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是否存在在R上嚴格遞增且處處不連續的函式?

2021-11-16知識

今將證明

\color{blue}{\text{Theorem}} 單調函式的間斷點至多可列。

設 f(x) 在 (a,b) 上單調遞增,如果它僅有有限多個間斷點,結論是平凡的,我們只需研究這間斷點無限多的場合。

首先,我們熟知所有這些間斷都是 第一類間斷 ,也即是說 f(x) 在每個間斷點處的左、右極限均存在,只不過它們並不都等於該點的函式值。

假如 c 就是這樣的一個間斷點,於是有 f(c-)< f(c+). 為了敘述方便,我們把形如 (f(c-),f(c+)) 的開區間稱為 f(x) 在 x=c 處的 躍區 ,簡記為 L(c).

顯然地, f(x) 在每個間斷點處都存在一個躍區,並且可以證明這些躍區必不相交,也即是說

\color{blue}{\text{Prop.}} 對於間斷點 c'>c, 必有 L(c)\cap L(c')=\varnothing.

這證明是容易的。考慮在 c,c' 之間插入 d,d' 使得 c<d<d'<c'. 於是有 f(d)\le f(d'), 現在固定 d' 並讓 d\to c^+, 則有 f(c+)\le f(d'); 同理,固定 d 並讓 d'\to c'^-, 可得 f(d)\le f(c'-). 於是 f(c-)< f(c+)\le f(c'-)<f(c'+). 這就證得了 \text{Prop. }

如此,就可以得到與這無限多個間斷點形成對射的躍區,且任何兩個躍區都不相交。我們在每個躍區中總能求得一個有理數從而做成某個有理數集。由於躍區不交,這些有理數必不同,於是這做成的有理數集與躍區的全體形成了對射。有理數集可列,從而這躍區也可列, \text{Theorem} 由此得證。為了讀者理解上的方便,將上述論證過程的脈絡總結如下

全體間斷點與全體躍區形成對射,全體躍區又與某有理數集形成對射,於是全體間斷點與這有理數集形成對射。由於任何的有理數集可列,於是全體間斷點也可列。

現在,可以回答當前問題如下

因為單調函式的間斷點至多可列,換言之,單調函式幾乎處處連續,於是不存在處處不連續的單調函式。

最後岔開多說幾句。 依這裏證得的\text{Theorem}, 單調函式的間斷點構成一個零測集,於是再依 \text{Lebesgue} 定理,即可直接斷定

定義在閉區間上的單調函式可積。