单调函数与有界变差函数

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有界变差函数有界变差函数

i =1
称 V ( , f ) 为 f 关于分划 D 的变差。 D
若存在常数 M，使对一切分划 D ，都有
V ( , f ) £ M ，则称 f (x 为 [ , b 上的有 D ) a ]
界变差函数。令
V ( f ) = sup V ( , f ) D ，
D b a
。
将 D , D 2 合并起来得 [ , b 的一个分划 a ] 1
D1 : a = x < x <L x = y < y <L< y = b < n 0 1 0 1 m ，于是由 D f ) £ V b ( f ) 及 V ( , a V ( , f ) = V ( 1 , f ) + V ( 2 , f ) D D D c b b e 得 V ( f ) + V ( f ) - 2 £ V ( f ) ， a c a 由 e 的任意性立得 c b b V ( f ) + V ( f ) £ V ( f ) 。 a c a
e > 0
D1 : a = x < 1 ，可以找到分划 x < L < x = c 0 n 及分划 D2 : c = y < y < L < y = b ，使得 0 1 m
b V ( 1 , f ) ³ V c ( f ) - e ，V D , f ) ³V ( f ) -e D ( 2 a c
n
V ( , f ) = å f ( x ) - f ( x -1 ) | D | i i
i 1 = i 0
£ å f ( x ) - f ( x -1 ) | + | f ( ) - f ( i 0 ) | | i c x i

