§2 The Riemann-Stieltjes Integral (iii) · 리만-스틸체스 적분 (iii)
단위계단함수 $I$는 다음과 같이 정의된다.
임의의 $s \in \mathbb{R}$에 대해 자명하게
이고, 모든 $a \le b$에 대해
이다. 더 일반적으로, 임의의 집합 $A$에 대해 지시함수 $I_A(x)$를 다음과 같이 정의한다.
특히
The unit step function $I$ is defined by
Obviously, for any $s \in \mathbb{R}$,
and for all $a \le b$,
More generally, for any set $A$, we define the indicator function $I_A(x)$ as
In particular,
$a \lt s \lt b$이고 $f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이며 $\alpha(x) = I(x - s)$라 하자. $f$가 $s$에서 연속이라 가정하자. 그러면
모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해
이라 두고
이라 하자. 그러면 $P_n$은 $[a, b]$의 분할이다. $s \in (a, b)$이므로, 각 $n \in \mathbb{N}$에 대해
을 만족하는 $k \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다. 따라서 각 $n$에 대해
이 모든 $i \in \{1, \ldots, n\} \setminus \{k\}$에 대해 성립하고,
이며
이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면 $f$가 $s$에서 연속이므로,
이 모든 $x \in (s - \delta, s + \delta)$에 대해 성립하도록 하는 $\delta > 0$이 존재한다. 다음을 만족하도록 충분히 큰 $n_0 \in \mathbb{N}$을 택하자.
이 $n_0$에 대해
를 만족하는 $k_0 \in \{1, \ldots, n_0\}$이 존재함을 상기하자. $x_{k_0}^{n_0} - x_{k_0-1}^{n_0} = \frac{b-a}{n_0} \lt \delta$이므로,
이다. 따라서 모든 $x, y \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]$에 대해 (2.46)과 삼각부등식을 적용하면,
특히
이며
이다. 그러므로 (2.45)에 의해
이며, 이는 $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능함을 뜻한다. (2.43), (2.44), (2.47), (2.48)을 적용하면,
이고
이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로,
Let $a \lt s \lt b$, $f$ be a bounded function on $[a, b]$, and $\alpha(x) = I(x - s)$. Assume that $f$ is continuous at $s$. Then
For all $n \in \mathbb{N}$, set
and
Then $P_n$ is a partition of $[a, b]$. Since $s \in (a, b)$, for each $n \in \mathbb{N}$, there exists a $k \in \{1, \ldots, n\}$ such that
Thus for each $n$, we have
for all $i \in \{1, \ldots, n\} \setminus \{k\}$, and
and
Let $\varepsilon > 0$ be given. Then since $f$ is continuous at $s$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $x \in (s - \delta, s + \delta)$. Take $n_0 \in \mathbb{N}$ large enough so that
Recall that for this $n_0$, there exists a $k_0 \in \{1, \ldots, n_0\}$ such that
Since $x_{k_0}^{n_0} - x_{k_0-1}^{n_0} = \frac{b-a}{n_0} \lt \delta$, we have
Thus applying (2.46) and the triangle inequality for all $x, y \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]$,
In particular,
and
Therefore by (2.45),
which implies that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Applying (2.43), (2.44), (2.47), and (2.48), we have
and
Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, we have
$a_n$과 $b_n$을 $\mathbb{R}$의 수열이라 하자.
이고 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴한다고 가정하자. 급수 $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$이 절대수렴함을, 즉 수열 $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$이 $k \to \infty$일 때 실수로 수렴함을 증명하라.
