Дан контрпример: утверждается, что если интеграл ∫_0^1 f(x) dx существует, то f непрерывен почти везде. Проанализируйте корректность и покажите контрпримеры
Нужно уточнить, какой «интеграл» имеется в виду. Ответ разный для Римана и Лебега. 1) Римановский интеграл. Для ограниченной функции на [0,1][0,1][0,1] выполняется критерий Лебега: функция римановски интегрируема тогда и только тогда, когда множество её точек разрыва имеет меру Лебега ноль. Следовательно утверждение «если ∫01f(x) dx\int_0^1 f(x)\,dx∫01f(x)dx (Римана) существует, то fff непрерывна почти везде» — верно. Пример: функция Томы (Thomae) f(x)={1/q,x=p/q в несократимой форме,0,x∉Q,
f(x)=\begin{cases} 1/q,& x=p/q\text{ в несократимой форме},\\ 0,& x\notin\mathbb Q, \end{cases} f(x)={1/q,0,x=p/qвнесократимойформе,x∈/Q,
имеет римановский интеграл, разрывна на множестве рациональных (мера ноль), непрерывна на иррациональных. 2) Лебеговский интеграл. Утверждение ложно. Контрпримеры: - Дирихлева функция (индикатор рационалов): f(x)=1Q∩[0,1](x).
f(x)=\mathbf{1}_{\mathbb Q\cap[0,1]}(x). f(x)=1Q∩[0,1](x).
Рационалы имеют меру ноль, поэтому ∫01f(x) dx=0\int_0^1 f(x)\,dx=0∫01f(x)dx=0 (Лебег). Но fff разрывна в каждой точке: в любой окрестности есть и рационалы, и иррационалы, предел не существует. Значит функция интегрируема (Лебег) и разрывна на множестве полной меры (в данном случае — на всем отрезке). - Индикатор «жирного» канторова множества. Существует замкнутое канторово множество C⊂[0,1]C\subset[0,1]C⊂[0,1] с положительной мерой (fat Cantor set). Тогда f(x)=1C(x)
f(x)=\mathbf{1}_C(x) f(x)=1C(x)
ле-беговски интегрируема (интеграл равен μ(C)>0\mu(C)>0μ(C)>0), но множество точек разрыва содержит границу CCC, а для такого множества граница равна самому CCC, то есть имеет положительную меру; значит fff разрывна на множестве положительной меры. Вывод: если под «существует интеграл» понимается римановский интеграл для ограниченной функции, то утверждение верно; если понимается лебеговский интеграл (или просто «существует ∫01f\int_0^1 f∫01f» без оговорки), утверждение неверно — приведены простые контрпримеры.
1) Римановский интеграл. Для ограниченной функции на [0,1][0,1][0,1] выполняется критерий Лебега: функция римановски интегрируема тогда и только тогда, когда множество её точек разрыва имеет меру Лебега ноль. Следовательно утверждение «если ∫01f(x) dx\int_0^1 f(x)\,dx∫01 f(x)dx (Римана) существует, то fff непрерывна почти везде» — верно. Пример: функция Томы (Thomae)
f(x)={1/q,x=p/q в несократимой форме,0,x∉Q, f(x)=\begin{cases}
1/q,& x=p/q\text{ в несократимой форме},\\
0,& x\notin\mathbb Q,
\end{cases}
f(x)={1/q,0, x=p/q в несократимой форме,x∈/Q, имеет римановский интеграл, разрывна на множестве рациональных (мера ноль), непрерывна на иррациональных.
2) Лебеговский интеграл. Утверждение ложно. Контрпримеры:
- Дирихлева функция (индикатор рационалов):
f(x)=1Q∩[0,1](x). f(x)=\mathbf{1}_{\mathbb Q\cap[0,1]}(x).
f(x)=1Q∩[0,1] (x). Рационалы имеют меру ноль, поэтому ∫01f(x) dx=0\int_0^1 f(x)\,dx=0∫01 f(x)dx=0 (Лебег). Но fff разрывна в каждой точке: в любой окрестности есть и рационалы, и иррационалы, предел не существует. Значит функция интегрируема (Лебег) и разрывна на множестве полной меры (в данном случае — на всем отрезке).
- Индикатор «жирного» канторова множества. Существует замкнутое канторово множество C⊂[0,1]C\subset[0,1]C⊂[0,1] с положительной мерой (fat Cantor set). Тогда
f(x)=1C(x) f(x)=\mathbf{1}_C(x)
f(x)=1C (x) ле-беговски интегрируема (интеграл равен μ(C)>0\mu(C)>0μ(C)>0), но множество точек разрыва содержит границу CCC, а для такого множества граница равна самому CCC, то есть имеет положительную меру; значит fff разрывна на множестве положительной меры.
Вывод: если под «существует интеграл» понимается римановский интеграл для ограниченной функции, то утверждение верно; если понимается лебеговский интеграл (или просто «существует ∫01f\int_0^1 f∫01 f» без оговорки), утверждение неверно — приведены простые контрпримеры.