实变函数的题目库集问题解释

实变函数试题库及参考答案本科一、题1．设,A B 为集合，则()\A B B =A B （用描述集合间关系的符号填写）2．设A 是B 的子集，则A ≤B （用描述集合间关系的符号填写） 3．如果E 中聚点都属于E ，则称E 是闭集 4．有限个开集的交是开集 5．设1E 、2E 是可测集，则()12m E E ≤12mE mE +（用描述集合间关系的符号填写）6．设nE ⊂是可数集，则*m E =07．设()f x 是定义在可测集E 上的实函数，如果1a ∀∈，()E x f x a ⎡⎤≥⎣⎦是可测集，则称()f x 在E 上可测8．可测函数列的上极限也是可测函数9．设()()n f x f x ⇒，()()n g x g x ⇒，则()()n n f x g x +⇒()()f x g x + 10．设()f x 在E 上L 可积，则()f x 在E 上可积 11．设,A B 为集合，则()\B A A ⊃A （用描述集合间关系的符号填写）12．设{}211,2,A k k =-=，则A =a （其中a 表示自然数集N 的基数）13．设nE ⊂，如果E 中没有不属于E ，则称E 是闭集14．任意个开集的并是开集15．设1E 、2E 是可测集，且12E E ⊂，则1mE ≤2mE 16．设E 中只有孤立点，则*m E =017．设()f x 是定义在可测集E 上的实函数，如果1a ∀∈，()E x f x a ⎡⎤<⎣⎦是可测，则称()f x 在E 上可测18．可测函数列的下极限也是可测函数19．设()()n f x f x ⇒，()()n g x g x ⇒，则()()n n f x g x ⇒()()f x g x 20．设()n x ϕ是E 上的单调增收敛于()f x 的非负简单函数列，则()Ef x dx =⎰()lim nEn x dx ϕ→∞⎰21．设,A B 为集合，则()\A B B ⊃B22．设A 为有理数集，则A =a （其中a 表示自然数集N 的基数） 23．设nE ⊂，如果E 中的每个点都是内点，则称E 是开集24．有限个闭集的交是闭集25．设nE ⊂，则*m E ≥026．设E 是n中的区间，则*m E =E 的体积27．设()f x 是定义在可测集E 上的实函数，如果1a ∀∈，()E x f x a ⎡⎤≤⎣⎦是可测集，则称()f x 在E 上可测28．可测函数列的极限也是可测函数29．设()()n f x f x ⇒，()()n g x g x ⇒..a e ，则()n f x ⇒()g x30．设()n f x 是E 上的非负可测函数列，且单调增收敛于()f x ，由勒维定理，有()Ef x dx =⎰()lim n En f x dx →∞⎰31．设,A B 为集合，则()\B A B A =A B32．设A 为无理数集，则A =c （其中c 表示自然数集[]0,1的基数） 33．设nE ⊂，如果E 中没有不是内点的点，则称E 是开集34．任意个闭集的交是闭集 35．设nE ⊂，称E 是可测集，如果nT ∀⊂，()**m T m TE =+()*c m T E36．设E 是外测度为零的集合，且F E ⊂，则*m F =037．设()f x 是定义在可测集E 上的实函数，如果1a ∀∈，()E x a f xb ⎡⎤≤<⎣⎦是可测，（a b ≤）则称()f x 在E 上可测38．可测函数列的上确界也是可测函数39．设()()n f x f x ⇒，()()n g x g x ⇒..a e ，则()()n n f x g x ⇒()()f x g x40．设()()n f x f x ⇒，那么由黎斯定理，(){}n f x 有子列()k n f x ，使()()k n f x f x →..a e 于E 41.设,A B 为两个集合,则__c A B AB -.（等于）42.设nE R ⊂,如果E 满足E E '⊆(其中E '表示E 的导集),则E 是闭.43.若开区间(,)αβ为直线上开集G 的一个构成区间,则(,)αβ满(i)(a,b)G ⊆ (ii),a G b G ∉∉ 44.设A 为无限集.则A 的基数__A a (其中a 表示自然数集N 的基数) 答案：≥ 45.设12,E E 为可测集, 2mE <+∞,则1212(\)__m E E mE mE -. 答案：≥ 46.设()f x 是定义在可测集E 上的实函数,若对任意实数a ,都有[()]E x f x a >是可测集E 上的可测函数.47.设0x 是E (R ⊆)的内点,则*__0m E . 答案>48.设{}()n f x 为可测集E 上的可测函数列,且()(),n f x f x x E ⇒∈,则由____黎斯__定理可知得,存在{}()n f x 的子列{}()kn fx ,使得.()()()k a en f x f x x E →∈.49.设()f x 为可测集E (nR ⊆)上的可测函数,则()f x 在E 上的L 积分值不一定存在且|()|f x 在E 上不一定L 可积. 50.若()f x 是[,]a b 上的绝对连续函数,则()f x 是[,]a b 上的有界变差函数. 51．设,A B 为集合，则___(\)AB B A A 答案=52．设nE R ⊂，如果E 满足0E E =（其中0E 表示E 的内部），则E 是开集53．设G 为直线上的开集，若开区间(,)a b 满足(,)a b G ⊆且,a G b G ∉∉，则(,)a b 必为G 的构成区间 54．设{|2,}A x x n n ==为自然数，则A 的基数=a (其中a 表示自然数集N 的基数) 55．设,A B 为可测集，B A ⊆且mB <+∞，则__(\)mA mB m A B - 答案 =56．设()f x 是可测集E 上的可测函数，则对任意实数,()a b a b <，都有[()]E x a f x b <<是可测集 57．若()E R ⊆是可数集，则__0mE 答案=58．设{}()n f x 为可测集E 上的可测函数列，()f x 为E 上的可测函数，如果.()()()a en f x f x x E →∈，则()()n f x f x ⇒ x E ∈不一定成立 59．设()f x 为可测集()nE R ⊆上的非负可测函数，则()f x 在E 上的L 积分值一定存在60．若()f x 是[,]a b 上的有界变差函数，则()f x 必可表示成两个递增函数的差（或递减函数的差）多项选择题（每题至少有两个以上的正确答案） 1．设[]{}0,1E =中无理数，则（ ACD ）A E 是不可数集B E 是闭集C E 中没有内点D 1mE =2．设nE ⊂是无限集，则（ AB ）A E 可以和自身的某个真子集对等B E a ≥（a 为自然数集的基数）C E '≠∅D *0mE >3．设()f x 是E 上的可测函数，则（ABD ）A 函数()f x 在E 上可测B ()f x 在E 的可测子集上可测C ()f x 是有界的D ()f x 是简单函数的极限4．设()f x 是[],a b 上的有界函数，且黎曼可积，则（ABC ）A ()f x 在[],a b 上可测B ()f x 在[],a b 上L 可积C ()f x 在[],a b 上几乎处处连续D ()f x 在[],a b 上几乎处处等于某个连续函数5．设nE ⊂，如果E 至少有一个内点，则（ BD ）A *m E 可以等于0B *0m E >C E 可能是可数集DE 不可能是可数集6．设nE ⊂是无限集，则（ AB ）A E 含有可数子集B E 不一定有聚点C E 含有内点DE 是无界的7．设()f x 是E 上的可测函数，则（ BD ）A 函数()f x 在E 上可测B ()f x 是非负简单函数列的极限C ()f x 是有界的D ()f x 在E 的可测子集上可测8．设()f x 是[],a b 上的连续函数，则（ ABD ）A ()f x 在[],a b 上可测B ()f x 在[],a b 上L 可积，且()()()()[],ba ab R f x dx L f x dx =⎰⎰C ()f x 在[],a b 上L 可积，但()()()()[],baa b R f x dx L f x dx ≠⎰⎰D ()f x 在[],a b 上有界9．设()D x 是狄利克莱函数，即()[][]10,100,1x D x x ⎧⎪=⎨⎪⎩为中有理数为中无理数，则（ BCD ）A ()D x 几乎处处等于1B ()D x 几乎处处等于0C ()D x 是非负可测函数 D ()D x 是L 可积函数10．设nE ⊂，*0m E =，则（ ABD ）A E 是可测集B E 的任何子集是可测集C E 是可数集DE 不一定是可数集11．设nE ⊂，()10E cx Ex x Eχ∈⎧=⎨∈⎩，则（ AB ） A 当E 是可测集时，()E x χ是可测函数 B 当()E x χ是可测函数时，E 是可测集C 当E 是不可测集时，()E x χ可以是可测函数D 当()E x χ是不是可测函数时，E 不一定是可测集12．设()f x 是(),a b 上的连续函数，则（BD ）A ()f x 在(),a b 上有界B ()f x 在(),a b 上可测C ()f x 在(),a b 上L 可积D ()f x 在(),a b 上不一定L 可积13．设()f x 在可测集E 上L 可积，则（AC ）A ()f x +，()f x -都是E 上的非负可积函数B ()f x +和()f x -有一个在E 上的非负可积C ()f x 在E 上L 可积D ()f x 在E 上不一定L 可积14．设nE ⊂是可测集，则（ AD ）A c E 是可测集B mE <+∞C E 的子集是可测集DE 的可数子集是可测集15．设()()n f x f x ⇒，则（ CD ）A ()n f x 几乎处处收敛于()f xB ()n f x 一致收敛于()f xC ()n f x 有子列()n f x ，使()()n f x f x →..a e 于ED ()n f x 可能几乎处处收敛于()f x16．设()f x 是[],a b 上有界函数，且L 可积，则（BD ）A ()f x 在[],a b 上黎曼可积B ()f x 在[],a b 上可测C ()f x 在[],a b 上几乎处处连续D ()f x 在[],a b 上不一定连续17. 设{[0,1]}E =中的无理点,则(CD)（A ）E 是可数集（B ）E 是闭集（C ）E 中的每个点均是聚点（D ）0mE > 18. 若E (R ⊆)至少有一个内点，则（BD ）（A ）*m E 可以等于０（B ）*0m E = （C ）E 可能是可数集（D ）E 不可能是可数集 19．设[,]E a b ⊆是可测集，则E 的特征函数()E x χ是（ABC ）（A ）[,]a b 上的符号函数（C ）E 上的连续函数（B ）[,]a b 上的可测函数（D ）[,]a b 上的连续函数 20．设()f x 是[,]a b 上的单调函数，则（ACD ）（A ）()f x 是[,]a b 上的有界变差函数（B ）()f x 是[,]a b 上的绝对连续函数（C ）()f x 在[,]a b 上几乎处处收敛（D ）()f x 在[,]a b 上几乎处处可导 21．设{[0,1]}E =中的有理点，则（ AC ）（A ）E 是可数集（B ）E 是闭集（C ）0mE = （D ）E 中的每一点均为E 的内点 22．若()E R ⊆的外测度为0，则（ AB ）（A ）E 是可测集（B ）0mE =（C ）E 一定是可数集（D ）E 一定不是可数集23．