$A := \sum_{n=1}^{\infty} a_n \in \mathbb{R}$이라 하자. 각 $k \in \mathbb{N}$에 대해
이라 두자. 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해 $|b_n| \ge 0$이므로,
즉 수열 $\{S_k\}$는 단조증가한다. 더욱이 $|b_n| \le a_n$이고 $a_n \ge 0$이므로, $T_k$ 역시 단조증가하며 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴하여 $T_k \le A$이다. 따라서 각 $k \in \mathbb{N}$에 대해
이다. 즉 $\{S_k\}$는 위로 유계이고, 집합 $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$은 공집합이 아니며 $A$를 상계로 가진다. 따라서 주의 1.49에 의해
가 $\mathbb{R}$에서 존재하고, 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해
를 만족하는 $K \in \mathbb{N}$이 존재한다.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 위와 같이 $K \in \mathbb{N}$을 택하자. $\{S_k\}$가 단조증가하므로, 모든 $k \ge K$에 대해
이다. 또한 $S$가 $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$의 상계이므로 $S_k \le S \lt S + \varepsilon$이다. 따라서 모든 $k \ge K$에 대해
이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로, $k \to \infty$일 때 $S_k \to S$, 즉 수열 $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$은 실수 $S$로 수렴한다. 그러므로 급수 $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$은 절대수렴한다.
Let $a_n$ and $b_n$ be sequences in $\mathbb{R}$. Assume that
and $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges. Show that the series $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ absolutely converges, i.e. the sequence $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$ converges to a real number as $k \to \infty$.
Let $A := \sum_{n=1}^{\infty} a_n \in \mathbb{R}$. For each $k \in \mathbb{N}$, put
Since $|b_n| \ge 0$ for all $n \in \mathbb{N}$,
i.e. the sequence $\{S_k\}$ is monotonically increasing. Moreover, since $|b_n| \le a_n$ and $a_n \ge 0$, $T_k$ is also monotonically increasing and, since $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges, $T_k \le A$. Thus for each $k \in \mathbb{N}$,
i.e. $\{S_k\}$ is bounded above, and the set $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$ is nonempty and has $A$ as an upper bound. Thus by Remark 1.49,
exists in $\mathbb{R}$, and for any $\varepsilon > 0$, there exists a $K \in \mathbb{N}$ such that
Let $\varepsilon > 0$ be given. Take $K \in \mathbb{N}$ as above. Since $\{S_k\}$ is monotonically increasing, for all $k \ge K$,
Also since $S$ is an upper bound of $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$, $S_k \le S \lt S + \varepsilon$. Thus for all $k \ge K$,
Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, $S_k \to S$ as $k \to \infty$, i.e. the sequence $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$ converges to the real number $S$. Therefore the series $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ absolutely converges.
$c_n$을 음이 아닌 수열, $s_n$을 $(a, b)$ 안의 서로 다른 점들로 이루어진 수열이라 하고,
즉 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해 $c_n \ge 0$, $s_n \in (a, b)$이고 모든 $j \ne k$에 대해 $s_j \ne s_k$라 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $\sum_{n=1}^{\infty} c_n$이 수렴한다고 가정하자. 그러면
각 $x \in [a, b]$에 대해 모든 $n \in \mathbb{N}$에서 $c_n I(x - s_n) \le c_n$이므로 $\alpha(x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(x - s_n)$은 잘 정의된다. 마찬가지로,
이고, 여기서
인데 이는 $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $[a, b]$가 콤팩트 집합이기 때문이므로, $\sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n)$ 역시 잘 정의된다. 더욱이 각 $c_n I(x - s_n)$이 단조증가이므로 $\alpha$ 또한 단조증가이다. 따라서 $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이므로, $f$는 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자.
을 만족하도록 $N \in \mathbb{N}$을 택하자.
이라 두자. 자명하게 $\alpha_1$과 $\alpha_2$ 모두 $[a, b]$ 위에서 단조증가이다. 따라서 $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이므로, $f$는 $[a, b]$ 위에서 각각 $\alpha_1$과 $\alpha_2$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 다음을 관찰하자.
