1 点における振動と不連続点集合
以下ではI=[a,b]とおく。区間の端点でも片側からの連続性を同じ定義で扱うため、点の近傍をIとの共通部分として取る。
定義 1.1.a<bとし、有界関数f:I→Rをとる。空でない集合E⊆Iにおけるfの区間振動 (interval oscillation) を
osc(f;E)=y∈Esupf(y)−y∈Einff(y)によって定める。点x∈Iにおけるfの振動 (pointwise oscillation) を
ωf(x)=r>0infosc(f;I∩(x−r,x+r))によって定める。
ε>0に対して
Dε(f)={x∈I∣ωf(x)≥ε}と書き、fの不連続点全体をD(f)と書く。
点における振動が0であることは、その点における連続性と同値である。この同値性により、不連続点集合を閉集合の可算和として表すことができる。
補題 1.2.a<bとし、有界関数f:I→Rをとる。このとき、次の性質が成り立つ。
- x∈Iに対して、fがxでIに相対的に連続であることとωf(x)=0であることは同値である。
- 任意のε>0に対して、Dε(f)はIの閉集合である。とくに、Dε(f)はコンパクトである。
- 不連続点集合は
D(f)=m=1⋃∞D1/m(f)
と表される。したがって、D(f)は Borel 集合である。
証明.(1)を示す。fがxで連続であると仮定する。任意のη>0に対して、あるr>0が存在し、y∈Iかつ∣y−x∣<rならば
∣f(y)−f(x)∣<2ηが成り立つ。この近傍内の任意の二点y,zに対して∣f(y)−f(z)∣<ηであるから、
osc(f;I∩(x−r,x+r))≤η.η>0は任意であるため、ωf(x)=0である。
反対に、ωf(x)=0と仮定する。任意のη>0に対して、振動の下限の定義から、あるr>0が存在して
osc(f;I∩(x−r,x+r))<ηを満たす。y∈Iかつ∣y−x∣<rならば、xとyは同じ集合I∩(x−r,x+r)に属するため、
∣f(y)−f(x)∣≤osc(f;I∩(x−r,x+r))<η.したがって、fはxで連続である。
(2)を示す。x∈I∖Dε(f)とすると、ωf(x)<εである。したがって、あるr>0が存在して
osc(f;I∩(x−r,x+r))<εを満たす。y∈Iかつ∣y−x∣<r/2とする。
s=2r−∣y−x∣>0とおけば
I∩(y−s,y+s)⊆I∩(x−r,x+r)である。ゆえに、
ωf(y)≤osc(f;I∩(y−s,y+s))<ε.したがって、I∖Dε(f)はIの相対位相で開いており、Dε(f)はIの閉集合である。Iはコンパクトであるため、Dε(f)もコンパクトである。
(3)を示す。(1)から、
D(f)={x∈I∣ωf(x)>0}である。正の実数ωf(x)に対して1/m≤ωf(x)を満たす正の整数mが存在する。したがって、
{x∈I∣ωf(x)>0}=m=1⋃∞{x∈I∣ωf(x)≥1/m}.各集合D1/m(f)は閉集合であるから、D(f)は Borel 集合である。▨
区間の端点と分割点を後の被覆評価から落とさないため、一次元 Lebesgue 測度の基本的な値を確認する。
補題 1.3. 従属選択公理を仮定する。実数u<vに対して
λ([u,v])=v−uである。また、実数の有限集合は Lebesgue 外測度0をもつ。
証明.§E9.4 定理 3.4によりλ((u,v])=v−uである。任意のδ>0に対して一点集合{u}は半開区間(u−δ,u]に含まれるため、§E9.4 定義 3.1から
0≤λ∗({u})≤δである。δ>0は任意であるから、λ({u})=0である。したがって、互いに交わらない和
[u,v]={u}⊔(u,v]からλ([u,v])=v−uを得る。有限集合の外測度が0であることは、一点集合に対する結果と外測度の有限劣加法性から従う。▨