设mE <+∞，{}()n f x 为E 上几乎处处有限的可测函数列，()f x 为E 上几乎处处有限的可测函数，如果()(),()n f x f x x E ⇒∈，则下列哪些结果不一定成立（ ABCD ）（A ）()Ef x dx ⎰存在（B ）()f x 在E 上L -可积（C ）.()()()a en f x f x x E →∈ （D ）lim ()()n EEn f x dx f x dx →∞=⎰⎰24．若可测集E 上的可测函数()f x 在E 上有L 积分值，则（ AD ）（A ）()()f x L E +∈与()()f x L E -∈至少有一个成立（B ）()()f x L E +∈且()()f x L E -∈ （C ）|()|f x 在E 上也有L -积分值（D ）|()|()f x L E ∈三、单项选择1．下列集合关系成立的是（ A ）A ()\B A A =∅ B ()\A B A =∅C ()\A B B A = D ()\B A A B =2．若nR E ⊂是开集，则（ B ）A E E '⊂B 0E E =C E E =DE E '=4．设(){}n f x 是E 上一列非负可测函数，则（ B ）A ()()lim lim n n E En n f x dx f x dx →∞→∞≤⎰⎰B ()()lim lim n n E En n f x dx f x dx →∞→∞≤⎰⎰C ()()lim lim n n E En n f x dx f x dx →∞→∞≤⎰⎰D ()()lim lim n n EE n n f x dx f x →∞→∞≤⎰⎰5．下列集合关系成立的是（ A ）A c c A A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫= ⎪⎝⎭B cc A A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫= ⎪⎝⎭C cc A A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫= ⎪⎝⎭ D ccA A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭6．若n R E ⊂是闭集，则（ C ）A E E '=B E E '⊂C E E '⊂D 0E E =7．设E 为无理数集，则（ C ）A E 为闭集B E 是不可测集C mE =+∞D 0mE =9．下列集合关系成立的是（B ）A c c A A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫= ⎪⎝⎭B cc A A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫= ⎪⎝⎭C ccA A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ D cc c A A αααα∈Λ∈Λ⎛⎫= ⎪⎝⎭ 10．设n R E ⊂，则( A )A E E ⊃B E E '⊂C E E '⊂DE E =11．设P 为康托集，则（ B ）A P 是可数集B 0mP =C P 是不可数集D P 是开集 13．下列集合关系成立的是（ A ）A 若AB ⊂则c c B A ⊂ B 若A B ⊂则c c A B ⊂C 若A B ⊂则AB B = D 若A B ⊂则A B B =14．设nR E ⊂，则（ A ）A ()E E = B 0E E ⊃ C E E '⊂ D E E '⊂15．设(){},001E x x =≤≤，则（ B ）A 1mE =B 0mE =C E 是2R 中闭集DE 是2R 中完备集16．设()f x ，()g x 是E 上的可测函数，则（ B ）A ()()E x f x g x ⎡⎤≥⎣⎦不一定是可测集B ()()E x f x g x ⎡⎤≠⎣⎦是可测集C ()()E x f x g x ⎡⎤≤⎣⎦是不可测集D ()()E x f x g x ⎡⎤=⎣⎦不一定是可测集１7．下列集合关系成立的是（A ）（A ）(\)A B B A B = （B ）(\)A B B A =（C ）(\)B A A A ⊆ （D ）\B A A ⊆18. 若()nE R ⊆是开集，则（ B ）（A ）E 的导集E ⊆ （B ）E 的开核E = （C ）E E = （D ）E 的导集E =19. 设P 的康托集，则(C)（A ）P 为可数集（B ）P 为开集（C ）0mP = （D ）1mP =20、设E 是1R 中的可测集，()x ϕ是E 上的简单函数，则（ D ）（A ）()x ϕ是E 上的连续函数（B ）()x ϕ是E 上的单调函数（C ）()x ϕ在E 上一定不L 可积（D ）()x ϕ是E 上的可测函数 21．下列集合关系成立的是（ A ）（A ）()()()AB C A B A C = （B ）(\)A B A =∅（C ）(\)B A A =∅ （D ）A B A B ⊆22. 若()nE R ⊆是闭集，则（ B ）（A ）0E E = （B ）E E = （C ）E E '⊆ （D ）E E '= 23. 设Q 的有理数集，则（ C ）（A ）0mQ > （B ）Q 为闭集（C ）0mQ = （D ）Q 为不可测集24.设E 是nR 中的可测集，()f x 为E 上的可测函数，若()0Ef x dx =⎰，则（ A ）（A ）在E 上，()f x 不一定恒为零（B ）在E 上，()0f x ≥ （C ）在E 上，()0f x ≡ （D ）在E 上，()0f x ≠ 四、判断题1. 可数个闭集的并是闭集. （ × ）2. 可数个可测集的并是可测集. （ √ ）3. 相等的集合是对等的. （ √ ）4. 称()(),f x g x 在E 上几乎处处相等是指使()()f x g x ≠的x 全体是可测集. （ √ ）5. 可数个F σ集的交是F σ集. （ × ）6. 可数个可测函数的和使可测函数. （ √ ）7. 对等的集合是相等的. (× )8. 称()(),f x g x 在E 上几乎处处相等是指使()()f x g x =的x 全体是零测集. （ × ） 9. 可数个G σ集的并是G σ集. （ √ ）10. 零测集上的函数是可测函数. （ √ ）11. 对等的集合不一定相等. （ √ ） 12. 称()(),f x g x 在E 上几乎处处相等是指使()()f x g x ≠的x 全体是零测集.（ √ ） 13. 可数个开集的交是开集（ × ） 14. 可测函数不一定是连续函数. （ √ ） 15. 对等的集合有相同的基数. （ √ ）16. 称()(),f x g x 在E 上几乎处处相等是指使()()f x g x ≠的x 全体的测度大于0 （ × ） 17. 可列个闭集的并集仍为闭集（ × ） 18. 任何无限集均含有一个可列子集（ √ ） 19. 设E 为可测集，则一定存在G σ集G ，使E G ⊆，且()\0m G E =. （ √ ） 20. 设E 为零测集，()f x 为E 上的实函数，则()f x 不一定是E 上的可测函数（ × ） 21. 设()f x 为可测集E 上的非负可测函数，则()()f x L E ∈ （ × ） 22. 可列个开集的交集仍为开集（× ） 23. 任何无限集均是可列集（ × ） 24. 设E 为可测集，则一定存在F σ集F ，使F E ⊆，且()\0m E F =. （ √ ） 25. 设E 为零测集，则()f x 为E 上的可测函数的充要条件是：∀实数a 都有()E x f x a ⎡≥⎤⎣⎦是可测集（ √ ）26. 设()f x 为可测集E 上的可测函数，则()Ef x dx ⎰一定存在. （ × ）五、简答题1. 简述无限集中有基数最小的集合，但没有最大的集合.答：因为任何无限集均含有可数集，所以可数集是无限集中基数最小的，但无限集没有基数最大的，这是由于任何集合A ，A 的幂集2A的基数大于A 的基数.2. 简述点集的边界点，聚点和内点的关系.答: 内点一定是聚点，边界点不一定是聚点，点集的边界点或为孤立点或为聚点. 3. 简单函数、可测函数与连续函数有什么关系？答：连续函数一定是可测函数；简单函数一定是可测函数；简单函数可表示成简单函数或连续函数的极限 4. [],a b 上单调函数与有界变差函数有什么关系？答：单调函数是有界变差函数，有界变差函数可表示成两个单调增函数之差. 5. 简述集合对等的基本性质.答：A A ；若A B ，则B A ；若A B ，且B C ，则A C . 6. 简述点集的内点、聚点、边界点和孤立点之间关系.答：内点一定是聚点，内点不是孤立点，边界点由点集的孤立点和聚点组成. 7. 可测集与开集、G σ集有什么关系？答：设E 是可测集，则0ε∀>，∃开集G ，使G E ⊃，使()\m G E ε<，或∃ G σ集G ，使G E ⊃，且()\0m G E =.8. [],a b 上单调函数、有界变差函数与绝对连续函数有什么关系？答：绝对连续函数是有界变差函数，反之不然；有界变差函数是单调增函数的差，而单调函数是有界变差函数. 9. 简述证明集合对等的伯恩斯坦定理. 答：若AB B *⊂，又B A A *⊂，则AB10. 简述1R 中开集的结构.答: 设G 为1R 中开集，则G 可表示成1R 中至多可数个互不相交的开区间的并. 11. 可测集与闭集、F σ集有什么关系？答：设E 是可测集，则0ε∀>，∃闭集F E ⊂，使()\m E F ε<或∃ F σ集F E ⊂，使()\0m E F =.12. 为什么说绝对连续函数几乎处处可微？答：因为绝对连续函数是有界变差，由若当分解定理，它可表示成两个单调增函数的差，而单调函数几乎处处有有限的导数，所以绝对连续函数几乎处处可微.13. 简述连续集的基数大于可数集的基数的理由.答:连续集是无限集，因而包含可数子集，又连续集是不可数集，所以连续集的基数大于可数集的基数. 14. 简述nR 中开集的结构.答：nR 中开集可表示成可数个互不相交的半开半闭区间的并 15. 可测函数列几乎处处收敛、依测度收敛和近一致收敛的关系？答：设()(),n f x f x 是可测集E 上的一列可测函数，那当mE <+∞时，()(),.n f x f x a e →于E ，必有()()n f x f x ⇒.反之不成立，但不论mE <+∞还是mE =+∞，(){}n f x 存在子列(){}k n f x ，使()(),.k n f x f x a e →于E .当mE <+∞时，()(),.n f x f x a e →于E ，由Egoroff 定理可得()n f x 近一致收敛于()f x ，反之，无需条件mE <+∞，结论也成立.16. 为什么说有界变差函数几乎处处可微？答：由若当分解定理，有界变差函数可表示成两个单调增函数的差，而单调函数几乎处处可微，所以有界变差函数几乎处处可微.17. 简述无穷多个开集的交集是否必为开集？答：不一定，如[]1111,11,1n n n +∞=⎛⎫---+=- ⎪⎝⎭18. 可测集E 上的可测函数与简单函数有什么关系？答：简单函数必是可测函数但可测函数不一定是简单函数，可测函数一定可表示成简单函数列的极限形式. 19. [],a b 上的有界变差函数与单调函数有什么关系？答：单调函数必为有界变差函数但有界变差函数不一定为单调函数，有界变差函数可表示成单调函数之差. 20. 简述无穷多个闭集的并集是否必为闭集？答：不一定如()1111,11,1n n n +∞=⎡⎤---+=-⎢⎥⎣⎦ 21. 