이고 (2.49)에 의해
이다. 따라서 정리 2.37(iv)를 적용하면,
한편 정리 2.40과 정리 2.45에 의해,
따라서 (2.50)을 상기하고 정리 2.40과 정리 2.45를 다시 적용하면,
이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로,
Let $c_n$ be a nonnegative sequence, $s_n$ be a sequence of distinct points in $(a, b)$, and
i.e. $c_n \ge 0$, $s_n \in (a, b)$ for all $n \in \mathbb{N}$ and $s_j \ne s_k$ for all $j \ne k$. Assume that $f$ is continuous on $[a, b]$ and $\sum_{n=1}^{\infty} c_n$ converges. Then
For each $x \in [a, b]$, $c_n I(x - s_n) \le c_n$ for all $n \in \mathbb{N}$ and thus $\alpha(x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(x - s_n)$ is well-defined. Similarly, $\sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n)$ is well-defined since
where
since $f$ is continuous on $[a, b]$ and $[a, b]$ is a compact set. Moreover, since each $c_n I(x - s_n)$ is monotonically increasing, $\alpha$ is also monotonically increasing. Thus since $f$ is continuous on $[a, b]$, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Choose a $N \in \mathbb{N}$ so that
Put
Obviously both $\alpha_1$ and $\alpha_2$ are monotonically increasing on $[a, b]$. Thus $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha_1$ and $\alpha_2$ on $[a, b]$, respectively since $f$ is continuous on $[a, b]$. Observe that
and by (2.49)
Thus applying Theorem 2.37(iv), we have
On the other hand, by Theorem 2.40 and Theorem 2.45,
Therefore recalling (2.50) and applying Theorem 2.40 and Theorem 2.45 again, we have
Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant,
$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수, $\alpha$가 단조증가함수, $P$가 $[a, b]$의 분할이라 하자. 그러면
자명하게
이다. 한편 $P_1$을 $[a, b]$의 분할이라 하자. 그러면 $P_1 \cup P$는 $P$의 세분이 되고
이다. $P_1$이 $[a, b]$의 임의의 분할이므로,
Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$, $\alpha$ be a monotonically increasing function, and $P$ be a partition of $[a, b]$. Then
Obviously,
On the other hand, let $P_1$ be a partition of $[a, b]$. Then $P_1 \cup P$ becomes a refinement of $P$ and
Since $P_1$ is an arbitrary partition of $[a, b]$, we have
$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$가 단조증가함수라 하자. $\alpha$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하고 그 도함수 $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면
-
$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx$$
-
$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx.$$
증명이 유사하므로 (i)만 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하므로,
을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다. 평균값 정리에 의해, 각 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해
를 만족하는 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재한다. 더욱이
라 두자. 그러면 (2.51)에 의해, 모든 $i$와 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해
이다. 따라서
라 두면, 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해
이다. 특히 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해
이다. 따라서
이다. 마찬가지로,
$P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해서도 (2.54)와 (2.55)가 성립함을 유의하자. 왜냐하면
이기 때문이다. 다시 말해
이다. 마찬가지로,
이 $P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해 성립한다. 마지막으로 보조정리 2.48에 의해,
이다. 마찬가지로,
이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로, 다음을 얻는다.
Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function. Assume that $\alpha$ is differentiable on $[a, b]$ and its derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Then
-
$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx$$
-
$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx.$$
Because of similarity of the proof, we only prove (i). Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$, there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that
By the mean-value theorem, for each $i \in \{1, \ldots, n\}$, there exists $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ such that
Moreover, set
Then due to (2.51), for all $i$ and $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,
Thus putting
for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$ we have
In particular, for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,
Thus
Similarly,
Note that for any refinement $P^*$ of $P$, (2.54) and (2.55) hold since
In other words, we have
Similarly,
for all refinement $P^*$ of $P$. Finally by Lemma 2.48, we have
Similarly,
Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, we conclude
보조정리 2.49의 (ii)를 증명하라.
보조정리 2.48은 상적분에 대한 세분 하한 특성만을 다루므로, 먼저 하적분에 대한 대응 결과를 보인다. $P$를 $[a,b]$의 분할이라 하면,
임을 보이자(보조정리 2.48의 증명을 그대로 본뜬다). 명백히
이다($P$의 세분 $P^*$ 역시 $[a,b]$의 분할이므로, $L(P^*,f,\alpha)$는 하적분을 정의하는 상한에 참여하는 값이다). 한편 $P_1$을 $[a,b]$의 임의의 분할이라 하자. $P_1 \cup P$는 $P$의 세분이면서 동시에 $P_1$의 세분이므로, 정리 2.15에 의해
이다. $P_1$이 $[a,b]$의 임의의 분할이므로,
이다. 두 부등식을 합치면 원하는 등식을 얻는다.
