5.5.1 基本性质
Section titled “5.5.1 基本性质”单调函数是数学分析中除连续函数类之外的又一类重要函数。本小节列出关于单调函数的主要结果。
首先,从单调函数的单侧极限存在定理 (命题 4.2.2 ) 可以知道:
单调函数的间断点是跳跃点,即在该处有两个不等的单侧极限.
证明
不妨只讨论 f 是 (a, b) 上的单调增加函数的情况.设 x₀ ∈ (a, b) 是 f 的间断点,任取 x₀ 两侧的点 x, x' (x < x₀ < x'),则成立
f (x) ≤slant f (x _ 0) ≤slant f (x ^ prime). (5.4)令 x → x₀⁻ , x' → x₀⁺,应用单调函数的单侧极限存在定理,得到
f (x _ 0 ^ -) ≤slant f (x _ 0) ≤slant f (x _ 0 ^ +),并且其中的两个单侧极限都是有限数.因此 x₀ 是第一类间断点.
由于 x₀ 是间断点,因此在上面的两个不等号 ≤slant 不可能同时成为等号.这样就只能有严格的不等式
f (x _ 0 ^ -) < f (x _ 0 ^ +),因此 x₀ 是第一类间断点中的跳跃点.
单调函数的间断点至多为可列个.
证明
不妨只讨论 f 是开区间 (a, b) 上的单调增加函数,且有无限多个间断点.
若 x₀ ∈ (a, b) 是 f 的一个间断点,则有 f(x₀⁻) < f(x₀⁺) 。这时 f 在点 x₀ 的函数值满足不等式 f(x₀⁻) ≤slant f(x₀) ≤slant f(x₀⁺) 。称 (f(x₀⁻), f(x₀⁺)) 为与间断点 x₀ 对应的一个跳跃区间。
对 f 的每一个间断点都可以得到一个跳跃区间.我们要证明,任何两个不同的间断点所对应的跳跃区间必不相交.
设 x₁ 是 f 的另一个间断点,且 x₀ < x₁.我们要建立
(f (x _ 0 ^ -), f (x _ 0 ^ +)) ∩ (f (x _ 1 ^ -), f (x _ 1 ^ +)) = ∅ . (5.5)为此在 x₀ 和 x₁ 之间插入 x, x' 如下:
x _ 0 < x < x ^ prime < x _ 1,则有不等式
f (x) ≤slant f (x ^ prime).固定 x',令 x → x₀⁺,由单调函数的单侧极限存在定理和函数极限的比较定理,得到
f (x _ 0 ^ +) ≤slant f (x ^ prime).再令 x^(prime)→ x₁⁻ ,又得到
f (x _ 0 ^ +) ≤slant f (x _ 1 ^ -).于是得到
f (x _ 0 ^ -) < f (x _ 0 ^ +) ≤slant f (x _ 1 ^ -) < f (x _ 1 ^ +).即所要证明的 (5.5).
这样就得到与无限多个间断点一一对应的跳跃区间,且两两不交.又在每个跳跃区间中取一个有理数,从而得到一个有理数集,它与跳跃区间全体形成一一对应.由于有理数集 Q 为可列集,它的无限子集也是可列集,因此跳跃区间集合为可列集.这就证明了单调函数如有无限个间断点,则必为可列个.
设 f 是区间 I 上的单调函数,其值域 f(I) 为区间的充分必要条件是 f ∈ C(I) .
证明
先证充分性.若 f ∈ C(I),则 f(I) 为区间.这就是前面已得到的介值定理.这里不需要单调性条件.
再证必要性.不妨设 f 单调增加,已知 f(I) 为区间.要证明 f 处处连续.这里用反证法.若 f 有间断点 x₀,在它的两侧任取两点 x 和 x',则与前面的公式 (5.4) 一样可以得到
f (x) ≤slant f (x _ 0 ^ -) ≤slant f (x _ 0) ≤slant f (x _ 0 ^ +) ≤slant f (x ^ prime).由于 x₀ 是 f 的间断点,所以有 f(x₀⁻) < f(x₀⁺) 成立.以上不等式对于小于 x₀ 的所有 x 和大于 x₀ 的所有 x' 成立.这样一来在非空开区间 (f(x₀⁻), f(x₀⁺)) 中至多只可能有一个点 f(x₀) 在值域 f(I) 中,可见 f(I) 不可能是区间.这个矛盾表明 f 不能有间断点.