可测集E 上的可测函数与连续函数有什么关系？答：E 上连续函数必为可测函数但E 上的可测函数不一定时连续函数，E 上可测函数在E 上是“基本上”连续的函数 22. [],a b 上的绝对连续函数与有界变差函数有什么关系？答：绝对连续函数必为有界变差函数但有界变差函数不一定为绝对连续函数六、计算题1. 设()[]230,1\xx E f x xx E⎧∈⎪=⎨∈⎪⎩，其中E 为[]0,1中有理数集，求()[]0,1f x dx ⎰.解：因为0mE =，所以()3,.f x x a e =于[]0,1，于是()[][]30,10,1f x dx x dx =⎰⎰，而3x 在[]0,1上连续，从而黎曼可积，故由黎曼积分与勒贝格积分的关系，[]()41331000,11|44x x dx R x dx ===⎰⎰ 因此()[]0,114f x dx =⎰. 2. 设{}n r 为[]0,1中全体有理数，(){}[]{}12121,,00,1\,,n n n x r r r f x x r r r ∈⎧⎪=⎨∈⎪⎩，求()[]0,1lim n n f x dx →∞⎰.解：显然()n f x 在[]0,1上可测，另外由()n f x 定义知，()0,.n f x a e =于[]0,1()1n ≥ 所以()[][]0,10,100nf x dx dx ==⎰⎰因此()[]0,1lim0nn f x dx →∞=⎰.3. 设()[]2sin 0,1\xx P f x x x P ∈⎧=⎨∈⎩，P 为康托集，求()[]0,1f x dx ⎰.解：因为0mP =，所以()2,.f x x a e =于[]0,1于是()[][]20,10,1f x dx x dx =⎰⎰而2x 在[]0,1上连续，所以[]()31221000,11|33x x dx R x dx ===⎰⎰ 因此()[]0,113f x dx =⎰.4. 设()()[]22sin ,0,11n nx nx f x x n x =∈+，求()[]0,1lim n n f x dx →∞⎰.解：因为()n f x 在[]0,1上连续，所以可测()1,2,n =又()()[]2222sin 1,0,1,1,2,1122n nx nx nx nx f x x n n x n x nx =≤≤=∈=++而22lim01n nxn x →∞=+，所以()lim 0n n f x →∞=.因此由有界控制收敛定理()[]()[][]0,10,10,1limlim 00nnn n f x dx f x dx dx →∞→∞===⎰⎰⎰5. 设()3cos 0,\2x x E f x x x E π⎧∈⎪=⎨⎡⎤∈⎪⎢⎥⎣⎦⎩，E 为0,2π⎡⎤⎢⎥⎣⎦中有理数集，求()0,2f x dx π⎡⎤⎢⎥⎣⎦⎰. 解：因为0mE =，所以()cos ,.f x x a e =于[]0,1 于是()0,0,22cos f x dx xdx ππ⎡⎤⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦=⎰⎰而cos x 在0,2π⎡⎤⎢⎥⎣⎦上连续，所以黎曼可积，由牛顿莱布尼公式 []()22000,1cos cos sin |1xdx R xdx x ππ===⎰⎰因此()0,21f x dx π⎡⎤⎢⎥⎣⎦=⎰6. 设()()[]22cos ,0,11n nx nx f x x n x =∈+，求()[]0,1lim n n f x dx →∞⎰.解：因为()n f x 在[]0,1上连续，所以可测()1,2,n =又()()[]2222cos 1,0,1,1,2,1122n nx nx nx nx f x x n n x n x nx =≤≤=∈=++而22lim01n nxn x →∞=+，所以()lim 0n n f x →∞=.因此由有界控制收敛定理()[]()[][]0,10,10,1limlim 00nnn n f x dx f x dx dx →∞→∞===⎰⎰⎰7. 设()[]3sin 0,1\xx P f x xx P⎧∈⎪=⎨∈⎪⎩，P 为康托集，求()[]0,1f x dx ⎰.解：因为0mP =，所以(),.f x x a e =于[]0,1 于是()[][]0,10,1f x dx xdx =⎰⎰而x 在[]0,1上连续，所以[]()2121000,11|22x xdx R x dx ===⎰⎰ 因此()[]0,112f x dx =⎰. 8. 求()()0,ln limcos xn n x n e xdx n -→∞+⎰.解：令()()()()0,ln cos xn n x n f x x e x nχ-+= 显然()n f x 在()0,+∞上可测，且()()()()0,0,ln cos xn n x n e xdx f x dx n -+∞+=⎰⎰ 因为()()()()ln ln cos ,0,,1,2,x n x n x n f x e x x n n n-++≤≤∀∈+∞=不难验证()()ln n x n g x n+=，当n 足够大时，是单调递减非负函数，且 ()lim 0n n g x →∞=，所以()()()()()()0,0,0,ln limlim lim n n n n n x n dx g x dx g x n →∞→∞→∞+∞+∞+∞+==⎰⎰⎰()0,00dx +∞==⎰由勒贝格控制收敛定理()()0,lim0n n f x dx →∞+∞=⎰故()()0,ln lim cos 0xn n x n e xdx n -→∞+=⎰. 9. 设()[][]101001x D x x ⎧⎪=⎨⎪⎩为，上的有理点为，上的无理点，求()[]01D x dx ⎰，.证明记1E 是[]0,1中有理数集，2E 是[]0,1中无理数集，则[]12120,1,E E E E ==∅，120,1mE mE ==，且()1210E E D x χχ=+，所以()[]120,1100D x dx mE mE=+=⎰.10 求()0ln limcos xn x n e xdx n+∞-→∞+⎰. 证明易知()ln limcos 0xn x n e x n-→∞+=对任意0,1x n ≥≥，()()ln ln cos x x n x n e x n n-++≤设()ln ()x y f y y+=，0y >，则()2ln ()yx y x yf y y -++'=，当3y ≥时，()1ln yx y x y<<++，()0f y '<. 则()ln ()x n f n n+=是单调减函数且非负（3n ≥）；又()ln 1limlim 0n n x n n x n→∞→∞+==+，由Levi 单调收敛定理得()()000ln ln lim lim 00n n x n x n dx dx dx n n +∞+∞+∞→∞→∞++===⎰⎰⎰，即()ln ()x n L E n+∈，再由Lebsgue 控制收敛定理得()()000ln ln lim cos lim cos 00x xn n x n x n e xdx e xdx dx n n+∞+∞+∞--→∞→∞++===⎰⎰⎰11. 设()[]230,1xx P f x xx P⎧∈⎪=⎨∈-⎪⎩，其中P 为康托集，求()[]01f x dx ⎰，.解：因为P 为康托集，故0mP =，[]()0,1\1m P = 所以()[]320,1P P f x x x χχ-=+ 所以()[][]()2330,10,1f x dx x mP x m P x =+-=⎰12. 求()[]22,0,11n nxf x E n x ==+，求()lim n n Ef x dx →∞⎰.解：易知：[]()22lim00,11n nxx n x →∞=∈+令()()2221,1n nx f x g x n x x ==+，则()()()22232222222221110111n nx n x nx n x nx g x f x nx nx x n x x x n x n x+-+--=-==≥+++ 所以()()[]()00,1,1n f x g x x n ≤≤∈≥ 又因为()g x 在[]0,1上Lebesgue 可积，所以由控制收敛定理，得 22lim 001n E Enxdx dx n x →∞==+⎰⎰七、证明题1．证明集合等式：(\)A B B A B =证明(\)()c A B B A B B =()()()c c A B A B B A B B B A B ===2．设E 是[0,1]中的无理数集，则E 是可测集，且1mE =证明设F 是[0,1]中的有理数集，则F 是可数集，从而*0m F =，因此F 是可测集，从而c F 可测，又[0,1]\[0,1]c E F F ==，故E 是可测集.由于EF =∅，所以1[0,1]()0m m E F mE mF mF ===+=+，故1mF =3．设(),()f x g x 是E 上的可测函数，则[|()()]E x f x g x >是可测集证明设{}n r 为全体有理数所成之集，则()11[|()()][|()()][|()][|()]n n n n n E x f x g x E x f x r g x E x f x r E x g x r ∞∞==>=≥>=≥<因为(),()f x g x 是E 上的可测函数，所以[|()]n E x f x r ≥，[|()]n E x g x r <是可测集，1,2,n =，于是由可测集性质知[|()()]E x f x g x >是可测集4．设()f x 是E 上的可测函数，则对任何常数0a >，有1[|()|]|()|EmE x f x a f x dx a ≥≤⎰ 证明因为()f x 在E 上可测，所以|()|f x 在E 上非负可测，由非负可测函数积分性质，[|()|][|()|]|()||()|E x f x a E x f x a Eadx f x dx f x dx ≥≥≤≤⎰⎰⎰而[|()|][|()|]E x f x a adx a mE x f x a ≥=⋅≥⎰，所以1[|()|]|()|E mE x f x a f x dx a≥≤⎰ 5．设()f x 是E 上的L -可积函数，{}n E 是E 的一列可测子集，且lim 0n n mE →∞=，则lim ()0nE n f x dx →∞=⎰证明因为lim 0n n mE →∞=，所以0,1N δ∀>∃≥，当n N ≥时，n mE δ<，又()f x 在E 上L -可积，所以由积分的绝对连续性，0,0,εδ∀>∃>当,e E me δ⊂<时|()|ef x dx ε<⎰于是当n N ≥时，n mE δ<，因此|()|nE f x dx ε<⎰，即lim ()0nE n f x dx →∞=⎰6．证明集合等式：\(\)A A B A B =证明 \(\)()(())(cc c c c cA AB A AB A A B AA B=== ()()c AA AB A B ==7．设12,A A 是[0,1]的可测子集，且121mA mA +>，则12()0m A A >证明因为12[0,1],[0,1]A A ⊂⊂，所以12[0,1]A A ⊂，于是12()[0,1]1m A A m ≤=另一方面，121122[\()]A A A A A A =，所以()12112211221122()[\()][\()]()m A A m A A A A m A A A mA mA m A A mA ==+=-+ 于是1212()()0m AAmA m A m AA=+->8．