이제 (ii)를 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하므로,
을 만족하는 $[a,b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다. 평균값 정리에 의해, 각 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해
를 만족하는 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재한다. (i)의 증명과 마찬가지로
라 두면, 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해
이다(이는 (2.52)와 동일한 부등식이다). 특히 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해
이다. 좌변에서 각 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해 하한을 취하면,
이다(각 $\Delta\alpha_i \ge 0$이고 $s_i$들이 서로 독립적으로 움직이므로, 하한이 각 항에 분배된다). 이 값은 우변의 상수 $L(P,f\alpha') - M\varepsilon$ 이상이므로,
이다. 같은 방법으로,
이다. $P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해서도 위 두 부등식이 성립함을 유의하자. 왜냐하면
이기 때문이다(정리 2.15와 따름정리 2.16에 의해 세분은 하합을 늘리고 상합을 줄이므로, 그 차는 세분에 대해 감소한다). 즉 $P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해
이 성립한다. 이 부등식들에서 $P^*$에 대해 $P$의 세분 전체에 대한 상한을 취하고 위에서 보인 하적분의 세분 특성화를 적용하면,
을 얻는다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로,
Prove (ii) in Lemma 2.49.
Since Lemma 2.48 only gives the infimum-over-refinements characterization for the upper integral, we first establish the corresponding fact for the lower integral. Let $P$ be a partition of $[a,b]$. We claim
(this mirrors the proof of Lemma 2.48). Obviously
since every refinement $P^*$ of $P$ is itself a partition of $[a,b]$, and $L(P^*,f,\alpha)$ is one of the values whose supremum defines the lower integral. On the other hand, let $P_1$ be an arbitrary partition of $[a,b]$. Then $P_1 \cup P$ is a refinement of $P$ and also a refinement of $P_1$, so by Theorem 2.15,
Since $P_1$ is an arbitrary partition of $[a,b]$,
Combining the two inequalities gives the claimed equality.
Now we prove (ii). Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a,b]$ such that
By the mean-value theorem, for each $i \in \{1, \ldots, n\}$, there exists $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ such that
As in the proof of (i), setting
we have, for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,
(this is exactly (2.52)). In particular, for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,
Taking the infimum over each $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$ on the left,
(since $\Delta\alpha_i \ge 0$ and the $s_i$ vary independently, the infimum distributes across the terms). This value is at least the constant $L(P,f\alpha') - M\varepsilon$ on the right, so
Similarly,
Note that both inequalities also hold for any refinement $P^*$ of $P$, since
(by Theorem 2.15 and Corollary 2.16, refinement increases the lower sum and decreases the upper sum, so their difference only shrinks under refinement). That is, for any refinement $P^*$ of $P$,
Taking the supremum over refinements $P^*$ of $P$ and applying the lower-integral characterization shown above, we obtain
Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, we conclude
(2.53)이 (2.54)를 함의함을 증명하라.
(2.53)에 의해, $[a,b]$의 분할 $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$에 대해 임의의 선택 $s_1 \in [x_0,x_1], \ldots, s_n \in [x_{n-1},x_n]$마다
이 성립한다. 여기서 우변은 $s_1,\ldots,s_n$의 선택과 무관한 상수이고, 각 구간 $[x_{i-1},x_i]$에서의 선택 $s_i$는 서로 독립적이다. 이를 이용하여 좌변의 상한이 각 항별로 분배됨을 보인다.