设 f 是区间 I 上的严格单调连续函数,则 f 的反函数是值域 f(I) 上的严格单调连续函数,且具有与 f 相同的单调性.
证明
不妨只讨论 f 为区间 I 上的严格单调增加连续函数的情况。由于 f ∈ C(I) ,所以 f(I) 是区间。由于 f 严格单调增加,从 x₁ < x₂ 就有 f(x₁) < f(x₂) ,因此从 I 到 f(I) 的对应是一对一的。这就保证了从 f(I) 到 I 的逆映射存在,即 f 有反函数,记为 f⁻1 。反函数的定义域为区间 f(I) ,值域为 f 的定义域 I 。
若记映射 f 为 y = f(x), x ∈ I,则记其逆映射 f⁻1 为 x = f⁻1(y), y ∈ f(I) .
现证 f⁻1 也是严格单调增加函数.设有 y₁, y₂ ∈ f(I),且 y₁ < y₂.则有
x _ 1 = f ^ - 1 (y _ 1), x _ 2 = f ^ - 1 (y _ 2).它们是由
y _ 1 = f (x _ 1), y _ 2 = f (x _ 2)确定的.由于 f 严格单调增加,可见当 y₁ < y₂ 时 x₁ = x₂ 和 x₁ > x₂ 都不能成立,因此只有 x₁ < x₂ 是可能的.这已表明 f⁻1 严格单调增加.
由于 f⁻1 是区间 f(I) 上的单调函数,而值域 I 是区间,因此从上一个命题知道 f⁻1 是连续函数.
直接用命题 5.5.4 即可得到如下结论:
反三角函数 arcsin x , arccos x , arctan x , operatornamearccot x 都是严格单调的连续函数.
在 3.4.5 小节的练习题 7 中出现 Kepler 方程.若将这个方程 x - qsin x = a(0 < q < 1) 中的 a 看成变量,改记为 y, 则有以下结论:
证明
由 Kepler 方程 y = x - qsin x (0 < q < 1) 可以唯一地确定函数 x = f(y) ,而且它是定义在 (- ∞, + ∞) 上的严格单调增加连续函数.
从 y = x - qsin x 知道它是定义在 (- ∞, + ∞) 上的连续函数。由于 |sin x| ≤slant 1 ,可见值域也是 (- ∞, + ∞) 。为研究单调性,设 x₁ < x₂ ,则有
y _ 1 - y _ 2 = (x _ 1 - q sin x _ 1) - (x _ 2 - q sin x _ 2) = (x _ 1 - x _ 2) - q (sin x _ 1 - sin x _ 2).由于不等式 |sin x| ≤slant |x|,从
| sin x _ 1 - sin x _ 2 | = 2 | sin frac x _ 1 - x _ 22 | · | cos frac x _ 1 + x _ 22 | ≤slant | x _ 1 - x _ 2 |和 0 < q < 1 ,可知
| q (sin x _ 1 - sin x _ 2) | < | x _ 1 - x _ 2 |,因此 y₁ - y₂ 与 x₁ - x₂ 同号.这就表明 y = x - qsin x 是严格单调增加函数.用前面的命题 5.5.4 即得所要的结论.
与单调函数类密切有关的是有界变差函数类.有界变差函数可定义为两个单调增加函数之差.它在数学的许多领域中起重要作用.由于篇幅所限,本书不介绍有界变差函数,有需要的读者可参考 [14] 的第三卷第 15 章第 4 节.
5.5.2 练习题
Section titled “5.5.2 练习题”-
设函数 f 在开区间 (a, b) 上定义,且对每一个点 x ∈ (a, b),存在邻域 O(x),使得 f 在 O(x) 上单调增加,证明: f 在 (a, b) 上单调增加.
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设 f ∈ C[a, b],且对 [a, b] 内的任意两个有理数 r₁, r₂ (r₁ < r₂),成立 f(r₁) ≤slant f(r₂),证明: 函数 f 在 [a, b] 上单调增加.
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设 f 是 (- ∞, + ∞) 上的单调函数,在每一点定义 g(x) = f(x⁺),证明: g 是在 (- ∞, + ∞) 上处处右连续的函数.
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设 f 为 (∞, +∞) 上的单调函数,且对一切 x, y ∈ R 满足 f(x + y) = f(x) + f(y).证明: f(x) = f(1)x .