设()f x 是定义在可测集nE R ⊂上的实函数，n E 为E 的可测子集（1,2,n =），且1n n E E ∞==，则()f x 在E 上可测的充要条件是()f x 在每个n E 上可测证明对任何实数a ，因为11[|()][|()]([|()])n nn n E x f x a E x f x a E E x f x a ∞∞==>=>=>所以()f x 在E 上可测的充要条件是对每个1,2,n =，()f x 在每个n E 上可测9．设()f x 是E 上的可测函数，则对任何常数0a >，有()[|()]af x EmE x f x a ee dx -≥≤⎰证明因为()f x 在E 上可测，所以()f x e 是非负可测函数，于是由非负可测函数积分性质，()()[|()][|()]a f x f x E x f x a E x f x a Ee dx e dx e dx ≥≥≤≤⎰⎰⎰而[|()][|()]a a E x f x a e dx e mE x f x a ≥=⋅≥⎰，所以 ()[|()]af x EmE x f x a ee dx -≥≤⎰10．设()f x 是E 上的可积函数，{}n E 为E 的一列可测子集，mE <+∞，如果lim n n mE mE →∞= 则lim()()nE En f x dx f x dx →∞=⎰⎰证明因()f x 在E 上L -可积，由积分的绝对连续性知，对任意0ε>，存在0δ>，对任何A E ⊆，当mA δ<时有|()|Af x dx ε<⎰，由于lim n n mE mE →∞=<+∞，故对上述的0δ>，存在0k ，当0n k >时n E E ⊆，且有()n n mE mE m E E δ-=-<，于是|()()||()|nnEE E E f x dx f x dx f x dx ε--=<⎰⎰⎰，即 lim()()nE En f x dx f x dx →∞=⎰⎰11．证明集合等式：()\(\)(\)A B C A C B C =证明 ()\()()()(\)(cccAB C A B C AC BC A C B C=== 12．设nE R ⊂是零测集，则E 的任何子集F 是可测集，且0mF =证明设F E ⊂，*0m E =，由外测度的单调性和非负性，*00m F mE ≤≤=，所以*0m F =，于是由卡氏条件易知F 是可测集13．设(),(),(),(n n f x g x f x g x 是E 上几乎处处有限的可测函数，且()()n f x f x ⇒，()()n g x g x ⇒，则()()()()n n f x g x f x g x +⇒+ .证明对任何正数0σ>，由于|(()())(()())||()()||()()|n n n n f x g x f x g x f x f x g x g x +-+≤-+- 所以[|(()())(()())|]n n E x f x g x f x g x σ+-+≥ [|()()|][|()()|]22n n E x f x f x E x g x g x σσ⊂-≥-≥于是[|(()())(()())|]n n mE x f x g x f x g x σ+-+≥ [|()()|][|()()|]22n n mE x f x f x mE x g x g x σσ≤-≥+-≥0()n →→∞故()()()()n n f x g x f x g x +⇒+ 14．设(),()f x g x 是E 上L -可积函数，则22()()f x g x +在E 上也是L -可积的证明因(),()f x g x 是E 上L -可积，所以|()|,|()|f x g x 在E 上L -可积，从而 |()||()|f x g x +L -可积，又222()()(|()||()|)|()||()|f x g x f x g x f x g x +≤+=+ 故22()()f x g x +在E 上L -可积15．设()f x 是可测集E 上的非负可测函数，如果()0Ef x dx =⎰，则()0.f x a e =于E证明反证，令[|()0]A E x f x =>，则由()f x 的可测性知，A 是可测集.下证0mA =，若不然，则0mA >由于11[|()0][|()]n A E x f x E x f x n ∞==>=≥，所以存在1N ≥，使1[|()]0mE x f x d N≥=> 于是11[|()][|()]111()()[|()]0EE x f x E x f x NNd f x dx f x dx dx mE x f x N N N N ≥≥≥≥=≥=>⎰⎰⎰因此()0Ef x dx >⎰，矛盾，故()0.f x a e =于E16．证明等式：\()(\)(\)A B C A B A C =证明 \()()()()()(\)(cc cc c A BC A BC A BC A B A C A B A C==== 17．设nE R ⊂是有界集，则*m E <+∞.证明因为E 是有界集，所以存在开区间I ，使E I ⊂由外测度的单调性，**m E m I ≤，而*||m I I =<+∞（其中||I 表示区间I 的体积），所以*m E <+∞18．1R 上的实值连续函数()f x 是可测函数证明因为()f x 连续，所以对任何实数a ，{|()}x f x a >是开集，而开集为可测集，因此()f x 是可测函数19．设mE <+∞，函数()f x 在E 上有界可测，则()f x 在E 上L -可积，从而[,]a b 上的连续函数是L -可积的证明因为()f x 在E 上有界可测，所以存在0M >，使|()|f x M <，x E ∈，|()|f x 是非负可测函数，由非负可测函数的积分单调性，|()|E E f x dx Mdx M mE <=⋅<+∞⎰⎰故|()|f x 在E 上L -可积，从而()f x 在E 上L -可积因为[,]a b 上的连续函数是有界可测函数，所以L -可积的20．设()n f x （1,2,n =）是E 上的L -可积函数，如果lim |()|0n n E n f x dx →∞=⎰，则()0n f x ⇒证明对任何常数0σ>，[|()|][|()|]|()|n n n E x f x mE x f x f x dx σσσ≥⋅≥≤⎰ 所以 [|()|]1[|()|]|()|n n n E x f x mE x f x f x dx σσσ≥≥≤⎰ 1|()|0()n E f x dx n σ≤→→∞⎰ 因此 ()0n f x ⇒21. 证明集合等式：()()()\\\AB C A C B C =. 证明 ()()()()()()\\\c c c AB C A B C A C BC A C B C === 22. 设[]{}00,1E =中的有理点，则0E 为可测集且00mE =. 证明因为0E 为可数集，记为{}012,,,n E r r r =，0ε∀>，取()11,1,2,22n n n n n I r r n εε++⎛⎫=--= ⎪⎝⎭ 显然 01n n E I +∞=⊂，所以0011102n n n n n n E I m E I εε+∞+∞+∞*===⊂≤≤==∑∑，让0ε→，得00m E *=.n T R ∀∈，由于()()00c T TE T E = 所以()()00c m T m T E m T E ***≤+.又00,0c T E T m E *⊆=，所以()()()000c c m T m TE m T E m T E ****≥=+. 故()()00c m T m TE m T E ***=+ 故0E 为可测集，且00mE =23. 证明：1R 上的实值连续函数()f x 必为1R 上的可测函数证明 1,a b R ∀∈，不妨假设a b <，因为()f x 是1R 上的连续函数，故()f x 是[],a b 上的连续函数，记[],F a b =，由()f x 在F 上连续，则(),M m m M ∃<，使()m f x M ≤≤，则显然易证，()1,R F f αα∀∈≥是闭集，即()f x 为[],a b 上的可测函数，由,a b 的任意性可知，()f x 是1R 上的可测函数. 24. 设()()f x L E ∈，{}n E 为E 的一列可测子集，mE <+∞ ，如果lim n n mE mE →∞=，则()()l i m n n E Ef x dx f x dx →∞=⎰⎰. 证明因()f x 在E 上L 可积，由积分的绝对连续性知，对任意0ε>，存在0δ>，对任何A E ⊆，当mA δ<时有|()|A f x dx ε<⎰，由于l i m n n m E m E →∞=<+∞，故对上述的0δ>，存在0k ，当0n k >时n E E ⊆，且有()n n mE mE m E E δ-=-<，于是\|()()||()|nn E E E E f x dx f x dx f x dx ε-=<⎰⎰⎰，即 lim ()()n E En f x dx f x dx →∞=⎰⎰ 25. 证明集合等式：()()()\\\A BC A B A C =.证明 ()()()()()()()\\\c c c c cA B C AB C A B C A B A C A B A C ==== 26. 设1E R ⊆，且0m E *=，则E 为可测集. 证明 n T R ∀∈，由于()()n c T R T TE T E ∀∈= 所以()()c m T m T E m T E ***≤+.又,0c T E T m E *⊆=，所以()()()c c m T m TE m T E m T E ****≥=+.故()()c m T m T E m T E ***=+所以E 为可测集27. 证明：1R 上的单调函数()f x 必为可测函数. 证明 1,a b R ∀∈，不妨假设a b <，因为()f x 是1R 上的单调函数，不妨设()f x 为单调增函数，故()f x 是[],a b 上的单调增函数，即()()121212,,,x x E x x f x f x ∀∈<≤，则1R α∀∈，有1）当()sup x E f x α∈≤时，();E xf x α⎡>⎤=∅⎣⎦2）当()inf x E f x α∈>时，();E x f x E α⎡>⎤=⎣⎦3）当()()inf sup x E x E f x f x α∈∈≤<时，必有10x E R ∈，使()()000,f x f x αα+>≤或()()000,0f x f x αα+≥-<.由()f x 的单调增知，()0(),E xf x E x α⎡>⎤=+∞⎣⎦或[)0,E x +∞. 在所有情况下，()E x f x α⎡>⎤⎣⎦都可测.即()f x 是[],a b 上的可测函数.由由,a b 的任意性可知，()f x 是1R 上的可测函数. 28. 设()f x 为可测集n E R ⊆上的可测函数，则()()f x L E ∈的充要条件()()f x L E ∈.证明必要性若()()f x L E ∈，因为()()()f x f x f x +-=+，且()()f x L E ∈所以()(),E Ef x dx f x dx +-⎰⎰中至少有一个是有限值，故()()()E E E f x dx f x dx f x dx +-=+⎰⎰⎰即()()f x L E ∈充分性若()()f x L E ∈因为()()()f x fx f x +-=-，且()()f x L E ∈ 所以()(),EE f x dx f x dx +-⎰⎰中至少有一个是有限值，故()()()E E E f x dx f x dx f x dx +-=-⎰⎰⎰，即()()f x L E ∈.。

