diff --git a/src/第10章 函数的微分.md b/src/第10章 函数的微分.md index 98c89e7..deac46f 100644 --- a/src/第10章 函数的微分.md +++ b/src/第10章 函数的微分.md @@ -116,11 +116,17 @@ **证明**:设 $k:=\frac{f(b)-f(a)}{b-a}$ 和由 $g(x):=f(x)-kx$ 定义函数 $g:[a,b]\to \mathbb R$。那么 $g$ 也是连续函数,且 $g|_{(a,b)}$ 也可微,且 $g(a)=g(b)$。根据罗尔定理,存在 $x\in(a,b)$ 使得 $g'(x)=0$,那么 $f'(x)=g'(x)+k=k$。证毕。 -- **命题 10.2.5**:设实数 $a,b$ 且 $aM(y-x)$。根据拉格朗日中值定理,存在 $z\in(x,y)$ 使得 $f'(z)=\frac{f(y)-f(x)}{y-x}$,那么 $|f'(z)|>M$,矛盾。 -- **推论 10.2.6**:设实数 $a,b$ 且 $a0$ 是任意正实数,那么存在逐段常值函数 $\underline f$ 使得 $\underline f\leq f$ 且 $\int_If-\varepsilon\leq \int_I\underline f\leq \int_I f$,同理存在 $\overline f,\underline g,\overline g$。我们知道 $\max(\underline f,\underline g)$ 仍是逐段常值函数且 $\max(\underline f,\underline g)\leq \max(f,g)$,从而 $\int_I\max(\underline f,\underline g)\leq \underline\int_I\max(f,g)$,对于 $\max(\overline f,\overline g)$ 同理。那么: + $$ + \begin{aligned} + \overline\int_I\max(f,g)-\underline\int_I\max(f,g)&\leq \int_I\max(\overline f,\overline g)-\int_I\max(\underline f,\underline g)\\ + &=\int_I\max(\overline f,\overline g)-\max(\underline f,\underline g)\\ + &\leq \int_I(\overline f-\underline f)+(\overline g-\underline g)\\ + &=\int_I\overline f-\int_I\underline f+\int_I\overline g-\int_I\underline g\\ + &\leq 4\varepsilon + \end{aligned} + $$ + 然后易证 $\underline\int_I \max(f,g)=\overline\int_I\max(f,g)$。 + +- **推论 11.4.3**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是有界区间 $I$ 上的黎曼可积函数,那么正部 $f_+:=\max(f,0)$ 和负部 $f_-:=\min(f,0)$ 是黎曼可积的,绝对值 $|f|:=f_+-f_-$ 也是黎曼可积的。 + +- **定理 11.4.4**:设 $f:I\to\mathbb R$ 和 $g:I\to\mathbb R$ 都是有界区间 $I$ 上的黎曼可积函数。那么 $fg$ 是黎曼可积的。 + + **证明**:先考虑 $f,g\geq 0$ 的情况。由于 $f,g$ 黎曼可积,那么 $f,g$ 有界,不妨设界为 $M$。 + + 设 $\varepsilon>0$ 是任意正实数。存在逐段常值函数 $\underline f$ 使得 $0\leq \underline f\leq f$ 且 $\int_If-\varepsilon\leq \int_I\underline f\leq \int_I f$(先在无 $0\leq \underline f'$ 要求的情况下取出 $\underline f'$,再取 $\underline f:=\max(0,\underline f')$),同理存在 $\overline f,\underline g,\overline g$。那么 $\underline f\underline g$ 仍是逐段常值函数且 $\underline f\underline g\leq fg$,从而 $\int_I\underline f\underline g\leq \underline\int_I fg$,对于 $\overline f\overline g$ 同理。