当前位置: 华文星空 > 知识

是否存在在R上严格递增且处处不连续的函数?

2021-11-16知识

今将证明

\color{blue}{\text{Theorem}} 单调函数的间断点至多可列。

设 f(x) 在 (a,b) 上单调递增,如果它仅有有限多个间断点,结论是平凡的,我们只需研究这间断点无限多的场合。

首先,我们熟知所有这些间断都是 第一类间断 ,也即是说 f(x) 在每个间断点处的左、右极限均存在,只不过它们并不都等于该点的函数值。

假如 c 就是这样的一个间断点,于是有 f(c-)< f(c+). 为了叙述方便,我们把形如 (f(c-),f(c+)) 的开区间称为 f(x) 在 x=c 处的 跃区 ,简记为 L(c).

显然地, f(x) 在每个间断点处都存在一个跃区,并且可以证明这些跃区必不相交,也即是说

\color{blue}{\text{Prop.}} 对于间断点 c'>c, 必有 L(c)\cap L(c')=\varnothing.

这证明是容易的。考虑在 c,c' 之间插入 d,d' 使得 c<d<d'<c'. 于是有 f(d)\le f(d'), 现在固定 d' 并让 d\to c^+, 则有 f(c+)\le f(d'); 同理,固定 d 并让 d'\to c'^-, 可得 f(d)\le f(c'-). 于是 f(c-)< f(c+)\le f(c'-)<f(c'+). 这就证得了 \text{Prop. }

如此,就可以得到与这无限多个间断点形成双射的跃区,且任何两个跃区都不相交。我们在每个跃区中总能求得一个有理数从而做成某个有理数集。由于跃区不交,这些有理数必不同,于是这做成的有理数集与跃区的全体形成了双射。有理数集可列,从而这跃区也可列, \text{Theorem} 由此得证。为了读者理解上的方便,将上述论证过程的脉络总结如下

全体间断点与全体跃区形成双射,全体跃区又与某有理数集形成双射,于是全体间断点与这有理数集形成双射。由于任何的有理数集可列,于是全体间断点也可列。

现在,可以回答当前问题如下

因为单调函数的间断点至多可列,换言之,单调函数几乎处处连续,于是不存在处处不连续的单调函数。

最后岔开多说几句。 依这里证得的\text{Theorem}, 单调函数的间断点构成一个零测集,于是再依 \text{Lebesgue} 定理,即可直接断定

定义在闭区间上的单调函数可积。