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8/11/2024

[數學分析] 連續函數性質與sublevel set 關係

 考慮 $f: X \to \mathbb{R}$ 為連續函數,則其sublevel set $$L_s := \{x \in X: f(x) \leq s\}$$ 為閉集(closed set)。

Proof.

首先注意到 $(-\infty, s]$ 為在 $\mathbb{R}$ 的 closed set (why?),並且注意到 $f$ 的 sublevel set 可由連續函數 $f$ 的像原(preimage) 表示,亦即, $$f^{-1}((-\infty, s]) = \{x \in X: f(x) \leq s\}$$ 由連續函數等價定理:函數 $f$ 為連續若且唯若對於 $\mathbb{R} $ 中任意 closed set $A$ ,其 $f^{-1}(A) $ 為 closed。現令 $A:=(-\infty, s]$,且 $f$ 為連續,故 $L_s = f^{-1}((-\infty, s])$ 為 closed set。

1/09/2018

[測度論] 連續函數必定可測

令 $X,Y$ 為 metric space,定義 $\mathcal{B}_X$ 與 $\mathcal{B}_Y$ 為其上的 Borel $\sigma$-algebra (generated by some open sets)。

Claim: $f:X \to Y$ 為連續函數 on $X$,則 $f$ 為 $(\mathcal{B}_X, \mathcal{B}_Y)$-measurable。

Proof: 令 $E \in \mathcal{B}_Y$,我們要證明 $f^{-1}(E) \in \mathcal{B}_X $。注意到若 $E$ 為 任意 set generates $\mathcal{B}_Y$; e.g., $E$ be open set,則由連續函數性質可知 $f^{-1}(E)$ 亦為 open ,故 $f^{-1}(E) \in \mathcal{B}_X$。$\square$

11/14/2015

[線性代數] 淺論有限維 實數內積空間 (0)

這次要介紹 有限維度的內積空間 (Inner Product Space),簡而言之就是有限維度向量空間 $(V, \oplus, \odot)$ 上額外定義內積運算,則我們稱此類空間為 內積空間。

Comments: 
1. 有限維度內積空間稱為 歐式空間 (Euclidean Space)
2. 若為無窮維度的內積空間我們稱為 Pre-Hilbert Space,若此無窮維度內積空間為完備空間,則稱之為 Hilbert Space
3. 為何好好的向量空間不用還要多此一舉另外又定一個 內積空間?主因是向量空間本身只定義了加法 與純量乘法的運算,如果我們想討論在向量空間中某元素的大小 或者 某兩元素之間的關係則無從得知。但是如果我們引入 內積運算 到向量空間中,則可以在原本的向量空間上將 代數 與 幾何 的概念做直接的連結,也就是我們可以透過內積引入 其上的兩元素是否 垂直 (正交) 的概念,亦可針對某元素來探討其 長度與大小 概念 。
4. 讀者可回憶 高中所學習過的 點積 (dot product),此文所探討的內積 即為 點積 的推廣。



首先定義內積

==================
Definition: Inner Product on Vector Space
令 $V$ 為實數向量空間,則 Inner Product on $V$ 為函數 $(\cdot, \cdot): V\times V \to \mathbb{R}$ 滿足下列條件
(a) $({\bf u}, {\bf u}) \ge 0$:且 $({\bf u}, {\bf u}) = 0$ 若且唯若 ${\bf u} = {\bf 0}_V$
(b) $({\bf u}, {\bf v}) = ({\bf v}, {\bf u}), \; \forall {\bf u,v} \in V$
(c) $({\bf u} + {\bf v}, {\bf w}) = ({\bf u}, {\bf w}) + ({\bf u}, {\bf v}), \; \forall {\bf u,v,w} \in V$
(d) $(c {\bf u}, {\bf v}) = c({\bf u}, {\bf v}),\; \forall {\bf u,v} \in V, c \in \mathbb{R}$
==================

Comment:
1. 透過內積我們亦可定義 ${\bf u}$ 的大小,記作 $||{\bf u}|| = \sqrt{ ({\bf u}, {\bf u} )} $
2. 透過內積我們亦可定義在內積空間中兩向量是否垂直:亦即 若 ${\bf u}, {\bf v} \in V$ 稱為 垂直 或 正交 若 $({\bf u}, {\bf v}) = 0$

2. 前述內積定義可立即有以下衍生結果:
Fact 1: $\left( {{\bf{u}},c{\bf{v}}} \right) = c\left( {{\bf{u}},{\bf{v}}} \right)$

Fact 2: $\left( {{\bf{u}},{\bf{v}} + {\bf{w}}} \right) = \left( {{\bf{u}},{\bf{v}}} \right) + \left( {{\bf{u}},{\bf{w}}} \right)$

讀者可自行驗證上述兩個結果。

=========
Claim 1:  給定 ${\bf v}, {\bf w} \in V$ ,若對任意 ${\bf u} \in V$ 我們有 $
({\bf u},{\bf v}) = ({\bf u}, {\bf w})$ 則 ${\bf v} = {\bf w}$
=========
Proof:
由於我們要證明 ${\bf v} = {\bf w}$,故我們僅需證明 $\left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{v}} - {\bf{w}}} \right) = 0$ 現在觀察兩者之差的內積
\[\begin{array}{l}
\left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{v}} - {\bf{w}}} \right) = \left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{v}}} \right) + \left( {{\bf{v}} - {\bf{w}}, - {\bf{w}}} \right)\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}&{}&{}
\end{array} = \left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{v}}} \right) - \left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{w}}} \right)
\end{array}\]注意到 ${\bf v} - {\bf w} \in V$ 故 若我們令 ${\bf u}:= {\bf v} - {\bf w} $ 則 由已知條件可知
\[\begin{array}{l}
\left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{v}} - {\bf{w}}} \right) = \left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{v}}} \right) - \left( {{\bf{v}} - {\bf{w}},{\bf{w}}} \right)\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}&{}&{}
\end{array} = \left( {{\bf{u}},{\bf{v}}} \right) - \left( {{\bf{u}},{\bf{w}}} \right) = 0. \;\;\; \square
\end{array}\]


由上述結果我們有以下衍生定理
=========
Corollary of Claim 1:
若 對任意 ${\bf u} \in V$ 我們有 $({\bf u}, {\bf v})=0$ 則 ${\bf v} = 0$
=========
Proof: omitted.



