132
第五章 微分与不定积分
在数学分析课程中我们知道, 微分与积分具有密切的联系. 一方面, 若)(xf在],[ ba
上连续, 则对任意],[ bax∈成立).()( xfdttf
x
a
=
′
?
?
?
?
?
?
∫
另一方面, 若)(xf在],[ ba上可微,
并且)(xf ′在],[ ba是Riemann可积的, 则成立牛顿-莱布尼兹公式
).()()( afbfdxxf
b
a
?=′
∫
本章将利用Lebesgue积分的理论证明对一类更一般的函数成立相应的结果. 本章所讨论的
函数都是定义在区间上的实值函数(不取∞±为值). 凡本章所涉及到的可测性, 测度和几乎
处处等概念都是关于Lebesgue测度空间)),(,(
11
mRR M而言的.
§5.1 单调函数的可微性
教学目的 本节将证明Vitali覆盖定理和单调函数的可微性定理.
本节要点 单调函数是最简单的函数之一, 它具有一系列良好的性质.
单调函数是L可积的并且几乎处处可微. Vitali覆盖定理不仅是证明单调函
数的可微性定理的基础, 它本身也是一个重要的结果.
设f是定义在
1
R的区间I上的实值函数. 若对任意,,
21
Ixx ∈ 当
21
xx <时,总有
),()(
21
xfxf ≤ (或)()(
21
xfxf ≥ ),
则称f在I上是单调增加的(相应地, 单调减少的). 单调增加的和单调减少的函数统称为单
调函数. 若f在I上是单调函数, 则容易知道对任意,
0
Ix ∈ f在
0
x的左右单侧极限
)0(
0
?xf和 )0(
0
+xf都存在. 因此单调函数的间断点只能是第一类间断点.
定理1 设f是定义在区间],[ ba上的单调函数, 则f的不连续点的全体至多是可数集.
证明 不妨只考虑f是单调增加的情形. 令
}.:{点不连续在xfxA=
.1},
1
)0()0(:{ ≥≥??+= n
n
xfxfxA
n
则
1
.
n
n
AA
∞
=
=
∪
往证每个
n
A是有限集. 设,,,
1 nk
Axx ∈null 不妨设,
1+
<
ii
xx
.1,,1 ?= ki null 在],[ ba中取
k
ξξξ ,,,
10
null使得,
0
a=ξ ,b
k
=ξ
).1,,1(
1
?=<<
+
kixx
iii
ξ 由于f是单调增加的, 因此成立
133
.,,1),()0()0()(
1
kifxfxff
iiii
null=≤+≤?≤
?
ξξ
(如图)因此
).()())()(())0()0((
1
1
1
afbfffxfxf
n
k
k
i
ii
k
i
ii
?=?≤??+≤
∑∑
=
?
=
ξξ
故必有)).()(( afbfnk ?≤ 即
n
A是有限集. 由此知道A是可数集.■
推论2 设f是定义在区间],[ ba上的单调函数, 则f在],[ ba上是Riemann可积的, 因
而也是Lebesgue可积的.
证明 由定理1, f的不连续点的全体至多是一可数集, 因而是Lebesgue 零测度集. 由
§4.4定理2知道f在],[ ba上是Riemann可积的, 因而也是Lebesgue可积的.
下面我们讨论单调函数的可导性. 为此需要先作一些准备.
定义3 设E是
1
R的子集, }{
α
I=G是一族区间(
α
I可以是开的, 闭的或半开半闭的,
但不能退化为单点集). 若对任意0>ε和,Ex∈ 存在∈
α
I G , 使得
α
Ix∈并且,ε
α
<I
则称G为E的一个Vitali覆盖.
引理4 (Vitali覆盖定理)设?E ,
1
R 其Lebesgue外测度,)( +∞<
?
Em G是E的一
个Vitali覆盖. 则对任意,0>ε 存在有限个互不相交的区间∈
n
II ,,
1
null ,G 使得
.)(
1
ε<?
