Приведите пример функции, непрерывной в каждой точке рационального числа, но не непрерывной в каких-либо иррациональных точках, объясните, возможно ли это и почему
Невозможно. Причина (кратко). Множество точек непрерывности произвольной вещественной функции является Gδ_\deltaδ-множеством (пересечение счётного числа открытых множеств). Доказательство: вводим осцилляцию функции в точке ωf(x)=limδ→0sup{∣f(y)−f(z)∣: ∣y−x∣<δ, ∣z−x∣<δ}.
\omega_f(x)=\lim_{\delta\to0}\sup\{|f(y)-f(z)|:\ |y-x|<\delta,\ |z-x|<\delta\}. ωf(x)=δ→0limsup{∣f(y)−f(z)∣:∣y−x∣<δ,∣z−x∣<δ}.
Тогда fff непрерывна в xxx тогда и только тогда, когда ωf(x)=0\omega_f(x)=0ωf(x)=0. Для каждого n∈Nn\in\mathbb{N}n∈N множество Gn={x: ωf(x)<1/n}
G_n=\{x:\ \omega_f(x)<1/n\} Gn={x:ωf(x)<1/n}
открыто, и множество точек непрерывности равно ⋂n=1∞Gn\bigcap_{n=1}^\infty G_n⋂n=1∞Gn, т.е. Gδ_\deltaδ. Однако множество рациональных чисел Q\mathbb{Q}Q не является Gδ_\deltaδ в R\mathbb{R}R (это следует, например, из теоремы о категориях Бэра: непустое Gδ_\deltaδ в полном метрическом пространстве содержит непустое открытое множество или даже несчётное совершенное подмножество, поэтому не может быть счётным). Следовательно не существует функции, непрерывной ровно во всех рациональных точках и нигде на иррационалах.
Причина (кратко). Множество точек непрерывности произвольной вещественной функции является Gδ_\deltaδ -множеством (пересечение счётного числа открытых множеств). Доказательство: вводим осцилляцию функции в точке
ωf(x)=limδ→0sup{∣f(y)−f(z)∣: ∣y−x∣<δ, ∣z−x∣<δ}. \omega_f(x)=\lim_{\delta\to0}\sup\{|f(y)-f(z)|:\ |y-x|<\delta,\ |z-x|<\delta\}.
ωf (x)=δ→0lim sup{∣f(y)−f(z)∣: ∣y−x∣<δ, ∣z−x∣<δ}. Тогда fff непрерывна в xxx тогда и только тогда, когда ωf(x)=0\omega_f(x)=0ωf (x)=0. Для каждого n∈Nn\in\mathbb{N}n∈N множество
Gn={x: ωf(x)<1/n} G_n=\{x:\ \omega_f(x)<1/n\}
Gn ={x: ωf (x)<1/n} открыто, и множество точек непрерывности равно ⋂n=1∞Gn\bigcap_{n=1}^\infty G_n⋂n=1∞ Gn , т.е. Gδ_\deltaδ .
Однако множество рациональных чисел Q\mathbb{Q}Q не является Gδ_\deltaδ в R\mathbb{R}R (это следует, например, из теоремы о категориях Бэра: непустое Gδ_\deltaδ в полном метрическом пространстве содержит непустое открытое множество или даже несчётное совершенное подмножество, поэтому не может быть счётным). Следовательно не существует функции, непрерывной ровно во всех рациональных точках и нигде на иррационалах.