实变函数论课件24讲.ppt

第24讲 单调函数的可导性 目的：熟悉左、右导数的概念，理解为什么单调函数几乎处处有有限导数。重点与难点：单调函数的可导性及其证明。基本内容：一导数定义问题问题1 1：回忆微积分中导数的定义，：回忆微积分中导数的定义，如何判断导数是否存在？如何判断导数是否存在？第24讲 单调函数的可导性 从数学分析知道，上的函数在 处的可导性等价于这也是我们讨论函数可导性的一个常用的方法。因此，我们也给上面的左、右极限一个名称，这就是第24讲 单调函数的可导性(1)左下、左上、右下、右上导数(2)定义3 设 是 上的有限(3)函数，记第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性 分别称 为 f 在 点右上、右下、左上、左下导数右上、右下、左上、左下导数。当 f 在 点有有限导数时，也称 f 在 点可微可微。第24讲 单调函数的可导性 显然，f 在 点有导数当且仅当第24讲 单调函数的可导性(2)导数的存在性与可导性上述定义与数学分析中导数定义有一点差别。事实上，在数学分析中，讲导数通常都是指可导，也就是说，其导数是一个有限数，此处则不同，导数值可以取，因此，当 时，我们称 f 在该点有导数，而不说在该点是可导的，就是由于这个缘故。第24讲 单调函数的可导性(3)导数值为的例子从这个例子不难看到，函数在一点有导数并不意味着它在该点连续，上述函数在 点就是间断的。例 设则 。定义4 设 f 是 上的连续函数，若存在 使得 ，则称 x 是 f 的右受控点右受控点，简称为右控点右控点。若 存在，使 ，则称 x 是 f 的左受控点左受控点，简称为左控点左控点。二单调函数的可导性(1)左、右控点的定义第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性(2)左、右控点集的性质问题问题2：为什么要引入左、右控点概念：为什么要引入左、右控点概念？其实质是什么？其实质是什么？第24讲 单调函数的可导性 引理引理2(F.Riesz)设设 f 是是 a,b 上的连续上的连续函数，则函数，则 f 的右的右 (或左或左 )控点集控点集 E 是是一开集，而且，若一开集，而且，若 是是 E 的构的构成区间全体，则有成区间全体，则有 或或 ()。证明：设 E 是 f 的右控点集，于是存在 ，使得 。取 ，使 ，由 f 的连续性知存在 ，当 时，有 ，故当 时，。这就是说，中点都是 f 的右控点，从而 是 E 的内点，即 E 是开集。第24讲 单调函数的可导性 设 是 E 的构成区间，往证对任意 ，有 。若不然，则有 ，使 ，由于 是右控点，故存在 ，使 。记 ，则显然有 ，所以 必不等于 。第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性 我们断言，必有 ，否则由便知 也是右受控点，这与 矛盾。然而，又不可能有 ，因为这样的话，由 知 ，于是又存在 ，使 。从而 ，这与 的定义矛盾。因此对任意 ，必有 ，由的连续性知 。对于左控点集可类似证明，证毕。不连续时，只要其不连续点都是第一类的，也可以定义右、左控点。第24讲 单调函数的可导性 定义5 设 f 是 上的函数，且只有第一类不连续点。对 ，若有 ，使得 ，则称 x 是 f 的右受控点右受控点，简称为右控点右控点。类似地，若有 ，使 ，则称 x 是 f 的左受控点左受控点，简称为左控点左控点。第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性 引理引理3(F.Riesz)设设 f 是是 上只有第上只有第一类不连续点的函数，则一类不连续点的函数，则 f 的右控点的右控点(左控点左控点 )全体全体 E 是开集，若是开集，若 是是 E 的构成区间，则的构成区间，则 。第24讲 单调函数的可导性 证明：只对右控点集证之，左控点情形可类似证得。设 ，则存在 ，使得 。由左、右极限定义知对任意 ，存在 ，使得当 时，有 ，当 时，有 。从而当 时，由于 ，故可选 ，使 ，这说明中的所有点也是右控点，所以 E 是开集。第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性 设 是 E 的构成区间，往证对任意 ，有 。事实上，若不然，则存在 使 。注意到 是 f 的右控点，故存在 ，使得 。第24讲 单调函数的可导性 记显然这说明 。第24讲 单调函数的可导性 因为从而第24讲 单调函数的可导性 我们证明不可能有 。事实上，若 ，则由于 是之上确界，故对任意 ，存在 ，使 。第24讲 单调函数的可导性 从而由 ，立知 。所以 也是 f 的右控点，这与假设 是 E 的构成区间矛盾。另一方面，我们也可证明不能有 。若不然，由 得 ，于是存在 ，使 ，进而 。第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性 这与 的定义矛盾，综上得 ，但这又与 的假设矛盾，故对任意 ，有 ，证毕。第24讲 单调函数的可导性(3)单调函数几乎处处有有限导数 的证明定理定理4 设设 f 是是 a,b 上的单调有上的单调有限函数，则限函数，则 f 在在 a,b 上几乎处处上几乎处处有有限导数。有有限导数。第24讲 单调函数的可导性 证明：不妨设 f 是单调增加的(递减情形可考虑 )。由于 f 的不连续点全体 E 是可数集，故可去掉这些点，记 。我们首先证明 (1)为此，对任意正整数 n，记则存在 ，使第24讲 单调函数的可导性 令 ，则 仅有第一类不连续点，且当 时，第24讲 单调函数的可导性 于是(*)式等价于 。因是 的连续点，故 ，由此立知 是 的右控点，故 包含在 的右控点集 中，因 ，是 的构成区间，由引理3及 f 的单调性知 。第24讲 单调函数的可导性 当 时，上式中 的换成 ，由此得第24讲 单调函数的可导性 由知即下证对任意 ，记则 ，故仅需证明对每个 ，有 。若 ，则存在 ，使得第24讲 单调函数的可导性 令 ，上式意味着 ，于是 x 是左控点。由Riesz引理3，包含于 的左控点集 中，并且 ，由于 f 单调增加，所以 ，从而 。第24讲 单调函数的可导性 现设 ，因 ，由前段的证明可知 包含于 的某个开子集 中(将 f 限制在 上，应用前面的证明)，并且(注意当 时，应改成为 )。第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性 从而 包含在开集 中，且 进一步，第24讲 单调函数的可导性 用 代替 ，重复上面的过程可知 包含在某个开集第24讲 单调函数的可导性 中，且 。进而用归纳法不难证明，对任意自然数 n，有用于 ，故 ，进而 ，所以 。第24讲 单调函数的可导性 再证 。(3)记 ，则 是 上的单调增加函数，且连续点集为 。作变换 ，则由第24讲 单调函数的可导性 第24讲 单调函数的可导性 得所以由(2)知第24讲 单调函数的可导性 进而所以证毕。