\sqrt x}, die gleichmäßig, jedoch nicht lipschitz-stetig ist.
Die Lipschitz-Stetigkeit ist, genau wie die gleichmäßige Stetigkeit, eine globale Eigenschaft. Von dieser gibt es eine schwächere, lokale Variante, die lokale Lipschitz-Stetigkeit. Lokale Lipschitz-Stetigkeit und Lipschitz-Stetigkeit verhalten sich genau wie Stetigkeit und gleichmäßige Stetigkeit. D.h. jede lipschitz-stetige Funktion ist auch lokal lipschitz-stetig, jedoch nicht umgekehrt. Ein Beispiel ist erneut die Quadratwurzelfunktion f:\mathbb{R} ^{+}\to \mathbb{R} ,\ f(x)={\sqrt x}. Wichtig ist, dass die Null hier nicht im Definitionsbereich der Wurzelfunktion enthalten ist. Andererseits folgt aus lokaler Lipschitz-Stetigkeit die „gewöhnliche“ Stetigkeit, jedoch nicht umgekehrt. Beispielsweise ist die Funktion f:[-1,1]\to \mathbb{R} ,\ f(x)={\sqrt {|x|}} im Nullpunkt stetig, jedoch nicht lokal lipschitz-stetig.
Eine Beziehung zwischen Differenzierbarkeit und Lipschitz-Stetigkeit stellt der error: internal links not implemented, yet! dar, welcher aus dem error: internal links not implemented, yet! folgt. Der Schrankensatz besagt, dass jede differenzierbare Funktion mit beschränkter Ableitung lipschitz-stetig ist. Eine hinreichende Bedingung für diese Voraussetzung ist, nach dem error: internal links not implemented, yet! , dass die Funktion auf einem Kompaktum definiert und stetig differenzierbar ist. Zuletzt folgt umgekehrt, dass jede lipschitz-stetige Funktion fast überall (d.h. bis auf eine Nullmenge) differenzierbar ist. Diese Aussage ist als Satz von Rademacher bekannt.
Diagramm about the conections between continous and differentiable real valued functions (Valentin Roland: CC BY-SA 4.0)

Verständnisfragen

Verständnisaufgabe:
Gib jeweils eine Funktion f:D\to \mathbb{R} mit der folgenden Eigenschaft an:
  1. f ist gleichmäßig stetig und D nicht kompakt.
  2. f ist stetig und D kompakt, aber f ist nicht lipschitz-stetig.
  3. f ist gleichmäßig stetig, aber nicht lokal lipschitz-stetig.
  4. f ist differenzierbar, aber nicht lipschitz-stetig.
  5. f ist stetig differenzierbar, aber nicht gleichmäßig stetig.
Lösungen:
  1. f:\mathbb{R} \to \mathbb{R} ,\ f(x)=x
  2. f:[0,1]\to \mathbb{R} ,\ f(x)={\sqrt x}
  3. f:\mathbb{R} _{0}^{+}\to \mathbb{R} ,\ f(x)={\sqrt x}
  4. f:\mathbb{R} \to \mathbb{R} ,\ f(x)=x^{2} oder f:\mathbb{R} \to \mathbb{R} ,\ f(x)=e^{x}
  5. f:\mathbb{R} \to \mathbb{R} ,\ f(x)=x^{2} oder f:\mathbb{R} \to \mathbb{R} ,\ f(x)=e^{x}