=========
Claim: 令向量空間 $ V := \mathbb{R}^n$ 現在定義下列函數 $f: \mathbb{R}^n \times \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}$ 滿足
\[
f({\bf u},{\bf v}) := {\bf u}^T {\bf v}
\]其中 ${\bf u} := [u_1\;u_2\;...,u_n]^T $ 與 ${\bf v} := [v_1\;\;v_2\;...,v_n]^T $ 為任意 $\mathbb{R}^n$ 空間中的向量, 則此運算為一種內積。
=========
Proof:
我們現在驗證 $f$ 確實為內積,故我們需驗證其滿足前述四項 (a,b,c,d)條件:首先驗證 $(a)$:
\[f({\bf{u}},{\bf{u}}) = {{\bf{u}}^T}{\bf{u}} = u_1^2 + ...u_2^2 \ge 0\]且 $f({\bf{u}},{\bf{u}}) = 0$ 若且唯若 ${\bf u} = [0,...,0]^T$

$(b)$ 令 ${\bf u,v} \in \mathbb{R}^n$ 現在我們觀察
\[\begin{array}{l}
f({\bf{v}},{\bf{u}}) = {{\bf{v}}^T}{\bf{u}}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = {v_1}{u_1} + ... + {v_n}{u_n}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = {u_1}{v_1} + ... + {u_n}{v_n}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}&{...}&{{u_n}}
\end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l}
{v_1}\\
{v_2}\\
 \vdots \\
{v_n}
\end{array} \right] = {{\bf{u}}^T}{\bf{v}} = f\left( {{\bf{u}},{\bf{v}}} \right)
\end{array}
\]
$(c)$ 令 $\bf u,v,w$$\in \mathbb{R}^n$ 接著我們觀察
\[\begin{array}{l}
f({\bf{u}} + {\bf{v}},{\bf{w}}) = {\left( {{\bf{u}} + {\bf{v}}} \right)^T}{\bf{w}}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1} + {v_1}}&{{u_2} + {v_2}}&{...}&{{u_n} + {v_n}}
\end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l}
{w_1}\\
{w_2}\\
 \vdots \\
{w_n}
\end{array} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = \left( {{u_1} + {v_1}} \right){w_1} + ...\left( {{u_n} + {v_n}} \right){w_n}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = \left( {{u_1}{w_1} + ... + {u_n}{w_n}} \right) + \left( {{v_1}{w_1} + ... + {v_n}{w_n}} \right)\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}&{...}&{{u_n}}
\end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l}
{w_1}\\
{w_2}\\
 \vdots \\
{w_n}
\end{array} \right] + \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}
{{v_1}}&{{v_2}}&{...}&{{v_n}}
\end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l}
{w_1}\\
{w_2}\\
 \vdots \\
{w_n}
\end{array} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = {\left( {\bf{u}} \right)^T}{\bf{w}} + {\left( {\bf{v}} \right)^T}{\bf{w}}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = f({\bf{u}},{\bf{w}}) + f({\bf{v}},{\bf{w}})
\end{array}
\]
$(d)$ 同理我們觀察
\[\begin{array}{l}
f(c{\bf{u}},{\bf{v}}) = {\left( {c{\bf{u}}} \right)^T}{\bf{v}}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}}
{c{u_1}}&{c{u_2}}&{...}&{c{u_n}}
\end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l}
{v_1}\\
{v_2}\\
 \vdots \\
{v_n}
\end{array} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = c\left[ {\begin{array}{*{20}{c}}
{{u_1}}&{{u_2}}&{...}&{{u_n}}
\end{array}} \right]\left[ \begin{array}{l}
{v_1}\\
{v_2}\\
 \vdots \\
{v_n}
\end{array} \right]\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = c{\left( {\bf{u}} \right)^T}{\bf{v}}\\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array} = cf({\bf{u}},{\bf{v}})
\end{array}\]

Claim 2:  令向量空間 $ V := \mathbb{R}^n$ 現在定義下列函數 $f: \mathbb{R}^n \times \mathbb{R}^n \to \mathbb{R}$ 滿足
\[
f({\bf u},{\bf v}) := {\bf u}^T {\bf v}
\]其中 ${\bf u} := [u_1\;u_2\;...,u_n]^T $ 與 ${\bf v} := [v_1\;\;v_2\;...,v_n]^T $ 為任意 $\mathbb{R}^n$ 空間中的向量, 則此運算為 $\mathbb{R}^n$ 一種內積。
Proof: omitted

Claim 3:  令向量空間 $ V := C[a,b]$ ,若 $f,g \in V$ 令
\[\left( {f,g} \right): = \int_a^b {f\left( t \right)g\left( t \right)dt} \] 則 $(f,g)$ 為 $C[a,b]$ 上的一種內積。
Proof: omitted


以下我們接著介紹對任意有限維度向量空間,則其上的內積可以用一個透過基底表示的矩陣 $C$ 來完全決定。

==================
Theorem: 令 $S=\{{\bf u}_1,...,{\bf u}_n\}$ 為 向量空間 $V$ 的 ordered basis 且假設我們可在 $V$ 上定義內積,現在令 $c_{ij} = ({\bf u}_i, {\bf u}_j)$ 且 $C=[c_{ij}]$ 矩陣 則
對任意 ${\bf v,w} \in V$, 存在 $C = [c_{ij}]$ 矩陣 使得 $({\bf v},{\bf w}) = [{\bf v}]_S^T C [{\bf w}]_S$
==================

