如何構造乙個嚴格單調上公升的且導函式幾乎處處為零的,不妨考慮在 0,1 上?

時間 2021-05-31 20:16:24

1樓:Takuya

用閉區間套定理證明首要取閉區間[x1,y1]=[a,b], 由題意滿意f(x1)>x1且f(y1)(a b)/2,則取[x2,y2]=[(a b)/2,b]

總歸,取[x2,y2]滿意[x2,y2]是[a,(a b)/2]和[(a b)/2,b]中的乙個,f(x2)>x2,f(y2)(xk yk)/2,則取[x(k 1),y(k 1)]=[(xk yk)/2,yk]

總歸,取[x(k 1),y(k 1)]滿意[x(k 1),y(k 1)]是[xk,(xk yk)/2]和[(xk yk)/2,yk]中的乙個,f(x(k 1))>x(k 1),f(y(k 1))

依據這個思路,咱們可以取出一列閉區間[x1,y1], [x2,y2]…[xn,yn]滿意

(1) [x(n 1),y(n 1)]是[xn,yn]的子集

(2) Lim(yn-xn)=lim(b-a)/2^(n-1)=0

故依據閉區間套定理,存在僅有實數c使得對恣意正整數n,xn≤c≤yn

而依據結構程序可知 xn

綜合xn≤c≤yn,xn

從而對恣意正整數n,xn≤f(c) ≤yn.但滿意xn≤c≤yn的常數c只有乙個,故f(c)=c,證畢說說我的理解吧,首要咱們知道有「處處接連但處處不可導」的函式,這個Weierstrass已近結構出來了,假設模仿Weierstrass的結構方式,打算從函式項級數的視點結構「處處可導但導數處處不接連」的比如的話是不可行的,由於假設存在的話,那麼依據函式項級數的逐項求導定理,要求各項求導後的級數共同收斂於右邊的導函式,既然共同收斂的話,再依據函式項級數的接連性定理,知道這個右邊的導函式是接連的。

進一步我考慮的是Riemann函式,雖然這個函式處處不接連,但它是Riemann可積的,並且積分後的函式是接連的,但問題是原函式不接連的話積分就不可微了,所以也不可,更不用說用dirichlet函式來結構了。

我猜想乙個結論是:存在函式在R上處處可導,但導數在R中某個部分不稠密的至多可列子集上不接連,也就是說導函式不接連的點是至多可列並且是離散散布的。這個應該可以做到,只需將你說的那個比如做潤滑延拓就可以了。

可是我現在還沒想到嚴厲的證明方法說明「處處可導但導數處處不接連」的函式不存在。我覺得難點就在於,左右導數和左右極限的彼此轉化上。

假如你有證明或許結構出反例的話,也請奉告!

回覆樓主:

首要要指明你的乙個小錯誤,那就是康拓階梯函式在整個界說域上是接連函式,不能說它在康托集上是不接連的!由於咱們這兒的函式都是界說在實數域上的,接連性自身首要要求自變數的完整性,稠密甚至具有接連統的勢都是不夠的,並且康拓集不包括任何乙個小鄰域。除非你在康托集上界說拓撲,然後只在它上面界說函式,可是這與原問題就沒有關係了。

別的,我以為考慮康拓階梯函式也是不可行的,由於除了函式是界說在整個區間上,康拓集自身仍是乙個勒貝格零測集,僅僅稠密且具有接連統的勢。這個函式的含義主要是找到了乙個單調接連可是不滿意牛頓-萊布尼茨公式的方式的乙個比如,並且那個積分仍是勒貝格積分,也就是說是在簡直處處含義下的。

從考慮riemann函式那裡我就發現假如用積分結構函式的話是很難成功的,首要不能牽扯簡直處處這種概念,所以只能用riemann積分處理,可是riemann積分假如可微的話前提是原函式接連,所以。。。

我仍是覺得這種函式不存在,證明的要害就是收斂的某種共同性特徵,或許可以考慮下運用等度接連這種概念。

祝你可以研究出成果!

2樓:L'Analyse

說乙個只要學過數學分析就能明白的例子吧。

函式f(x)=Σ(n=1~∞)[nx]/2^n

(為方便起見令x>0,事實上在R上具有同樣的性質),

其中是取整記號(這句話我不想再說第n^n+1次了,我相信大家都認識這個符號…)

這個函式嚴格單調遞增,在有理點處不連續,無理點處連續,而只在無理數處可導,且導數為0.