2 Lebesgue の Riemann 可積分判定条件
分割
P:a=x0<x1<⋯<xn=b
に対してJi=[xi−1,xi]とおく。各小区間の振動を
αi=osc(f;Ji)
と書けば、Darboux 上和と下和の差は各小区間の振動を長さで重み付けした和になる。
補題 2.1.a<bとし、有界関数f:I→RとIの分割Pをとる。このとき、
U(f,P)−L(f,P)=i=1∑nαi(xi−xi−1)が成り立つ。
証明.Mi=supJifおよびmi=infJifとおくと、αi=Mi−miである。Darboux 上和と下和の定義から、
U(f,P)−L(f,P)=i=1∑n(Mi−mi)(xi−xi−1)=i=1∑nαi(xi−xi−1)を得る。▨
定理 2.2 (Lebesgue の Riemann 可積分判定条件). 従属選択公理を仮定する。a<bとし、有界関数f:[a,b]→Rをとる。このとき、次の二条件は同値である。
- fは[a,b]上で Riemann 可積分である。
- 不連続点集合D(f)は Lebesgue 測度0をもつ。
証明.(1)⇒(2)を示す。第一の条件を仮定する。ε>0を固定し、Dε(f)の Lebesgue 外測度が0であることを示す。任意のη>0に対して、§D1.17 定理 2.4により、ある分割
P:a=x0<x1<⋯<xn=bが存在して
U(f,P)−L(f,P)<εηを満たす。Ji=[xi−1,xi]とし、
B={i∈{1,…,n}∣(xi−1,xi)∩Dε(f)=∅}とおく。
i∈Bならば、あるx∈(xi−1,xi)∩Dε(f)が存在する。十分小さいr>0に対して
I∩(x−r,x+r)⊆Jiであるため、
αi=osc(f;Ji)≥ωf(x)≥ε.したがって、補題 2.1から
εi∈B∑(xi−xi−1)≤U(f,P)−L(f,P)<εηを得る。ゆえに、
i∈B∑(xi−xi−1)<η.Dε(f)のうち、分割点でない点は、あるi∈Bに対するJiに属する。したがって、
Dε(f)⊆{x0,…,xn}∪i∈B⋃Ji.補題 1.3と外測度の有限劣加法性から、
λ∗(Dε(f))≤i∈B∑(xi−xi−1)<η.η>0は任意であるため、λ∗(Dε(f))=0である。補題 1.2から
D(f)=m=1⋃∞D1/m(f)である。Lebesgue 外測度の可算劣加法性によりλ(D(f))=0を得る。
(2)⇒(1)を示す。第二の条件を仮定する。任意のη>0に対してU(f,P)−L(f,P)<ηを満たす分割Pを構成する。∣f(x)∣≤Mがすべてのx∈Iについて成り立つようにM≥0をとる。M=0ならばf=0であり、任意の分割について Darboux 上和と下和がともに0になる。以下ではM>0と仮定し、
γ=2(b−a)ηとおく。
補題 1.2によりDγ(f)⊆D(f)であるからλ(Dγ(f))=0である。§E9.4 定理 6.2により、Dγ(f)⊆Gを満たす実数直線上の開集合Gで
λ(G)<4Mηとなるものが存在する。
次のIの相対開集合族をとる。
U={G∩I}∪{V⊆I∣V=∅, V は I の相対開集合であり、osc(f;V)<γ}.x∈I∖Gならばx∈/Dγ(f)である。したがって、あるr>0に対してV=I∩(x−r,x+r)はx∈Vとosc(f;V)<γを満たす。G∩I∈Uであり、前段によりI∖Gの各点もUのいずれかの元に属するため、UはIの開被覆である。
従属選択公理は§E1.20 定理 4.6により可算選択公理を含む。また、§E2.9 定理 3.1により、コンパクト距離空間Iは点列コンパクトである。したがって、可算選択公理を仮定する§E2.9 補題 2.3をIに適用することができ、開被覆Uは正の
Lebesgue 数δをもつ。幅がすべてδ未満である分割