Proof : 給定  ${\bf v,w} \in V$ 則我們有
\[\begin{array}{l}
{\bf{v}} = {a_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {a_n}{{\bf{u}}_n}\\
{\bf{w}} = {b_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {b_n}{{\bf{u}}_n}
\end{array}
\]
現在我們觀察內積 \[\begin{array}{l}
({\bf{v}},{\bf{w}}) = ({a_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {a_n}{{\bf{u}}_n},{\bf{w}})\\
 = ({a_1}{{\bf{u}}_1},{\bf{w}}) + ({a_2}{{\bf{u}}_2},{\bf{w}}) + ... + ({a_n}{{\bf{u}}_n},{\bf{w}})\\
 = {a_1}({{\bf{u}}_1},{\bf{w}}) + {a_2}({{\bf{u}}_2},{\bf{w}}) + ... + {a_n}({{\bf{u}}_n},{\bf{w}})
\end{array}\]又因為 ${\bf{w}} = {b_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {b_n}{{\bf{u}}_n}$ 故
\[\begin{array}{l}
({\bf{v}},{\bf{w}}) = ({a_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {a_n}{{\bf{u}}_n},{\bf{w}})\\
 = ({a_1}{{\bf{u}}_1},{\bf{w}}) + ({a_2}{{\bf{u}}_2},{\bf{w}}) + ... + ({a_n}{{\bf{u}}_n},{\bf{w}})\\
 = {a_1}({{\bf{u}}_1},{\bf{w}}) + {a_2}({{\bf{u}}_2},{\bf{w}}) + ... + {a_n}({{\bf{u}}_n},{\bf{w}})\\
 = {a_1}({{\bf{u}}_1},{b_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {b_n}{{\bf{u}}_n}) + {a_2}({{\bf{u}}_2},{b_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {b_n}{{\bf{u}}_n}) + ... + {a_n}({{\bf{u}}_n},{b_1}{{\bf{u}}_1} + ... + {b_n}{{\bf{u}}_n})\\
 = \left[ {{a_1}({{\bf{u}}_1},{b_1}{{\bf{u}}_1}) + {a_1}({{\bf{u}}_1},{b_2}{{\bf{u}}_2}) + ... + {a_1}({{\bf{u}}_1},{b_n}{{\bf{u}}_n})} \right] + \\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}... + \left[ {{a_n}({{\bf{u}}_n},{b_1}{{\bf{u}}_1}) + {a_n}({{\bf{u}}_n},{b_2}{{\bf{u}}_2})... + {a_n}({{\bf{u}}_n},{b_n}{{\bf{u}}_n})} \right]\\
 = \left[ {{a_1}{b_1}({{\bf{u}}_1},{{\bf{u}}_1}) + {a_1}{b_2}({{\bf{u}}_1},{{\bf{u}}_2}) + ... + {a_1}{b_n}({{\bf{u}}_1},{{\bf{u}}_n})} \right] + \\
\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}... + \left[ {{a_n}{b_1}({{\bf{u}}_n},{{\bf{u}}_1}) + {a_n}{b_2}({{\bf{u}}_n},{{\bf{u}}_2})... + {a_n}{b_n}({{\bf{u}}_n},{{\bf{u}}_n})} \right]\\
 = \sum\limits_{j = 1}^n {{a_1}{b_j}({{\bf{u}}_1},{{\bf{u}}_j})}  + \sum\limits_{j = 1}^n {{a_2}{b_j}({{\bf{u}}_2},{{\bf{u}}_j})}  + ... + \sum\limits_{j = 1}^n {{a_n}{b_j}({{\bf{u}}_n},{{\bf{u}}_j})} \\
 = \sum\limits_{j = 1}^n {\left( {{a_1}{b_j}({{\bf{u}}_1},{{\bf{u}}_j}) + {a_2}{b_j}({{\bf{u}}_2},{{\bf{u}}_j}) + ... + {a_n}{b_j}({{\bf{u}}_n},{{\bf{u}}_j})} \right)} \\
 = \sum\limits_{j = 1}^n {\sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}{b_j}({{\bf{u}}_i},{{\bf{u}}_j})} }
\end{array}\]
現在令 $c_{ij} = (a_i, b_j)$ ,則我們有
\[({\bf{v}},{\bf{w}}) = \sum\limits_{j = 1}^n {\sum\limits_{i = 1}^n {{a_i}{b_j}{c_{ij}}} } =[{\bf v}]_S C [{\bf w}]_S\]

Comments: 
1. 前述的 $C$ 矩陣亦稱為 matrix of the inner produce with respect to the ordered basis $S$
2. 由於我們有 $c_{ij} = ({\bf u}_i, {\bf u}_j)$ 且利用內積定義 $ ({\bf u}_i, {\bf u}_j)=({\bf u}_j, {\bf u}_i) $ 我們得到 $c_{ij} = c_{ji}$,故 前述的 $C = [c_{ij}]$ 矩陣為對稱矩陣。


上述 inner product 不但可用來引出 norm 的概念,更保持了連續性,以下我們給出相關結果。

============================
Lemma: (Continuity of Inner Product)
令 $u_n \to u$ 且 $v_n \to v$ 且收斂在某內積空間 (或 Pre-Hibert Space) ,則
\[
(u_n,v_n) \to (u,v)
\] ============================