=
?
∪
n
i
i
IEm
证明 由于对任意∈
n
II ,,
1
null ,G
n
II ,,
1
null的端点的全体是一个L零测度集, 故不妨
设G中的每个区间都是闭区间. 由于,)( +∞<
?
Em 由§2.3定理5容易知道, 存在开集
EG ?使得.)( +∞<Gm 又不妨设G中的每个区间均包含在G中, 否则用
O x
y
a
b1
x
2
x
3
x
2
ξ
)(xf
)0(
2
?xf
)0(
2
+xf
)(
2
ξf
)(
1
ξf
1
ξ
134
}:{
1
GIII ?∈=并且GG代替.G 若存在G中的有限个区间
n
II ,,
1
null使得,
1
∪
n
i
i
IE
=
?
则.0)(
1
=?
=
?
∪
n
i
i
IEm 此时定理的结论当然成立. 现在设对任意∈
n
II ,,
1
null ,G
.
1
∪
n
i
i
IE
=
? 在G中任取一个区间记为.
1
I 假定
k
II ,,
1
null已经选取. 由于,
1
?≠?
=
∪
k
i
i
IE
故至少存在一个∈I ,G 使得I与
k
II ,,
1
null都不相交(为什么?). 令
}.,,1,,:sup{ kiIIII
ik
null=?=∩∈= Gλ
既然G中的每个区间I都包含于G中, 故.)( +∞<≤ Gm
k
λ 在G中选取一个区间
1+k
I使
,
2
1
1 kk
I λ>
+
.,,1,
1
kiII
ik
null=?=∩
+
(1)
继续这个过程, 我们就得到G中的一列互不相交的区间},{
k
I 使得对每个1≥k满足(1). 由
于,
1
GI
k
k
?
∞
=
∪
因此有
.)(
1
+∞<≤
∑
∞
=
GmI
k
k
(2)
于是存在一个n使得
1
5.
k
kn
I ε
∞
=+
<
∑
令
1
.
n
k
k
AE I
=
=?
∪
若能证明,)( ε<
?
Am 则
引理就得证. 设.Ax∈ 由于
1
n
k
k
I
=
∪
是闭集并且
1
,
n
k
k
x I
=
?
∪
故存在一个区间∈I G使得
I包含x并且与
n
II ,,
1
null 都不相交. 若进一步I与
nkk
I
>
}{中的每个区间都不相交, 则对任
意nk >均有.2
1+
<≤
kk
II λ 由(2)知道当∞→k时,0→
k
I 于是.0=I 但这是不可
能的. 因此I必与
nkk
I
>
}{中的某个区间相交. 令}.:min{
0
?≠∩=
k
IIkk 则nk >
0
并
且.2
00
1 kk
II <≤
?
λ记
0
k
I的中心为,
0
k
x 半径为.
0
k
r 由于Ix∈并且,
0
?≠∩
k
II 故x
与
0
k
x的距离
.
2
5
2
1
2
2
1
),(
00000
kkkkk
IIIIIxxd =+≤+≤
于是].5,5[
000 oo
kkkkk
rxrxJx +?=∈对每个,}{
nkkk
II
>
∈ 令
k
J是与
k
I有相同的中心且
长度为
k
I的5倍的区间, 则由上面所证知道
1
.
k
kn
AJ
∞
=+
?
∪
因此
∑∑
∞
+=
∞
+=
?
<=≤
11
.5)(
nk
k
nk
k
IJAm ε ■
135
设f在∈
0
x
1
R的某一邻域内有定义的实值函数. 令
,
)()(
lim)(
00
0
0
h
xfhxf
xfD
h
?+
=
+→
+
,
)()(
lim)(
00
0
0
h
xfhxf
xfD
h
?+
=
?→
?
,
)()(
lim)(
00
0
0
h
xfhxf
xfD
h
?+
=
+→
+
.
)()(
lim)(
00
0
0
h
xfhxf
xfD
h
?+
=
?→
?