P:a=t0<t1<⋯<tN=bをとり、Ji=[ti−1,ti]とおく。各Jiは直径がδ未満であるため、開被覆Uの少なくとも一つの集合に含まれる。
B={i∈{1,…,N}∣Ji⊆G}とおく。i∈/BならばJiはGに含まれないため、Jiを含むUの元はG∩Iではない。したがって、
osc(f;Ji)<γ(i∈/B).一方、∣f∣≤Mから
osc(f;Ji)≤2M(i∈B)である。
半開区間(ti−1,ti]はiについて互いに交わらず、i∈Bならば(ti−1,ti]⊆Gである。補題 1.3と測度の可算加法性および単調性から、
i∈B∑(ti−ti−1)=λ(i∈B⋃(ti−1,ti])≤λ(G).ゆえに、補題 2.1から
U(f,P)−L(f,P)=i∈/B∑osc(f;Ji)(ti−ti−1)+i∈B∑osc(f;Ji)(ti−ti−1)<γ(b−a)+2Mλ(G)<2η+2η=η.§D1.17 定理 2.4により、fは Riemann 可積分である。▨
3 Dirichlet 関数による比較
例 3.1 (Dirichlet 関数の Lebesgue 積分). 従属選択公理を仮定する。関数D:[0,1]→Rを
D=1Q∩[0,1]によって定める。この関数は Riemann 可積分ではないが、完備 Lebesgue 測度に関して可測かつ可積分であり、
∫[0,1]Ddλ=0である。
証明. Riemann 非可積分性は§D1.18 例 3.1で Darboux 上和と下和を用いて証明されている。
§E1.18 定理 4.1 (2)によりQ∩[0,1]は高々可算である。一点集合は Borel 集合であり、その
Lebesgue 測度は補題 1.3により0である。したがってQ∩[0,1]は一点集合の可算和として Borel 集合であり、測度の可算劣加法性§E9.2 命題 2.1により
λ(Q∩[0,1])=0である。したがってQ∩[0,1]は Lebesgue 可測な零集合であり、§E9.6 例 4.3からDは非負可測関数で、その積分は0である。とくに∫[0,1]∣D∣dλ=0<∞であるから、Dは Lebesgue 可積分である。▨
4 Riemann 可積分関数の Lebesgue 可測性
判定条件からD(f)が零集合であることを得ても、fの零集合上の値が Borel 可測であるとは限らない。完備 Lebesgue 測度は、Borel 零集合の任意の部分集合を可測集合として含むため、この問題を処理することができる。
命題 4.1. 従属選択公理を仮定する。a<bとし、有界関数f:[a,b]→Rが
Riemann 可積分であると仮定する。このとき、fは完備 Lebesgue 測度に関して可測であり、Lebesgue 可積分である。
証明.定理 2.2により、D=D(f)は Borel 零集合である。C=I∖Dとおく。補題 1.2により、fはCの各点でIに相対的に連続である。したがって、制限写像
f∣C:C⟶Rは連続である。
O⊆Rを任意の開集合とする。(f∣C)−1(O)はCの相対位相で開いているため、あるIの相対開集合Uが存在して
(f∣C)−1(O)=C∩Uを満たす。集合C∩UはIの Borel 集合である。一方、
D∩f−1(O)⊆Dである。§E9.4 定理 4.2により、Borel 零集合Dの任意の部分集合は
Lebesgue 可測である。とくに、D∩f−1(O)は、その集合が Borel 集合であるかどうかにかかわらず Lebesgue 可測である。したがって、
f−1(O)=(C∩U)∪(D∩f−1(O))は Lebesgue 可測である。実数直線の Borel 集合族は開集合から生成されるため、fは可測である。
∣f∣≤Mを満たす有限なM≥0をとる。∣f∣と定数関数Mは非負可測関数であり、§E9.6 命題 2.2から
∫I∣f∣dλ≤∫IMdλ=Mλ(I)=M(b−a)<∞.§E9.6 定義 3.1により、fは Lebesgue 可積分である。▨