Proof: 直接觀察
\begin{align*}
  \left| {({u_n},{v_n}) - (u,v)} \right| &= \left| {({u_n},{v_n}) - \left( {{u_n},v} \right) + \left( {{u_n},v} \right) - (u,v)} \right| \hfill \\
  & \leqslant \left| {({u_n},{v_n}) - \left( {{u_n},v} \right)} \right| + \left| {\left( {{u_n},v} \right) - (u,v)} \right| \hfill \\
   &= \left| {({u_n},{v_n} - v)} \right| + \left| {\left( {{u_n} - u,v} \right)} \right| \hfill \\
\end{align*} 回憶 Cauchy Schwarz Inequality $|(x,y)| \leq ||x|| ||y||$,我們有
\[\left| {({u_n},{v_n}) - (u,v)} \right| \leqslant \left\| {{u_n}} \right\|\left\| {{v_n} - v} \right\| + \left\| {{u_n} - u} \right\|\left\| v \right\|\;\;\;\; (*)
\]注意到因為 $\{u_n\}$數列為收斂數列,故 $||u_n|| < \infty$,另外 $v$ 為 收斂數列 $\{v_n\}$ 的極限,故 $||v|| < \infty$。除此之外,由假設  $u_n \to u$ 且 $v_n \to v$ 可知
\[
||u_n - u|| \to 0;\;\;\;\;\; ||v_n \to v|| \to 0
\]因此,上式 $(*)$ 取極限後可得
\[\left| {({u_n},{v_n}) - (u,v)} \right| \leqslant \underbrace {\left\| {{u_n}} \right\|}_{ < \infty }\underbrace {\left\| {{v_n} - v} \right\|}_{ \to 0} + \underbrace {\left\| {{u_n} - u} \right\|}_{ \to 0}\underbrace {\left\| v \right\|}_{ < \infty } \to 0 + 0 = 0\]

2/11/2012

[微積分] 函數的單調性質(1)-一階導數判斷遞增?遞減?

這次要介紹利用微分來幫助我們判斷 可導函數在某區間 是否遞增/遞減。

Theorem:
1. 考慮函數 $f(x)$ 定義在區間 $(a,b)$上 且在此區間上可導,我們說此函數在 $(a,b)$ 上為 嚴格遞增函數(strictly increasing) 若下列條件成立:
\[
\forall x \in (a,b),\;\; f'(x) >0
\]2. 考慮函數 $f(x)$ 定義在區間 $(a,b)$上 且在此區間上可導,我們說此函數在 $(a,b)$ 上為 嚴格遞減函數(strictly decreasing) 若下列條件成立:
\[
\forall x \in (a,b),\;\; f'(x) <0
\]3. 考慮函數 $f(x)$ 定義在區間 $(a,b)$上 且在此區間上可導,我們說此函數在 $(a,b)$ 上為 常數函數 $c$ 若下列條件成立:
\[
\forall x \in (a,b),\;\; f'(x) =0
\]Proof: omitted.

Example 1:
考慮 $x \in \mathbb{R}$,且定義函數 $f(x) = x^2$,試判斷其遞增/遞減性質:

Solution
利用 前述 Theorem,對 $f(x)$ 求一階導數
\[
f'(x) = 2x
\]故可知當 $f'(x) = 2x >0$ 亦即 $x>0$ 時候 (或者說在區間 $(0,\infty)$) $f$ 為遞增
同理,可推知當 $f'(x) = 2x < 0$ 亦即 當 $x<0$ 時候 (或者說在區間 $(-\infty,0)$) $f$ 為遞減
同理,可推知當 $f'(x) = 2x = 0$ 亦即 當 $x=0$ 時候 (或者說在 $0$ 處) $f$ 為常數。


Example 2:
考慮 $x \in \mathbb{R}$,且定義函數 $f(x) = x^2 + 2x -5$,試判斷其遞增/遞減性質:

Solution
利用 前述 Theorem,對 $f(x)$ 求一階導數
\[
f'(x) = 2x +2
\]故可知當 $f'(x) =  2x +2 >0$ 亦即 $ x>-1$ 時候 (或者說在區間 $(-1,\infty)$) $f$ 為遞增
同理,可推知當 $f'(x) = 2x+2 < 0$ 亦即當 $x<-1$時候 (或者說在區間 $(-\infty,-1)$) $f$ 為遞減
同理,可推知當 $f'(x) = 2x +2 = 0$ 亦即當 $x=-1$時候 (或者說在 $-1$ 處) $f$ 為常數。

Comment:
上述例子讀者也許可能猜想當 出現一階導數為 $0$ 的時候,其函數的遞增/遞減會發生變化,但!! 此猜想並不為真! 下面我們看個例子:


Example 3: 
考慮  $x \in \mathbb{R}$,且定義函數 $f(x) = x^3$,試判斷其遞增/遞減性質:

Solution
利用 前述 Theorem,對 $f(x)$ 求一階導數
\[
f'(x) = 3x^2
\]故可知當 $f'(x) =  3x^2 >0$ 亦即 $ x \in \mathbb{R}$ 時候 $f$ 為遞增 且 永不遞減!!
但是當 $f'(x) = 3x^2 = 0$ 亦即當 $x=0$時候 $f$ 為常數。

此例說明了儘管出現 $x=0$的時候 $f(x)$ 的導數為常數,但此時函數函數的遞增性質並不改變。


Example 4*:
令 $f: [-1,1] \to \mathbb{R}$ 且 $ f(x) = \sqrt{1=x^2}$ 試判斷區間的遞增遞減性質。

Solution
先對該函數求導,可得
\[f'\left( x \right) = \frac{{ - x}}{{\sqrt {1 - {x^2}} }}\]現在觀察上述函數可知 $f'>0$ 當 $x \in (-1,0)$ 且 $f' <0$ 當 $x \in (0, 1)$ 亦即 $(-1,0)$ 此函數遞增,且 $(0,1)$ 此函數遞減。

剩下還有三點 $-1,0,1$ 為判斷遞增遞減性質,此三點的判定可透過前一篇文章我們曾討論過的拓展到端點的定理也就是說如果原函數在關心的端點上連續,則遞增/減性質可被直接拓展到該端點上,現在回到我們的問題可發現,原函數 $f$ 在 $-1$ 與 $0$ 與 $1$ 皆連續,故我們可拓展遞增遞減性質,也就是說 $f$ 在 $[-1,0]$ 遞增,$f$ 在 $[0,1]$ 遞減。