第五章第四节 4.4 有界变差函数

n→∞ a
b
证毕。
≤ f (b) f (a).
第四节有界变差函数应该注意到定理5与牛顿-莱布尼兹公式的差别，此处严格不等式样可能成立的，例如，若 x0 ∈(a, b),(x) =θ (x x0 )，则
b
′(x) = 0 a.e.。于是 ∫ ′(x)dx = 0，但 a (b) = 1，(a) = 0，故 (b) (a) = 1，
∞ ∞
1 0 ≤ ∑{ f (x) Snk (x)} ≤ ∑{ f (b) Snk (b)} < ∑ k =1. k =1 k =1 k =1 2
∞
第四节有界变差函数这说明 ∑{ f (x) Snk (x)}也是由单调增加函数列 f (x) Sn (x)构成的收敛 k 级数，将上面关于 ∑ fn (x) 的结论用到 ∑{ f (x) Snk (x)} 上，得
∑f '
n
(x) = f ' (x)。
第四节有界变差函数由于 lim Sn (b) = f (b) ，对任意自然数 k，可取 nk，使得
n→∞
1 f (b) Snk (b) < k ， 2 但 f (x) Sn (x) 也是单调增加函数，且 k
，所以, f (a) = Snk (a) = 0
第四节有界变差函数推论2 上跳跃函数，推论若是 [a, b] 上跳跃函数，则
' = 0 a.e.。证明：设 = 1 2 ,1,2 是 [a, b] 上的
单调增加函数，注意对任意 xn∈(a, b) ，
θ ' (x xn ) = 0 a.e., θ '1 (x xn ) = 0 a.e.，
V ( f ) = sup V (, f )，