(上述极限值均允许为∞± ). 分别称它们为f在
0
x点的右上导数, 左上导数, 右下导数和
左下导数. 从定义知道一般地成立
).()(),()(
0000
xfDxfDxfDxfD
?
?
+
+
≥≥ (3)
显然f在
0
x点可导当且仅当
.)()()()(
0000
±∞≠===
?
?
+
+
xfDxfDxfDxfD
定理5 设f是定义在区间],[ ba上的单调增加的实值函数. 则f在],[ ba上几乎处处
可导. 其导数f ′在],[ ba上Lebesgue 可积并且成立
() () ().
b
a
f xdx fb f a
′
≤?
∫
(4)
证明 我们先证明在),( ba上几乎处处成立
.fDfDfDfD
?
?
+
+
=== (5)
令}.{
1
fDfDE
?
+
>= 则.}{
,
1 ∪
Q∈
?
+
>>>=
sr
fDsrfDE 其中Q为有理数集. 我们要
证明,0)(
1
=
?
Em 为此只需证明对任意∈sr, Q , .0})({ =>>>
?
+?
fDsrfDm 记
}.{ fDsrfDA
?
+
>>>=对任意,0>ε 存在开集AG ?使得.)()( ε+<
?
AmGm 对
任意,Ax∈ 由于,)( sxfD <
?
故存在0>h使得Gxhx ?? ],[并且
.)()( shhxfxf <?? (6)
所有这样的区间],[ hhx?构成了A的一个Vatali覆盖. 由引理4, 存在有限个互不相交的这
样的区间],,[
iiii
xhxI ?= ,,,1 ni null=使得.)(
1
ε<?
=
?
∪
n
i
i
IAm 令,
1
∪
null
n
i
i
IAB
=
∩= 则
.)()()()(
11
ε+<?+∩≤
?
=
?
=
??
BmIAmIAmAm
n
i
i
n
i
i ∪∪
nullnull
(7)
由(6)式我们有
).)(()())()((
11
ε+<<<??
?
==
∑∑
AmsGmshshxfxf
n
i
i
n
i
iii
(8)
对每个,By∈ 由于,)( ryfD >
+
故存在0>k , 使得区间],[ kyy +包含在某个区间
null
i
I
136
内并且
.)()( rkyfkyf >?+ (9)
所有这样的区间],[ kyy +构成了B的一个Vatali覆盖. 再次应用引理4, 存在有限个互不相
交的这样的区间],,[
iiii
kyyJ += ,,,1 pi null= 使得.)(
1
ε<?
=
?
∪
p
i
i
JBm 利用(7)得
εε +?+∩≤+<
=
?
=
???
)()()()(
11
∪∪
p
i
i
p
i
i
JBmJBmBmAm
.22)(
11
εε +=+≤
∑
==
p
i
i
p
i
i
kJm
∪
因此.2)(
1
ε?>
?
=
∑
Amk
p
i
i
并且由于(9), 我们有
).2)(())()((
11
ε?>>?+
?
==
∑∑
Amrkryfkyf
p
i
i
p
i
iii
(10)
由于f是单调增加的, 并且每个
i
J包含在某个
j
I中, 因此我们有
.))()(())()((
11
∑∑
==
?+≥??
p
i
iii
n
i
iii
yfkyfhxfxf (11)
结合(8),(10)和(11)得到
).)(()2)(( εε +<?
??
AmsAmr
由于0>ε的任意性得到).()( AsmArm
??
≤ 由于,sr > 故必有.0)( =
?
Am 由此得到
.0)(
1
=
?
Em 类似地, 若令},{
2
fDfDE
+
?
>= 则可以证明.0)(
2
=
?
Em 令
,
21
EEE ∪= 则.0)( =
?
Em 在Eba ?),(上, 我们有
.fDfDfDfDfD
+
?
?