1/30/2012

[數學分析] 函數的單調性質(0)-淺論

令 $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ 為函數,

Definition: 我們說 $f$ 為單調遞增 (Monotone increasing) 若下列條件成立:
若 $x_1 < x_2$ 則 $f(x_1) \le f(x_2)$
我們說 $f$ 為單調遞減 (Monotone decreasing) 若下列條件成立:
若 $x_1 > x_2$ 則 $f(x_1) \ge f(x_2)$

我們稱 $f$ 為 單調 (Monotone) 若 $f$ 為單調遞增 或 單調遞減。

以下我們看兩個經典的例子:

Example:
1. 令 $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ 滿足 $f(x) = c$ 且  $c \in \mathbb{R}$ 則此常數函數 既為單調遞增 亦為 單調遞減。
2. 令 $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ 滿足 $f(x) = |x|$ 則此絕對值函數 並非單調遞增或單調遞減。
但注意到若我們修正絕對值函數的定義域,比如說 令 $f: [0, \infty) \to \mathbb{R}$ 滿足 $f(x) = |x|$ 則此絕對值函數 成為 單調遞增 (讀者可自行證明此性質在此不贅述)。

以下我們給出幾個單調函數重要的結果:


===============
Fact:
1. 若 $f, g$ 為在區間 $I \subset \mathbb{R}$ 上的遞增函數,則 $f+g$ 亦為在 $I$上 遞增函數
2. 若 $f, g$ 為在區間 $I \subset \mathbb{R}$ 上的遞減函數,則 $f+g$ 亦為在 $I$上 遞減函數
===============

Proof: 
我們只證明 (1), (2) 留給讀者作為練習。

現在要證明  $f+g$ 在 $I$ 上遞增,故由定義出發,令 $x_1,x_2 \in I$ 且 $x_1 < x_2$,則由於 $f, g$ 在區間 $I$ 上遞增,故我們有
\[
f(x_1) \le f(x_2)
\]且
\[
g(x_1) \le g(x_2)
\]
現在我們觀察其和,可知
\[
f(x_1) + g(x_1) \le f(x_2) + g(x_2)
\]上述不等式表明 $f+g$ 在 $x_1$的取值 必定小於或等於 $f+g$ 在 $x_2$ 上的取值,也就是說
\[
(f+g)(x_1) \le (f+g)(x_2)\;\;\;\;\;\;\; \square
\]



===============
Theorem 1: 開區間遞增是否保證 加入端點之後仍為遞增?
令 $f$ 為在 $(a,b)$ 遞增 ,若 $f$ 在 $a$ 點連續,則 $f$ 在 $[a,b)$ 仍為遞增
同理,若 $f$ 在 $b$ 點連續,則 $f$ 在 $(a,b]$ 仍為遞增。
===============
Proof Sketch: 因為 $f$ 在 $a$ 點連續,其在該點極限值等於該點函數值 $f(a)$ 現在取 $x \in (a,b)$ 則 $x > a$ 其遞增性保證 $f(x) \ge f(a)$


===============
Theorem 2: 遞增函數保證左右極限存在
令 $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ 為單調函數,
1. 則 對任意 $t \in \mathbb{R}$ ,左極限 與 右極限 $f(t-)$ 與 $f(t+)$ 存在且有限,且 $f(\infty-)$ 與 $f(\infty+) $ 存在 。
2. 若 $f$ 為單調遞增,則 $f(t^-) \le f(t) \le f(t+)$
3. 若 $f$ 為單調遞減,則 $f(t^-) \ge f(t) \ge f(t^+)$
===============

Proof: omitted


Theorem 2:
考慮 $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ 為單調函數,現令集合 $E \neq \emptyset$ 為 $f$ 在 ${\bf \mathbb{R}}$ 上 所有 不連續的點 所形成的集合,亦即
\[
E \doteq \{x \in \mathbb{R}: f \text{ is discontinuous at $x$}\}
\]則集合 $E$ 只有以下兩種可能
1. $E$ 為有限(finite)
2. $E$ 為可數無窮 (countably infinite)

Comments:
1. 我們說一個集合為 有限 表示此 集合所含有的元素個素為有限多個。另外我們說一個集合 $E$ 為 可數無窮 表示 存在一個 一對一映射的函數 $g: E \to \mathbb{N}$。
2. 我們說一個函數 $f: \mathbb{R} \to \mathbb{R}$ 在 $t \in \mathbb{R}$ 點不連續若且唯若 其左右極限存在但與函數值不相等,亦即
\[
f(t^+) := \lim_{x \to t^+} f(x) \neq \lim_{x \to t^-} f(x) := f(t^-) \neq f(t)
\]

Proof:
注意到若 $f$ 為單調遞增,則 $-f$ 為單調遞減,但不連續的點個數相等,故我們可僅僅考慮 $f$ 為單調遞增的情形。


\[
E \doteq \{x \in \mathbb{R}: f \text{ is discontinuous at $x$}\} \neq \emptyset
\]我們要證明 (1) 與 (2) ,基本想法為由於 $f$ 取值為在實數軸 $\mathbb{R}$ 上,故由有理數在實數軸上的稠密性來試圖說明為何 (1) 與 (2) 成立。 亦即對任意 $x \in E $ 我們有 $f(x^-) < f(x^+)$且由於 $f$ 取值為在實數軸 $\mathbb{R}$ 上,故由稠密性可知 存在 $q_x \in \mathbb{Q}$ 使得
\[
f(x^-) < q_x < f(x^+)
\]
有了以上想法,我們現在利用 $f$ 單調遞增性質可知
\[
x_1 < x_2 \Rightarrow f(x_1^+) \le f(x_2^-)
\]故若 $x_1, x_2 \in E$ 且 $x_1 < x_2$ 則存在 $q_{x_1}, q_{x_2} \in \mathbb{Q}$ 使得
\[
q_{x_1} < q_{x_2}
\]用上述的構造 $q_{x_1}, q_{x_2}$ 我們得到以下結果:對任意 $x \in E$ 而言,存在彼此相異的有理數來表示 $x$ 且此表示為 1-1 對應。我們將所有對應的有理數收集起來建構以下集合
\[
\{q_x \in \mathbb{Q}: x \in E\}
\]則因為 $q_x \in \mathbb{Q}$ 為有理數 故此集合內元素的個素 必定為有限多 或者 可數無限多個。$\square$