5 二つの積分値の一致
命題 5.1. 従属選択公理を仮定する。a<bとし、有界関数f:[a,b]→Rが
Riemann 可積分であると仮定する。IRをfの Riemann 積分値とする。このとき、
∫Ifdλ=IRが成り立つ。
証明.命題 4.1により、fは Lebesgue 可積分である。任意のε>0に対して、§D1.17 定理 2.4によりU(f,P)−L(f,P)<εを満たす分割
a=t0<t1<⋯<tn=bをとる。
Ji=[ti−1,ti],mi=Jiinff,Mi=Jisupfとおく。互いに交わらない Borel 集合
E1=[t0,t1],Ei=(ti−1,ti](2≤i≤n)はIを分割する。可積分な実数値単関数
ℓ=i=1∑nmi1Ei,u=i=1∑nMi1Eiを定めると、ℓ≤f≤uである。各Eiの測度はti−ti−1であるから、単関数の積分と正負部分による積分の定義から
∫Iℓdλ=L(f,P),∫Iudλ=U(f,P)を得る。§E9.6 命題 3.3により、
L(f,P)≤∫Ifdλ≤U(f,P).Riemann 積分値もL(f,P)≤IR≤U(f,P)を満たすため、
∫Ifdλ−IR≤U(f,P)−L(f,P)<ε.ε>0は任意であるから、∫Ifdλ=IRである。▨
前二命題をまとめると、既存の比較定理を完全な形で得る。
系 5.2. 従属選択公理を仮定する。a<bとし、有界関数f:[a,b]→Rが
Riemann 可積分であると仮定する。このとき、fは完備 Lebesgue 測度に関して可測かつ可積分であり、
∫[a,b]fdλ=∫abf(x)dxが成り立つ。
6 条件収束する広義 Riemann 積分との違い
有限閉区間上では系 5.2が二つの積分を結び付ける。一方、半直線上の
Lebesgue 可積分性は、有限区間上の積分値が極限をもつことだけではなく、絶対値の積分が有限であることを要求する。
命題 6.1. 従属選択公理を仮定する。関数
h(x)=⎩⎨⎧xsinx,1,x>0,x=0(x∈[0,∞))をとる。このとき、
∫0∞h(x)dxは広義 Riemann 積分として収束する。一方、
∫[0,∞)∣h∣dλ=∞.したがって、この広義 Riemann 積分は条件収束し、hは[0,∞)上で
Lebesgue 可積分でない。
証明.§B1.12 定理 2.1により
x→0limxsinx=1であるから、hは[0,1]上で連続である。したがって、§D1.17 定理 2.5と系 5.2により
∫01h(x)dx=∫[0,1]hdλ∈Rである。また、
∫1∞xsinxdxが広義 Riemann 積分として収束することは§D1.20 例 4.1で証明されている。R>1に対して
∫0Rh(x)dx=∫01h(x)dx+∫1Rxsinxdxであるため、R→∞とすると
∫0∞h(x)dx=∫01h(x)dx+∫1∞xsinxdxが収束する。
X=[0,∞)とし、各正の整数nに対してgn=∣h∣1[0,n]とおく。関数gnはX上の非負可測関数であり、gn↑∣h∣が各点で成り立つ。§E9.7 定理 1.1と、連続関数∣h∣に対する系 5.2により、
∫X∣h∣dλ=n→∞lim∫Xgndλ=n→∞lim∫0n∣h(x)∣dx.∫01∣h(x)∣dxは有限であり、§D1.20 例 4.1により∫1∞∣sinx∣/xdx=∞である。したがって、∫X∣h∣dλ=∞であり、hは Lebesgue 可積分でない。広義 Riemann 積分は収束する一方、絶対値の広義積分は発散するため、∫0∞h(x)dxは条件収束する。▨
同じ式によってhを実数直線全体へ連続に延長しても、[1,∞)上の絶対値の積分は変わらない。したがって、この連続延長も実数直線上で Lebesgue 可積分でない。
7 演習
問題 7.1.