首先,容易知道這是乙個在(0,+∞)內閉一致收斂的函式項無窮級數.

證明嚴格單增是非常容易想到的.

任取x1,x2,x1>x2,總能找到乙個N,使得n>N時有n(x1-x2)>1,於是就有[nx1]-[nx2]>=1.於是乎f(x1)-f(x2)>=Σ(n=N+1~∞)([nx1]-[nx2])/2^n >0也即是f(x)嚴格單增

在無理數處的連續性也比較容易想到證明,只要注意到對所有n,[nx]在無理數處連續即可.

設無理數s,

對任意的ε>0,總存在N(又來了……),n>N時有Σ(k=n~∞)[kx]/2^k<ε/2在s的某鄰域內一致成立.

再來考慮Σ(k=1~N)[kx]/2^k. 這是乙個有限項的和式(敲黑板),並且注意,在s的鄰域內,[x],[2x],[3x]……[Nx]的間斷點只有有限個,即分母為1,2,3……N的有理數. 再加之s是無理數,那麼,在這個鄰域內我們一定能取乙個足夠小的鄰域,使在這個鄰域內[x],[2x],……[Nx]都是常函式.

我們接下來就把δ取作這個鄰域的半徑,於是當0<|x-s|<δ時,|f(x)-f(s)|<=Σ(n=1~N)|[nx]-[ns]|/2^n+Σ(n=N+1~∞)[nx]/2^n+Σ(n=N+1~∞)[ns]/2^n<ε/2+ε/2=ε.

這也就是說,f(x)在s處連續.

再說說為什麼f在有理數處不連續.我們設有理數的最簡形式為p/q,那麼[nx]只有當n是q的倍數時,才在x=p/q處發生跳變,對其他的n,[nx]在p/q處是連續的.

因此我們把和式Σ(n=1~∞)[nx]/2^n分拆成兩段,分別記為Σ1和Σ2, 其中Σ1是對全體n=kq求和,Σ2則是其他項的和. 對於Σ2, 我們可以仿照剛剛證明無理數處的連續性來證明它在p/q是連續的. 因此我們只需要證Σ1是不連續的,而這也很容易證明.

在p/q的某個鄰域內,對xp/q, 都有[kqx]>=kp. 這樣一來,在p/q兩側的函式值總是要相差超過Σ(k=1~∞)1/2^(kq), 這是乙個正的常數. 也就是說Σ1在p/q不可能連續.

這說明f在有理數處的確是不連續的.

最後來看一看可導性的證明,並且為什麼在無理數處導數為0. 在有理數處,根據名人名言「可導必連續,連續不一定可導」,顯然f是不可導的.

然而我突然發現,「無理數處導數為0」的結論的證明似乎略超出了《數學分析》的範疇,涉及到無理數的小數部分一致分布的事實,不過這個事實很容易讓人接受,那就是對於無理數s,數列}即在[0,1)的分布是均勻的.

3樓:dhchen

下面的回答算是對@網主的補充,在他/她的回答中那個函式是幾乎處處可導的,乙個自然的問題是處處可導會如何?

第一,有乙個非常奇異的函式叫 Pompeiu's function (Pompeiu derivative),在以下的回答中提到過

dhchen:有哪些讓人眼前一亮的函式?

這個函式是處處可導的,而且其導數的0點是稠密。這個函式的導數不可能是 意義下處處為0的,理由如下:

第二,根據rudin實分析定理7.21可知,如果乙個函式是處處可導而且其導數是L^1可積,那麼這個函式是絕對連續,換句話說 ,這個情況下,如果 那麼 換句話說,這個函式不是乙個嚴格單調遞增的。

把我這個答案和 @網主 的回答一結合可以說對是對這類問題的乙個完整回答。

ps: 回頭一看,這居然是我在知乎上的第一千個回答。

4樓:網主

我們將有理數 寫成一數列,

令 這是乙個著名的函式例子,它嚴格遞增,且恰好在有理點處間斷。根據實變裡熟知的結論,這個函式幾乎處處可導。

這裡,我們證明這個函式另外乙個性質,它的導數幾乎處處為零。

對於正有理數 ,我們令

於是有,

再令 ,易知 是零測集。

現在只需要說明,對任意 , 在 處都是導數等於零的。

於是,根據 的定義, 等價於

存在正有理數 ,對任意正整數 ,有:

於是有:

(注意,是恒等變形,這一步)

這說明 的時候, ,即是說

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