12/13/2010

[數學分析] 函數的 不連續性

令函數 $f: X \to Y$ 且 $x \in X$ 為其 domain 中一點 使得 $f$ 在該點不連續。則我們稱 函數$f$ 在此點 $x$ 不連續 ($f$ is discontinuous at $x$)。 比如說,我們看下圖,可發現該函數在 $x_0$ 處不連續 (函數圖形在 $x_0$點發生不連續, but 左右極限相等)

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E4%B8%8D%E8%BF%9E%E7%BB%AD%E7%82%B9#mediaviewer/File:Discontinuity_removable.eps.png


一般而言如果 $f$ 是透過 "分段"定義,都會有不連續問題存在。不過在此之前我們需要一些先導觀念幫助我們:亦即所謂的 左極限 (left-limits of $f$ at $x$, $f(x-)$) 與 右極限 (right-limits of $f$ at $x$, $f(x+)$)

===================
Definition: Right-Limit 
令 $f$ 定義在 $(a,b)$ 上 ,考慮任意點 $x$ 使得 $a \le x < b$,我們說 $f$在 $x$ 點處 右極限存在 (記做 $f(x+) = q$ ) 若下列條件成立:
對任意 sequence $\{t_n\} \subset (x,b)$ 使得 $t_n \to x$ ,$f(t_n) \to q$ 當 $n \to \infty$

Definition: Left-Limit
令 $f$ 定義在 $(a,b)$ 上,考慮任意點 $x$ 使得 $a < x \le b$,我們可寫  $f$在 $x$點左極限 存在 (記做 $f(x-) = q$ ) 若下列條件成立:
對任意 sequence $\{t_n\} \subset (a,x)$ 使得 $t_n \to x$ ,$f(t_n) \to q$ 當 $n \to \infty$
===================

Comments:
一般而言,常見的寫法還有
\[\left\{ \begin{array}{l}
f(x + ) = \mathop {\lim }\limits_{t \searrow x} f\left( t \right) = \mathop {\lim }\limits_{t \to {x^ + }} f\left( t \right)\\
f(x - ) = \mathop {\lim }\limits_{t \nearrow x} f\left( t \right) = \mathop {\lim }\limits_{t \to {x^ - }} f\left( t \right)
\end{array} \right.\]

===================
FACT:
對任意 $ x \in (a,b)$, $\lim_{t \to x} f(t)$ 存在 若且為若
\[
f(x+ ) = f(x - ) = \lim_{t \to x} f(t)
\]===================
Proof: omitted.

Comment:
1. 上述 FACT 只保證 左右極限 相等 等價 極限存在,但並沒有 "任何" 對於 連續性的推論!! 簡而言之,某函數的極限在某點存在 (or 左右極限在某點存在且相等) 不保證 函數在該點連續!!。

2. [直覺] 連續函數可以容忍函數被某些點被 折,但不允許 折!! 如果一旦發生折斷即為不連續函數。



有了以上左右極限的觀念,我們可以開始討論 不連續性質:

===================
Definition: Classification of Discontinuity
令函數 $f$ 定義在 $(a,b)$ 上,若 $f$ 在點 $x$ 處不連續 且 若 $f(x+)$ 與 $f(x-)$ 存在,則我們稱 $f$ 為 simple discontinuity at $x$。(或稱 $f$ 有 discontinuity of the first kind。)
其餘的不連續則統稱為 discontinuity of the second kind
===================

Comments:
簡潔判斷 discontinuity of the first kind 的方法:檢驗其是否 左右極限存在


以下我們看幾個例子:

Example 1: First Kind Discontinuous Function
定義
\[f\left( x \right): = \left\{ \begin{array}{l}
1,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\left( {x\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}rational} \right)\\
0,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\left( {x\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}irrational} \right)
\end{array} \right.\]試證明 $f$ 為 discontinuity of the second kind

Proof:
讀者應可判斷此函數 $f$ 已為不連續函數,剩下的只需判斷是 first kind 或者 second kind。 故選任意點 $x$,注意到對任意點而言,$f(x+)$ 與 $f(x-)$ 皆不存在!(會在 $0,1$ 之間震盪) 故不滿足 first kind 不連續性,我們可推知其必為 discontinuity of the second kind。$\square$

Example 2: First Kind Discontinuous Function
考慮
\[f\left( x \right): = \left\{ \begin{array}{l}
x + 2,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\left( { - 3 < x <  - 2} \right)\\
 - x - 2,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\left( { - 2 \le x < 0} \right)\\
x + 2,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\left( {0 \le x < 1} \right)
\end{array} \right.\]則如果我們繪製出函數圖形可看出

直覺檢驗 (NOT PROOF):可發現函數在 $x=0$處 發稱間斷! (不連續在此點產生);另外此函數在 $x \in (-3,1)$ 處均為連續函數 (因為此函數只有被折但沒有發生 "折斷"。)$\square$


Example 3: Second Kind Discontinuous Function
\[f\left( x \right): = \left\{ \begin{array}{l}
\sin \left( {\frac{1}{x}} \right),\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}
\end{array}\left( {x \ne 0} \right)\\
0,\begin{array}{*{20}{c}}
{}&{}&{}&{}
\end{array}\left( {x = 0} \right)
\end{array} \right.\]
則如果我們繪製出函數圖形可看出