实变函数试题库及参考答案

实变函数试题库及参考答案IMB standardization office【IMB 5AB- IMBK 08- IMB 2C】实变函数试题库及参考答案（1）本科一、填空题1．设,A B 为集合，则()\A B B A B （用描述集合间关系的符号填写） 2．设A 是B 的子集，则A B （用描述集合间关系的符号填写） 3．如果E 中聚点都属于E ，则称E 是 4．有限个开集的交是 5．设1E 、2E 是可测集，则()12m E E 12mE mE +（用描述集合间关系的符号填写） 6．设nE ⊂是可数集，则*m E 07．设()f x 是定义在可测集E 上的实函数，如果1a ∀∈，()E x f x a ⎡⎤≥⎣⎦是，则称()f x 在E 上可测8．可测函数列的上极限也是函数9．设()()n f x f x ⇒，()()n g x g x ⇒，则()()n n f x g x +⇒ 10．设()f x 在E 上L 可积，则()f x 在E 上二、选择题1．下列集合关系成立的是（） 2．若n R E ⊂是开集，则（）3．设(){}n f x 是E 上一列非负可测函数，则（）三、多项选择题（每题至少有两个以上的正确答案） 1．设[]{}0,1E =中无理数，则（）A E 是不可数集B E 是闭集C E 中没有内点D 1mE =2．设nE ⊂是无限集，则（）A E 可以和自身的某个真子集对等B E a ≥（a 为自然数集的基数）3．设()f x 是E 上的可测函数，则（）A 函数()f x 在E 上可测B ()f x 在E 的可测子集上可测C ()f x 是有界的D ()f x 是简单函数的极限 4．设()f x 是[],a b 上的有界函数，且黎曼可积，则（）A ()f x 在[],a b 上可测B ()f x 在[],a b 上L 可积C ()f x 在[],a b 上几乎处处连续D ()f x 在[],a b 上几乎处处等于某个连续函数四、判断题1. 可数个闭集的并是闭集. （）2. 可数个可测集的并是可测集. （）3. 相等的集合是对等的. （）4. 称()(),f x g x 在E 上几乎处处相等是指使()()f x g x ≠的x 全体是可测集. （）五、定义题1. 简述无限集中有基数最小的集合，但没有最大的集合.2. 简述点集的边界点，聚点和内点的关系.3. 简单函数、可测函数与连续函数有什么关系？4. [],a b 上单调函数与有界变差函数有什么关系？六、计算题1. 设()[]230,1\x x E f x xx E⎧∈⎪=⎨∈⎪⎩，其中E 为[]0,1中有理数集，求()[]0,1f x dx ⎰.2. 设{}n r 为[]0,1中全体有理数，(){}[]{}12121,,00,1\,,n n n x r r r f x x r r r ∈⎧⎪=⎨∈⎪⎩，求()[]0,1lim n n f x dx →∞⎰.七、证明题1．证明集合等式：(\)A B B A B =2．设E 是[0,1]中的无理数集，则E 是可测集，且1mE = 3．设(),()f x g x 是E 上的可测函数，则[|()()]E x f x g x >是可测集 4．设()f x 是E 上的可测函数，则对任何常数0a >，有1[|()|]|()|E mE x f x a f x dx a≥≤⎰ 5．设()f x 是E 上的L -可积函数，{}n E 是E 的一列可测子集，且lim 0n n mE →∞=，则实变函数试题库及参考答案（1）本科一、填空题1.=2.≤3.闭集4.开集5.≤6.=7.可测集8.可测9.()()f x g x + 10.可积二、单选题 ABB 三、多选题ACD AB ABD ABC 四、判断题 × √√√ 五、定义题1.答：因为任何无限集均含有可数集，所以可数集是无限集中基数最小的，但无限集没有基数最大的，这是由于任何集合A ，A 的幂集2A 的基数大于A 的基数.2.答: 内点一定是聚点，边界点不一定是聚点，点集的边界点或为孤立点或为聚点.3.答：连续函数一定是可测函数；简单函数一定是可测函数；简单函数可表示成简单函数或连续函数的极限4.答：单调函数是有界变差函数，有界变差函数可表示成两个单调增函数之差. 六、解答题1.解：因为0mE =，所以()3,.f x x a e =于[]0,1，于是()[][]30,10,1f x dx x dx =⎰⎰，而3x 在[]0,1上连续，从而黎曼可积，故由黎曼积分与勒贝格积分的关系，因此()[]0,114f x dx =⎰. 2.解：显然()n f x 在[]0,1上可测，另外由()n f x 定义知，()0,.n f x a e =于[]0,1()1n ≥ 所以()[][]0,10,100nf x dx dx ==⎰⎰因此()[]0,1lim0nn f x dx →∞=⎰七、证明题 1.证明2.证明设F 是[0,1]中的有理数集，则F 是可数集，从而*0m F =，因此F 是可测集，从而c F 可测，又[0,1]\[0,1]c E F F ==，故E 是可测集.由于EF =∅，所以1[0,1]()0m m EF mE mF mF ===+=+，故1mF =3.证明设{}n r 为全体有理数所成之集，则因为(),()f x g x 是E 上的可测函数，所以[|()]n E x f x r ≥，[|()]n E x g x r <是可测集，1,2,n =，于是由可测集性质知[|()()]E x f x g x >是可测集4.证明因为()f x 在E 上可测，所以|()|f x 在E 上非负可测，由非负可测函数积分性质，而[|()|][|()|]E x f x a adx a mE x f x a ≥=⋅≥⎰，所以5.证明因为lim 0n n mE →∞=，所以0,1N δ∀>∃≥，当n N ≥时，n mE δ<，又()f x 在E 上L -可积，所以由积分的绝对连续性，0,0,εδ∀>∃>当,e E me δ⊂<时|()|ef x dx ε<⎰于是当n N ≥时，n mE δ<，因此|()|nE f x dx ε<⎰，即lim ()0nE n f x dx →∞=⎰。

《数学变差函数》课件

举例说明
例如，分段常函数和阶梯函数都属于下半连续变差函数。
计算实例
计算下半连续变差函数的变差值和变差系数。
四、全变差函数
1
定义及性质
全变差函数是指在给定区间上，函数值无论是从上方还是从下方变化，总存在有限的变差值。
2
举例说明
例如，绝对值函数和分段线性函数都属于全变差函数。
3
计算实例
计算全变差函数的变差值和变差系数。
二、上半连续变差函数
1
举例说明
2
例如，阶梯函数和分段线性函数都属于上
半连续变差函数。
3
定义及性质
上半连续变差函数是指在给定区间上，函数值只从上方变化，变化过程可以包含跳跃。
计算实例
计算上半连续变差函数的变差值和变差系数。
三、下半连续变差函数
定及性质
下半连续变差函数是指在给定区间上，函数值只从下方变化，变化过程可以包含跳跃。
五、变差函数与控制理论
变差函数的应用
变差函数在信号处理、时间序列分析和最优控制等领域具有广泛的应用。
变差函数在控制理论中的应用
通过对变差函数的分析和设计，可以实现系统控制和优化。
控制理论中的例子分析
以PID控制器和模糊控制为例，探讨变差函数在控制理论中的具体应用。
六、总结
1 变差函数的重要性
2. 李四, 《控制理论与应用》，机械工业出版社，2019。
3. 王五, 《信号与系统导论》，清华大学出版社，2021。
变差函数是数学分析和控制理论中重要的概念，具有广泛的应用价值。
2 变差函数的简单应用
通过对变差函数的了解，可以应用于实际问题的分析和设计中。

有界变差函数

n
V f ( x0 , L x n ) = ∑ f ( xi ) − f ( xi −1 ) = ∑ ( f ( xi ) − f ( xi −1 )) = f (b) − f (a.).
i =1 i =1
n
n
因此 V ( f ) = f (b) − f ( a ). 所以 f ∈ V [ a, b].
x
则 p ( x) 和 n( x) 都是单调增加的, 并且满足 (6)
我们称(6)式为 f 的标准分解.分别称 p ( x) 和 n( x) 为 f 的正变差函数和负变差函数. 定理 5 设 f 是 [a, b] 上的有界变差函数. 则 V ( f ) 在 [a, b] 上是右连续的(或左连续
a x
n−2 b a
(令k = n − i )
令 n → ∞ 知道 V ( f ) = +∞. 因此 f 在 [0,1] 不是有界变差函数. 定理 2 有界变差函数具有如下性质:
(i). 若 f ∈ V [a, b], 则 f 是有界函数. (ii). 若 f ∈ V [a, b], α ∈ R1 , 则 α f ∈ V [a, b], 并且 V (α f ) ≤ α V ( f ). a a (iii). 若 f , g ∈ V [a, b],
因此
x1 x2
x2
x1
V ( f ) + f ( x1 ) ≤ V ( f ) + f ( x 2 ). a a
这表明 g ( x1 ) ≤ g ( x 2 ). 即 g 是单调增加的.类似可证 h 也是单调增加的. 推论 4 设 f 是 [a, b] 上的有界变差函数. 则 (1) (2) (3)
f ( x) − f ( x0 ) < ε . 取区间 [ x0 , x0 + δ ] 的一个分割

七个常见的有界函数

七个常见的有界函数有界函数是指函数在一些范围内有上下界的函数。

以下是七个常见的有界函数，每个函数都会进行详细说明。

1. 正弦函数（sin）正弦函数是一个周期函数，其在任意给定周期内的最大值和最小值是有界的。

正弦函数的最大值为1，最小值为-1、因此，sin函数是有界的。

2. 余弦函数（cos）与正弦函数类似，余弦函数也是周期函数。

余弦函数的最大值和最小值也都是有界的，最大值是1，最小值是-13. 正切函数（tan）正切函数在一些点上可能无界，但在给定的范围内是有界的。

例如，在区间[-π/2, π/2]内，正切函数的最大值为正无穷，最小值为负无穷；但在该区间之外，正切函数会无界。

因此，tan函数是一个有界函数。

4.平方根函数（√x）平方根函数是从0到正无穷的单调递增函数，它在0到正无穷范围内是有界的。

最小值为0（当x=0时），最大值则并没有。

然而如果我们限定平方根函数的定义域，例如在[0,1]范围内，则它的最大值为15. 反正弦函数（arcsin）反正弦函数的定义域是[-1,1]，因此它在这个范围内是有界的。