- 補題 1.2の証明を用いずに、点列によってDε(f)が閉集合であることを証明せよ。区間の端点では相対位相を用いることを明示せよ。
- 定理 2.2の必要条件の証明で、分割点を被覆へ加えなければならない理由を説明せよ。さらに、Darboux 和の差からDε(f)の外測度が0になる評価を再構成せよ。
- 定理 2.2の十分条件の証明で、零集合Dγ(f)、開集合G、振動がγ未満である相対開集合、および Lebesgue 数が担う役割を説明し、U(f,P)−L(f,P)<ηを導け。この証明にDγ(f)のコンパクト性が必要かどうかも答えよ。
- 命題 4.1の証明で、完備 Lebesgue 測度が必要になる集合を特定せよ。
Borel 集合族の閉性だけでは、その集合の可測性を証明することができない理由を説明せよ。
解答.
- xn∈Dε(f)かつxn→x∈Iとする。任意のr>0に対して、あるnは∣xn−x∣<r/2を満たす。相対開集合
I∩(xn−r/2,xn+r/2)⊆I∩(x−r,x+r)
を得る。ωf(xn)≥εであるから、左辺における振動はε以上である。したがって右辺における振動もε以上である。これはすべてのr>0について成り立つため、ωf(x)≥ε、すなわちx∈Dε(f)である。ここではすべての近傍をIとの共通部分として取り、端点における収束もIの相対位相で扱っている。したがって、Dε(f)は収束列の極限を含み、Iの閉集合である。
- 分割点xiにおける振動がε以上であっても、左右の開小区間の一方だけにおける振動がε以上になるとは限らない。したがって、内部でDε(f)と交わる小区間だけでは分割点を覆い切れない。主証明の集合Bに対して
εi∈B∑(xi−xi−1)≤U(f,P)−L(f,P)<εη
であるから、Bに属する小区間の全長はη未満である。これらの小区間に有限集合{x0,…,xn}を加えるとDε(f)を覆う。有限集合の外測度は0であるため、λ∗(Dε(f))<ηを得る。η>0は任意であるから外測度は0である。
- Dγ(f)が零集合であることにより、これを含み、測度がη/(4M)未満である開集合Gを取ることができる。I∖Gの各点は、振動がγ未満である相対開近傍に属する。そこでG∩Iと、振動がγ未満であるすべての相対開集合を合わせるとIの開被覆になる。Lebesgue 数より細かい分割を取れば、各小区間はGに含まれるか、振動がγ未満である被覆要素に含まれる。前者の小区間の全長はλ(G)以下であり、後者の全長はb−a以下であるから、
U(f,P)−L(f,P)<2Mλ(G)+γ(b−a)<2η+2η=η.
この開被覆を直接用いる証明では、Dγ(f)のコンパクト性を使わない。
- 完備性を適用する集合はD(f)∩f−1(O)である。ここでO⊆Rは任意の開集合である。定理 2.2と補題 1.2はD(f)が Borel 零集合であることを与えるが、fのD(f)上の値を制限しない。したがってf−1(O)の Borel 可測性も、D(f)∩f−1(O)の Borel 可測性も、この時点では得られていない。Borel 集合族の閉性は、すでに
Borel 集合である集合どうしの演算にしか適用することができない。完備化の性質により、D(f)∩f−1(O)⊆D(f)から同集合の Lebesgue 可測性を得る。
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