可以發現在 $x=0$ 處,圖形劇烈震盪。若我們檢驗其 $f(x+)$ 與 $f(x-)$ 可知其皆不存在。故函數在 $x=0$處為 second kind discontinuous,但 除了 $x=0$以外其餘點皆連續 (因為 $ \sin (\cdot)$ 函數為連續函數)。$\square$

我們現在將不連續
以下我們看個結果:

Theorem:
令 $f$ 為 $(a,b)$ 上 實數單調遞增函數 (monotonically increasing on $(a,b)$),則對任意 $x \in (a,b)$ 其左右極限 $f(x+)$ 與 $f(x-)$ 存在。亦即
\[\mathop {\sup }\limits_{a < t < x} f\left( t \right) = f\left( {x - } \right) \le f\left( x \right) \le f\left( {x + } \right) = \mathop {\inf }\limits_{x < t < b} f\left( t \right)\]且若 $a < x < y < b$ 則
\[
f(x+) \le f(y-)
\]
Proof: omitted. see Rudin. Mathematical Analysis 3rd, Chapter 4.


Theorem: 令 $f$ 為 $(a,b)$ 上 實數單調遞增函數 (monotonically increasing on $(a,b)$),則 $f$ 在 $(a,b)$ 中的不連續點 個數最多僅有 countably many。

Proof:
令 $f$ 為 $(a,b)$ 上 遞增函數 (increasing on $(a,b)$)且定義集合 $E$ 為所有 $(a,b)$區間上的點使 $f$ 不連續 所形成的集合
\[E: = \left\{ {x \in \left( {a,b} \right):f\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}{\rm{is}}\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}{\rm{discontinuous}}\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}{\rm{at}}\begin{array}{*{20}{c}}
{}
\end{array}x} \right\}\]由 (前述 Theorem )可知 $f$ 為 $(a,b)$ 上 遞增函數 (increasing on $(a,b)$),則對任意 $x \in (a,b)$ 其左右極限 $f(x+)$ 與 $f(x-)$ 存在 且下列關係成立
\[f\left( {x - } \right) \le f\left( y \right) \le f\left( {x + } \right)\]

現在對任意 $x \in E$,由於 $f(x) $ 為實數函數,利用 實數稠密性質,我們可指派 有理數 $ r(x) $ 使得
\[f\left( {x - } \right) \le r\left( x \right) \le f\left( {x + } \right) \ \ \ \ (*)
\]利用遞增性質 可知 $x_1< x_2 \Rightarrow f(x_1) < f(x_2)$ 故再利用前述 Theorem 可知
\[\begin{array}{l}
{x_1} < {x_2} \Rightarrow f({x_1}) < f({x_2})\\
 \Rightarrow f({x_1} + ) \le f({x_2} - ) \ \ \ \ (**)
\end{array}\] 現在比較 $(*)$ 與 $(**)$ 可推知
\[{x_1} \ne {x_2} \Rightarrow r\left( {{x_1}} \right) \ne r\left( {{x_2}} \right)\]上式表示我們建構了 集合 $E$ 與 $\mathbb{Q}$ 之間為 one-to-one (by definition)。故可知 $E$中 不連續點 最多 countably many 個。 $\square$

12/01/2010

[微積分] 雙變數函數的極限

以下討論均考慮 雙變數情況
============
Definition: Limit of function with two variables
令 $f :D \subset  \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}$ 且 點 $(a,b) \in D$,則我們說 $f(x,y)$ 在點 $ (a,b)$ 的 Limit  $L$ 記做 $f(x,y) \to L$ as $(x,y) \to (a,b)$ 或者
\[
\lim_{(x,y) \to (a,b)}f(x,y) =L
\]若下列條件成立:
對任意 $\varepsilon >0$ 存在 $\delta >0$ 使得 對任意 $(x,y) \in D$,
\[
\sqrt{(x-a)^2+(y-b)^2} < \delta \Rightarrow |f(x,y) - L| < \varepsilon
\]============

Comments:
事實上上述定義可直接推廣到 $n$ 變數的情況,但為免以下分析過於複雜我們在此僅討論雙變數的情況。以下我們看個例子。


Example
試證 $\displaystyle \lim_{ (x,y) \to (0,0)} \frac{3 x^2y}{x^2 + y^2}$ 存在 且 其極限值為 $0$。

Proof:
要證明   $\displaystyle \lim_{ (x,y) \to (0,0)} \frac{3 x^2y}{x^2 + y^2}$ 存在,由定義出發:給定  $\varepsilon >0$,要證明 存在 $\delta >0$ 使得 對任意 $(x,y) \in \mathbb{R}^2$,
\[
\sqrt{(x-0)^2+(y-0)^2} < \delta \Rightarrow |f(x,y) - 0| < \varepsilon
\]
首先觀察
\[|f(x,y) - 0| = |\frac{{3{x^2}y}}{{{x^2} + {y^2}}}| = \frac{{3{x^2}\left| y \right|}}{{{x^2} + {y^2}}} \le 3\left| y \right| = 3\sqrt {{y^2}}  \le 3\sqrt {{y^2} + {x^2}}
\]故若我們取 $\delta := \varepsilon/3 >0$ 則對任意 $(x,y) \in \mathbb{R}$,我們可得
\[\sqrt {{{(x - 0)}^2} + {{(y - 0)}^2}}  < \delta  \Rightarrow |f(x,y) - 0| \le 3\underbrace {\sqrt {{y^2} + {x^2}} }_{ < \delta  = \varepsilon /3} < 3\left( {\frac{\varepsilon }{3}} \right) < \varepsilon \]故 $\displaystyle \lim_{ (x,y) \to (0,0)} \frac{3 x^2y}{x^2 + y^2} =0$ $\square$


Comment:
在單變數函數的情況中,我們知道極限存在 等價 左右極限相等 (從左方逼近 = 右方逼近),但是如果情況推廣到雙變數,則情況將不再這麼單純,所謂的極限存在必須對 "任意" 的逼近方向其極限都必須相等。


============
FACT:
若 $f(x,y) \to L_1 \text{ as } (x,y) \to (a,b)$ 沿著某路徑 $C_1$ 逼近 且 $f(x,y) \to L_2 \text{ as } (x,y) \to (a,b)$  沿著某路徑 $C_2$ 逼近 且 $L_1 \neq L_2$ 則 $\lim_{(x,y) \to (a,b)}f(x,y) =L$ 不存在。
============


Example:
考慮 $\displaystyle \lim_{(x,y) \to (0,0)} \frac{x^2-y^2}{x^2 + y^2}$ ,試問其極限是否存在?