+
+
≤≤≤≤
因此在Eba ?),(上(5)成立. 这表明极限
h
xfhxf
xg
h
)()(
lim)(
0
?+
=
→
几乎处处存在(有限或∞± ). 当)(xg有限时, f在x点可导. 令
.1)],()
1
([)( ≥?+= nxf
n
xfnxg
n
(其中定义当bx >时)()( bfxf = ). 则a.e..gg
n
→ 因此g是可测的. 由于f是单调增
加的, 故.0≥
n
g 我们有
137
1
1
11 1
1
[( ) ()]
() .
bb b b
n
n
aa a a
n
ba a
nn n
g dx n f x f x dx n fdx n fdx
n
n fdx n fdx f b n fdx
+
+
++ +
=+?= ?
=?=?
∫∫ ∫∫
∫∫ ∫
因此, 由Fatou引理我们有
1
lim lim( ( ) ) ( ) ( ).
bb a
n
n
aa
nn
gdx g dx f b n fdx f b f a
+
→∞ →∞
≤=?≤?
∫∫ ∫
(12)
这表明g是可积的. 因此g是几乎处处有限的. 于是f几乎处处可导. 由于a.e.gf =′ 故
(12)表明(4)成立.■
若f是定义在],[ ba上的单调减少的实值函数, 对f?应用定理5的结论知道单调减
少的实值函数也是几乎处处可微的.
下面的例子说明在定理5中, 单调函数是几乎处处可导的这一结论, 一般说来是不能
改进的.
下面是关于单调函数的逐项求导定理.
定理6 (Fubini)设),2,1( null=nf
n
是],[ ba上的一列单调增加的函数, 并且函数项级数
∑
∞
=1
)(
n
n
xf在],[ ba上处处收敛于).(xf 则成立
a.e..,)()(
1
∑
∞
=
′=′
n
n
xfxf (13)
证明 不妨设.1,0)( ≥= naf
n
由于)1(, ≥nff
n
都单调增加的, 因此至多除去一个
零测度集E外, )1(, ≥′′ nff
n
都存在. 记
1
() ().
n
ni
i
sx fx
=
=
∑
对每个自然数,1≥n 由于
)()()(
1
xfxsxs
nnn
=?
?
和)()( xsxf
n
?都是单调增加的函数, 故它们的导数都是非负的.
因此有
.),()()(
1
Exxfxsss
nn
∈′≤′≤′
?
因此在E上级数
∑
∞
=
′
1
)(
n
n
xf处处收敛. 由于),()(lim bfbs
n
n
=
∞→
故存在)(bs
n
的子列)(bs
k
n
使得.1,
2
1
)()( ≥<? kbsbf
k
n
k
因此对任意],,[ bax∈ 我们有
.1
2
1
))()(())()((0
111
=<?≤?≤
∑∑∑
∞
=
∞
=
∞
= k
k
k
n
k
n
bsbfxsxf
kk
这表明级数
∑
∞
=
?
1
))()((
k
n
xsxf
k
处处收敛. 注意这个级数的每一项)()( xsxf
k
n
?也是单调
138
增加的函数. 将上面证明的关于级数
∑
∞
=1
)(
n
n
xf的结论用到级数
∑
∞
=
?
1
))()((
k
n
xsxf
k
上来, 即
知级数
∑
∞
=
′?′
1
))()((
k
n
xsxf
k
几乎处处收敛. 由于收敛级数的通项应收敛于0, 因此
a.e..0))()((lim =′?′
∞→
xsxf
k
n
k
即a.e..)()(lim xfxs
k
n
k
′=′
∞→
由此知道a.e..)()(lim xfxs
n
n
′=′
∞→
即(13)成立.■
小 结 本节的主要结果是单调函数的可微性定理.本节的结果表明,单调函数具有一系
列良好的性质.单调函数是L可积的并且几乎处处可微. Vitali覆盖定理不仅是证明单调函数
的可微性定理的基础, 它本身也是一个重要的结果.
习 题 习题五, 第1题—第3题