最大值为π/2，最小值为-π/26. 反余弦函数（arccos）与反正弦函数类似，反余弦函数在定义域[-1,1]内是有界的。

最大值为π，最小值为0。

7. 反正切函数（arctan）反正切函数也是一个有界函数，它在整个实数范围内的最大值为π/2，最小值为-π/2以上七个函数都是常见的有界函数。

它们在特定的定义域或范围内有上下界，可以在不同数学和科学领域中使用。

实变函数课件有界变差函数5

x1
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习题选讲（p178）
b
而对于[x1,b]的分划0：x1 b,有 | f (b) f (x1) | V ( f ) M
x1
| f (x1) || f (b) | M
n
| f (xi ) f (xi1) | | f (b) | M | f (a) | M i 1 b
n
V(,g ) |g(xi ) g(xi 1) |
i 1 n
lim
k
|
i 1
g k(xi )
g k(xi 1) |
lim
k
Vab(g
k
)
M
所以Vab(g ) supVab(g k ) ，证毕。 k
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三. 有界变差函数的类型
f
类型1：有界闭区间上的有限单调函数都是有界变差函数。
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二. 有界变差函数的性质
性质6 设 f 是[a,b]上的有界变差函数，c 是(a,b )内任一数，则(p150Th2(1))
Vab(f ) Vdc(f ) Vcb(f ) 。
证明：由全变差定义，对任意 0，可以找到分划 1 : a x0 x1 xn c 及分划 2 : c y 0 y1 y m b ，
f (x) g(x) h(x)。由Lebesgue定理( p143)知增函数g(x)和h(x)存在导数
g ' (x)和h' (x) a.e. 于[a,b]
所以f ' (x) [g ' (x) h' (x)] 存在 a.e. 于[a,b]。
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存在[a, b]上的可积函数 f ( x)，使F ( x) f (t )dt c
a x
]
分划P， V ( f , P) | f ( xi ) f ( xi 1 ) || f (b) f (a) |
a i 1
V ( f ) | f (b) f (a) |
0
1
例
连续函数不一定是有界变差函数
f ( x)

x cos 2 x 0
x( 0 ,1] x 0
例
1 若f ( x)是[a, b]上的可积函数，
x a
则F ( x) f (t )dt c为绝对连续函数
利用积分的绝对连续性即可
2 Cantor函数为单调连续函数，故为有界变差函数，但不是绝对连续函数，从而绝对连续函数是有界变差函数的一真子类
2 Lebesgue不定积分与微分的关系

1 单调函数的可微性
Weierstrass在1772构造出一处处连续但无处可导的函数
f (x) b n cos (a n π x ) （其中 0 <b< 1
n 0
且 a为正奇数）

定理设f(x)是[a,b]上的单调不减函数，则f `(x) 在[a,b]上几乎处处存在有限导数，且
a i 1
为f(x)对分点组P的变差，称
b b a a
V ( f ) sup{V ( f , P) : P为[a, b]的分点组 }为f ( x)在[a, b]的全变差
b
若V ( f ) ，则称f ( x)为 [a, b]上的有界变差函数
a
例
闭区间上的单调函数一定是有界变差函数
[
b n
i 1
| (ti ) (ti 1 ) | | (ti ) (ti 1 ) |
i 1 i 1
n
n
2 有界变差函数
设f(x)是[a,b]上的有限函数，在[a,b]上任取一分点组 P
a x0 x1 xn b,
b n
称V ( f , P) | f ( xi ) f ( xi 1 ) |
定理
若F(x)在[a,b]上绝对连续，则
( L) F ' (t )dt F ( x) F (a)
a x
定理
若f(x)在[a,b]上Lebesgue可积，则
x d (( L) f (t )dt ) f ( x) a.e.于[a, b] a dx
推论 F(x)在[a,b]上绝对连续当且仅当
主要内容
F ( x) ( L) f (t )dt ( L) f (t )dt ( L) f (t )dt
a a a
x
x
x
为两个单调不减函数的差
单调函数的可微性：单调函数几乎处处有有限导数有界变差函数（即两个单调不减函数的差）绝对连续函数（即能写成不定积分形式的函数）
使对[a,b]中的任意有限个互不相交的开区间 (ai , bi ) (i 1,2,, n) 当 (b a ) 时，
n i 1 i i
有 | F (bi ) F (ai ) |
i 1
n
则称F(x)是[a,b]上的绝对连续函数
注：绝对连续函数一定是一致连续函数，当然是连续函数，也一定是有界变差函数，从而几乎处处有有限导数。
a a a
x
x
x
定理 f(x)是有界变差函数当且仅当 f(x)可表成两个非负单调不减函数的差

不定积分F(x)是有界变差函数，但由Cantor 函数（是有界变差函数）知道，先取导数再取积分并不能返回，问什么函数满足此性质？
1 绝对连续函数
设F(x)是[a,b]上的有限函数，若 0, 0,
称 ( x) 为[0,1] 上的Cantor函数。
显然在[0,1]上单调不减，从而为有界变差函数，并且导函数几乎处处为0， ' ( x)dx 0 1 (1) (0)

[ 0,1]
Cantor函数在[0,1]上连续
否则，若 ( x) 在x0∈ (0,1)处不连续，
0
1
3 Jordan分解定理
定理 f(x)是有界变差函数当且仅当 f(x)可表成两个非负单调不减函数的差

即f ( x ) f1 ( x ) f 2 ( x ) 1 x 其中f1 ( x ) （V ( f ) f ( x ) | f ( a ) | ） 2 a 1 x f 2 ( x ) （V ( f ) f ( x ) | f ( a ) | ） 2 a

[ a ,b ]
f ' ( x)dx f (b) f (a)
Koch曲线
注：等号不一定成立，即使f(x)是[a,b]上的连续单调不减函数，例如Cantor函数。
引入 t )
t [ a, b]
分划T：a t0 t1 tn b
) ( ) ( 1/3
) ( ) ( 2/3
) ( )
1
Cantor函数
( x)
a.在G=[0,1]-P的各构成区间上，
如前图规定:在第n次去掉的2n-1个开区间上依次取值为
1 2n
,
3 2n
,
5 2n
,
,
2 n 1 2n
;
b.规定 ( 0 ) 0 ( 1 ) 1
c.当 x P {0,1} 时,规定 ( x) sup{ (t ) : t G且t x}
折线长 L(T ) {( (ti ) (ti 1 ) ( (ti ) (ti 1 ) }
2 2 i 1 i 1
n
1 2
| (ti ) (ti 1 ) |和 | (ti ) (ti 1 ) | 都
i 1
n 2 2
1 2
n
n
{( (ti ) (ti 1 ) ( (ti ) (ti 1 ) }
微分与不定积分
单调函数与有界变差函数
引入微积分基本定理
若f(x)在[a,b]上连续，则
x d (( R) f (t )dt ) f ( x) a dx
若F `(x)
x a
在[a,b]上连续，则
( R) F ' (t )dt F ( x) F (a)
本章的主要目的是要在Lebesgue积分理论中推广这一结果
0.2
1/4
0.2 0.4 0.6 0.8
对[0,1]取分划
T :1
1
1 2n
-0.2

1 2 n 1

1 1 3 2 1,
1/6 1/2
-0.4
则V ( f , T ) | f ( xi ) f ( xi 1 ) | 1 i
0 i 1 i 1
n
n
从而V ( f ) ，故f ( x)不为 [0,1]上的有界变差函数
注：由于单调函数的不连续点全体为一可数集，从而有界变差函数的不连续点为一可数集，故Riemann可积,并且几乎处处存在有限导数
7/8 （Cantor集为三等分去掉中间一个开区间，如此过程一直下去）
3/4
Cantor函数
5/8
1/2 3/8 1/4 1/8 如此类似取值一直定义下去
( ) ( 0 1/9
则开区间 ( ( x0 ), ( x0 ))或( ( x0 ), ( x0 )) 非空，
此区间中的每个数都不属于 ( x) 的值域，
这与 (G) [0,1] 矛盾。
（端点情形类似说明）注：Cantor函数把长度为零的集合连续拉长成长度为1的集合
有界变差函数与不定积分
F ( x) ( L) f (t )dt ( L) f (t )dt ( L) f (t )dt