Solution
令 \[
f(x,y):=\frac{x^2-y^2}{x^2 + y^2}
\]首先考慮沿著 $x$ 軸 逼近 $(0,0)$ 的情況:
由於我們沿著 $x$ 軸,故此時 $y=0$ 我們可先計算
\[f(x,0): = \frac{{{x^2}}}{{{x^2}}} = 1,\;\; \forall x \neq 0 \]故我們可知
\[
f(x,y) \to 1 \; \text{ as }\;(x,y) \to (0,0) \;\; \text{ along x-axis}
\]
接著我們考慮沿著 $y$ 軸 逼近 $(0,0)$ 的情況
同理,由於我們沿著 $y$ 軸,故此時 $x=0$ 我們可先計算
\[f(0,y): = \frac{{ - {y^2}}}{{{y^2}}} =  - 1,\;\; \forall y \neq 0\]故我們可知
\[
f(x,y) \to -1\; \text{ as }\; (x,y) \to (0,0)\;\; \text{ along y-axis}
\]注意到此時沿著路徑 $y$ 軸的極限 不等於 沿著 $x$ 軸的極限,故我們說 $\lim_{(x,y) \to (a,b)} \frac{x^2-y^2}{x^2 + y^2}$  不存在 (by FACT)。$\square$


Comment: 注意到,上述例子也許會給出一個錯誤的印象:認為只要檢驗兩軸即可。但若讀者回憶我們前面討論的內容即可發現,對於雙變數函數的情況,極限存在的條件是對 "任意"方向逼近都必須要正確 (任意方向泛指除了單軸逼近,任意直線逼近,任意線段逼近都要正確!!);現在我們看個例子


Example 2
考慮 $f(x,y) = \frac{xy}{x^2 + y^2}$ 試問極限 $\displaystyle \lim_{(x,y) \to (0,0)} f(x,y)$ 是否存在?

Solution
考慮 $y:=mx$ 且 $m$ 為任意斜率;則此為過 $(0,0)$ 的任意斜直線,我們可用此方程幫助我們檢驗沿著任意直線方向逼近 $(0,0)$ 的極限是否相等 (NOTE: 除了沿著 $y$ 軸逼近 $(0,0)$ 之外 (why? 因為垂直線段斜率沒有定義!) )  :

且看
\[f(x,mx) = \frac{{xy}}{{{x^2} + {y^2}}} = \frac{{x\left( {mx} \right)}}{{{x^2} + {{\left( {mx} \right)}^2}}} = \frac{{m{x^2}}}{{{x^2} + {m^2}{x^2}}} = \frac{m}{{1 + {m^2}}},\forall x \ne 0\]亦即
\[\mathop {\lim }\limits_{(x,y) \to (0,0)} f(x,y) = \frac{m}{{1 + {m^2}}}
\]上式顯示了若改變 $m$ 值 (由不同斜線逼近 $(0,0)$),則 $f(x,y)$ 會得到不同的極限,故 $\displaystyle \lim_{(x,y) \to (0,0)} f(x,y)$ 不存在 (by FACT)。$\square$

EXERCISE: 讀者可嘗試重做上述題目但此次改成用 $x = my$ 檢驗。


Comment: Again! 上述例子也許會給出一個錯誤的印象:認為只要檢驗任意直線方向逼近即可。但若讀者回憶我們前面討論的內容即可發現,對於雙變數函數的情況,極限存在的條件是對 "任意"方向逼近都必須要正確 (任意方向泛指任意 "線段" (不只有直線) 逼近都要正確!!);現在我們看個例子


Example 3
考慮 $f(x,y)=\frac{xy^2}{x^2 + y ^4}$ 試問其在 $(0,0)$ 處極限是否存在

Solution:
直接考慮 $y=mx$ (檢驗沿著任意方向斜直線逼近 $(0,0)$)
\[f(x,mx) = \frac{{x{{\left( {mx} \right)}^2}}}{{{x^2} + {{\left( {mx} \right)}^4}}} = \frac{{x{m^2}{x^2}}}{{{x^2} + {m^4}{x^4}}} = \frac{{x{m^2}}}{{1 + {m^4}{x^2}}},\forall x \ne 0\]故
\[f(x,mx) = \frac{{x{m^2}}}{{1 + {m^4}{x^2}}} \to 0 \text{ as } \; (x,y) \to (0,0)\]儘管我們得到了一致的極限,這並不代表極限存在,我們必須再度檢驗其他情況:

現在試著用 $y:=x^2$ (檢驗沿著二次曲線逼近 $(0,0)$):
\[f(x,{x^2}) = \frac{{x{{\left( {{x^2}} \right)}^2}}}{{{x^2} + {{\left( {{x^2}} \right)}^4}}} = \frac{{x{x^2}}}{{1 + {x^2}{x^2}{x^2}}} \to 0 \; \text{ as } \; (x,y) \to (0,0)
\]與 $x:=y^2$,但此時
\[f({y^2},y) = \frac{{{y^2}{y^2}}}{{{{\left( {{y^2}} \right)}^2} + {y^4}}} = \frac{1}{2}\]若取極限沿著 $x=y^2$ 亦為 $1/2 \neq 0$ 故  $f(x,y)=\frac{xy^2}{x^2 + y ^4}$ 在 $(0,0)$ 處極限不存在!! (by FACT) $\square$



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