那么: + $$ + \begin{aligned} + \overline\int_Ifg-\underline\int_Ifg&\leq \int_I\overline f\overline g-\int_I\underline f\underline g\\ + &=\int_I\overline f(\overline g-\underline g)+\int_I\underline g(\overline f-\underline f)\\ + &\leq \int_IM(\overline g-\underline g)+\int_IM(\overline f-\underline f)\\ + &=M\int_I(\overline g-\underline g)+M\int_I(\overline f-\underline f)\\ + &\leq 4M\varepsilon + \end{aligned} + $$ + 然后易证 $\underline\int_Ifg=\overline\int_I fg$。 + + 对于更一般的情况,将 $fg$ 拆成 $(f_+-f_-)(g_+-g_-)=f_+g_+-f_-g_+-f_+g_-+f_-g_-$,根据推论 11.4.3 可知 $f_+,f_-,g_+,g_-$ 都是黎曼可积的,然后就是 $f,g\geq0$ 的情况了。 + +- **引理 11.4.5**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是有界区间 $I$ 上的黎曼可积函数,$P$ 是 $I$ 的分法,那么 $\int_If=\sum_{J\in P}\int_J f$。 + + **证明**:结合定理 11.4.1.7,对 $\operatorname{card}P$ 归纳。 + +#### 11.5 连续函数的黎曼可积性 + +- **定理 11.5.1**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是有界区间 $I$ 上的一致连续函数,那么 $f$ 是黎曼可积的。 + + **证明**:只考虑实数 $a,b$ 满足 $a0$ 是任意正实数,那么存在 $\delta>0$ 使得对于任意 $x,y\in [a,b)$ 且 $|x-y|<\delta$ 有 $|f(x)-f(y)|<\varepsilon$。 + + 存在正整数 $N>0$,使得 $N\geq \frac{b-a}{\delta}$,那么容易得到 $[a,b)$ 的一个大小为 $N$ 的划分 $P$,其中每个区间的长度都等于 $\frac{b-a}{N}\leq \delta$。那么: + $$ + \begin{aligned} + \overline\int_If-\underline\int_If&\leq U(f,P)-L(f,P)\\ + &=\sum_{J\in P}\left(\sup_{x\in J}f(x)-\inf_{x\in J}f(x)\right)\frac{b-a}{N}\\ + &\leq \sum_{J\in P}\varepsilon \frac{b-a}{N}\\ + &=\varepsilon(b-a) + \end{aligned} + $$ + 然后易证 $\underline\int_If=\overline\int_I f$。 + +- **引理 11.5.2**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是有界闭区间 $I$ 上的连续函数,那么 $f$ 是黎曼可积的。 + + **证明**:结合定理 9.9.6 和定理 11.5.1 可得。 + +- **命题 11.5.3**:设 $f:I\to\mathbb R$ 是有界区间 $I$ 上的有界连续函数,那么 $f$ 是黎曼可积的。 + + **证明**:只考虑实数 $a,b$ 满足 $a0$ 是任意正实数,那么存在正整数 $N>0$ 使得 $\frac{f(b)-f(a)}{\varepsilon'}1$ 时绝对收敛,当 $p\leq 1$ 时发散。 + + **证明**:不太懂,感觉需要用积分和导数的关系。 + +#### 11.7 一个非黎曼可积的函数 + +- **命题 11.7.1**:由 $f(x):=\begin{cases}1&x\in\mathbb Q\\0&x\not\in\mathbb Q\end{cases}$ 定义函数 $f:[0,1]\to\mathbb R$。那么 $f$ 有界但不黎曼可积。 + + **证明**:设 $P$ 是 $[0,1]$ 的划分,那么对于任意 $J\in P$ 且 $J\neq \varnothing$ 有 $\sup\limits_{x\in J}f(x)=1$,从而 $U(f,P)=1$,那么$\overline\int_{[0,1]}f=\inf\{U(f,P):P\text{ 是 }I\text{ 的划分}\}=1$。同理 $\underline\int_{[0,1]}f=0$,从而 $f$ 不是黎曼可积的。 + +//无法用逐段常值函数拟合,从而不能用黎曼积分算积分(面积) + +#### 11.8 黎曼-斯蒂尔杰斯积分 + +- **定义 11.8.1($\alpha$ 长度)**:设 $X\subseteq \mathbb R$,函数 $\alpha:X\to\mathbb R$,有界区间 $I$ 满足 $\overleftrightarrow I\subseteq X$。若存在 $a,b\in\mathbb R$ 且 $a0$ 是任意正实数,$x,y\in [a,b]$ 且 $0\leq y-x<\delta$,那么 $\left|\int_{[a,y]}f-\int_{[a,x]}f\right|=\left|\int_{(x,y]}f\right|0$ 是任意正实数,那么存在 $\delta>0$ 使得对于任意 $x\in [a,b]$ 且 $00$ 使得对于任意 $\delta>0$ 都存在 $x\in [a,b]$ 使得 $|f(x)-f(x_0)|>\varepsilon$,又由于 $f$ 是单调不降的,那么对于任意 $x\in (x_0,b]$ 都有 $f(x)>f(x_0)+\varepsilon$ 或对于任意 $x\in [a,x_0)$ 都有 $f(x)\varepsilon$。从而 $F$ 在 $x_0$ 处不可微,矛盾。 + +#### 11.10 基本定理的推论 + +- **命题 11.10.1(分部积分公式)**: \ No newline at end of file diff --git a/src/第9章 R上的连续函数.md b/src/第9章 R上的连续函数.md index 9aa4d78..1de7257 100644 --- a/src/第9章 R上的连续函数.md +++ b/src/第9章 R上的连续函数.md @@ -275,11 +275,11 @@ - **定义 9.8.1(单调函数)**:设 $X\subseteq \mathbb R$,$f:X\to \mathbb R$ 是函数。 - 称 $f$ 是单调增的,当且仅当对于任意 $x,y\in X$ 满足 $xf(y)$。 @@ -309,7 +309,7 @@ 作为对比,该命题并不成立:设实数 $a,b$ 满足 $ap$(那么 $\frac{2^k}p<10$),然后将它们的 $f$ 值做一位的轮换,即令 $f(\frac 1p):=\frac 2p,f(\frac 2p):=\frac 4p,\cdots,f(\frac{2^k}{p}):=\frac 1p$,由于 $p$ 都是质数所以这些轮换都是互不干扰的,且 $f$ 仍保持双射。现在 $f$ 在 $0$ 处仍然是连续的:对于指定的 $\varepsilon>0$ 取 $\delta=\frac{\varepsilon}2$ 即可,因为每个 $f$ 值至多变为原来的两倍。而 $f^{-1}$ 在 $f(0)=0$ 处不是连续的:因为存在 $\varepsilon=1$,使得对于任意 $\delta>0$,都存在 $y$ 使得 $|y|<\delta$ 且 $f^{-1}(y)>\varepsilon$——取 $y$ 为 $(0,\delta)$ 中的某个 $\frac 1p$ 即可。 -我们再举一个在每个有理数处间断而在每个无理数处连续的函数的例子。 +我们再举一个在每个有理数处间断而在每个无理数处连续的单调函数的例子。 首先,观察由 $f(x):=\lfloor x\rfloor$ 定义的函数 $f:\mathbb R\to\mathbb R$,该函数在每个整数处间断,而在每个非整数处连续。 @@ -355,13 +355,15 @@ $$ - **命题 9.9.3**:设 $X\subseteq \mathbb R$,$f:X\to \mathbb R$ 是一致连续函数。若 $(x_n)_{n=0}^{\infty}$ 是由 $X$ 的元素组成的柯西序列,那么 $(f(x_n))_{n=0}^{\infty}$ 也是柯西序列。 - **证明**:由定义可知。 + **证明**:设 $\varepsilon>0$ 是任意正实数,存在 $\delta>0$ 使得对于任意 $x,y\in X$ 且 $|x-y|<\delta$ 有 $|f(x)-f(y)|<\varepsilon$,存在 $N\geq 0$ 使得对于任意 $n,m\geq N$ 都有 $|x_n-x_m|<\delta$,从而 $|f(x_n)-f(x_m)|<\varepsilon$。 - **推论 9.9.4**:设 $X\subseteq \mathbb R$,$f:X\to \mathbb R$ 是一致连续函数。若 $x_0$ 是 $X$ 的附着点,那么存在极限 $\lim\limits_{x\to x_0;x\in X}f(x)$。 **证明**:结合命题 9.9.2 和命题 9.9.3 可知。 -- **命题 9.9.5**:设 $X\subseteq \mathbb R$,$f:X\to \mathbb R$ 是一致连续函数。若 $X$ 有界,则 $f(X)$ 也有界。 +注意 9.9.4 的逆命题并不成立,例如由 $f(x):=x^2$ 定义的函数 $f:\mathbb R\to\mathbb R$ 并不一致连续。 + +- **命题 9.9.5**:设有界集 $X\subseteq \mathbb R$,$f:X\to \mathbb R$ 是一致连续函数。那么 $f(X)$ 有界。 **证明**:反证。设 $f(X)$ 是无界的。 @@ -369,6 +371,8 @@ $$ 根据定理 6.6.6,存在一个子序列 $(x_{n_i})_{i=0}^{\infty}$ 是收敛序列,从而根据命题 9.9.3 可知 $(f(x_{n_i}))_{i=0}^{\infty}$ 也是收敛序列,但根据定义 $(f(x_{n_i}))_{i=0}^{\infty}$ 是发散的。矛盾。 +注意 9.9.5 的逆命题并不成立,例如由 $f(x):=\sin\frac 1x$ 定义的函数 $f:(0,1)\to\mathbb R$ 是有界集上的值域有界的连续函数,但它并不一致连续。 + - **定理 9.9.6**:设有界闭集 $X\subseteq \mathbb R$,连续函数 $f:X\to\mathbb R$。那么 $f$ 是一致连续函数。 **证明**:反证。若 $f$ 不是一致连续函数,那么存在 $\varepsilon>0$,使得对于任意 $\delta>0$,都存在 $x,x_0\in X$ 且 $|x-x_0|\leq\delta$,满足 $|f(x)-f(x_0)|>\varepsilon$。 @@ -381,6 +385,14 @@ $$ **证明**:设 $\varepsilon_1>0$ 是任意正实数。存在 $\varepsilon_2>0$ 使得对于任意 $y,y_0\in Y$ 且 $|y-y_0|\leq\varepsilon_2$,都有 $|g(y)-g(y_0)|\leq\varepsilon_1$。存在 $\varepsilon_3>0$ 使得对于任意 $x,x_0\in X$ 且 $|x-x_0|\leq\varepsilon_3$,都有 $|f(x)-f(x_0)|\leq\varepsilon_2$,从而 $|g(f(x))-g(f(x_0))|\leq\varepsilon_1$。证毕。 +我们之前说了 9.9.4 的逆命题并不成立,但对于有界集上的函数该命题是成立的。 + +- **引理 9.9.8**:设 $f:X\to\mathbb R$ 是有界集 $X$ 上的函数,那么 $f$ 是一致连续的,当且仅当 $f$ 在 $X$ 的任意附着点 $x_0$ 处存在极限。 + + **证明**:假设 $f$ 不一致连续,那么存在正实数 $\varepsilon>0$ 和 $X$ 上的序列 $(x_n)_{n=0}^{\infty}$ 和 $(y_n)_{n=0}^{\infty}$,满足对于任意 $n\geq 0$ 有 $|x_n-y_n|\leq \frac{1}{n}$ 且 $|f(x_n)-f(y_n)|\geq\varepsilon$。 + + 根据定理 6.6.6,存在一个子序列 $(x_{n_i})_{i=0}^{\infty}$ 收敛,设其收敛到 $x_0$,则 $(y_{n_i})_{i=0}^{\infty}$ 也收敛到 $x_0$。可以看出 $x_0$ 是 $X$ 的附着点,从而 $f$ 在 $x_0$ 处存在极限 $L$,根据命题 9.3.2,$(f(x_{n_i}))_{i=0}^{\infty}$ 和 $(f(y_{n_i}))_{i=0}^{\infty}$ 都应收敛到 $L$,矛盾。 + #### 9.10 在无限处的极限 - **定义 9.10.1(无限附着点)**:设 $X\subseteq \mathbb R$。称 $+\infty$ 是附着于 $X$ 的,当且仅当 $X$ 无上界。称 $-\infty$ 是附着于 $X$ 的,当且仅当 $X$ 无下界。