$\varepsilon' > 0$이 주어졌다고 하자. 각 $i = 1,\ldots,n$에 대해 $M_i := \sup_{x \in [x_{i-1},x_i]} f(x)$라 두자. $\Delta\alpha_i > 0$이면, 주의 1.49의 $\varepsilon$-특성화에 의해
를 만족하는 $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$가 존재하고, 이때
이다. $\Delta\alpha_i = 0$이면 $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$를 임의로 택하더라도
이 자명하게 성립한다. 두 경우 모두 $f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \varepsilon'/n$이므로, $i = 1,\ldots,n$에 대해 더하면
한편 $s_1^*,\ldots,s_n^*$은 각 구간에서의 선택이므로 (2.53)에 의해
이다. 두 부등식을 결합하면
즉
이 임의의 $\varepsilon' > 0$에 대해 성립한다. $\varepsilon' > 0$이 임의적이므로,
즉 (2.54)가 성립한다.
Prove that (2.53) implies (2.54).
By (2.53), for the partition $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$ of $[a,b]$, for every choice $s_1 \in [x_0,x_1], \ldots, s_n \in [x_{n-1},x_n]$,
holds. Here the right side is a constant independent of the choice of $s_1,\ldots,s_n$, and the choice $s_i$ on each interval $[x_{i-1},x_i]$ is independent of the others. We use this to show that the supremum on the left distributes term by term.
Let $\varepsilon' > 0$ be given. For each $i = 1,\ldots,n$, put $M_i := \sup_{x \in [x_{i-1},x_i]} f(x)$. If $\Delta\alpha_i > 0$, then by the $\varepsilon$-characterization of Remark 1.49, there exists $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$ such that
and hence
If $\Delta\alpha_i = 0$, then for any choice of $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$,
trivially holds. In either case $f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \varepsilon'/n$, so summing over $i = 1,\ldots,n$,
On the other hand, since $s_1^*,\ldots,s_n^*$ is a choice on each interval, (2.53) gives
Combining the two inequalities,
that is,
for every $\varepsilon' > 0$. Since $\varepsilon' > 0$ is arbitrary,
which is (2.54).
(2.52)를 이용하여 (2.55)를 증명하라.
(2.52)에 의해, $[a,b]$의 분할 $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$과 임의의 선택 $s_1 \in [x_0,x_1],\ldots,s_n \in [x_{n-1},x_n]$에 대해
이 성립한다. 특히
이다. 또한 정의에 의해 각 $i$에 대해 $f(s_i) \le M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$이고 $\Delta\alpha_i \ge 0$이므로,
이다. 따라서 모든 $s_1,\ldots,s_n$에 대해
이 성립한다. 우변은 $s_1,\ldots,s_n$의 선택과 무관한 상수이고, 연습문제 2.51에서와 마찬가지로 각 $s_i$는 서로 독립적으로 자신의 구간에서 움직일 수 있다. 각 $i = 1,\ldots,n$에 대해
라 두자. 연습문제 2.51의 논법을 그대로 적용하면($\varepsilon' > 0$을 고정하고, 각 $i$에 대해 $\Delta x_i > 0$이면 주의 1.49의 $\varepsilon$-특성화로 $f(s_i^*)\alpha'(s_i^*)\Delta x_i > M_i^{f\alpha'}\Delta x_i - \varepsilon'/n$을 만족하는 $s_i^*$를 택하고, $\Delta x_i = 0$이면 아무 $s_i^*$나 택하여 $i=1,\ldots,n$에 대해 더한 뒤 $\varepsilon' \to 0$으로 보내면),
즉 (2.55)를 얻는다.
Prove (2.55) by using (2.52).
By (2.52), for the partition $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$ of $[a,b]$ and every choice $s_1 \in [x_0,x_1],\ldots,s_n \in [x_{n-1},x_n]$,
holds. In particular,
Also, by definition $f(s_i) \le M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$ for each $i$, and $\Delta\alpha_i \ge 0$, so
Thus for all $s_1,\ldots,s_n$,
holds. The right side is a constant independent of the choice of $s_1,\ldots,s_n$, and as in Exercise 2.51, each $s_i$ can be chosen independently on its own interval. For each $i = 1,\ldots,n$, put
Applying the same argument as in Exercise 2.51 (fix $\varepsilon' > 0$; for each $i$ with $\Delta x_i > 0$, use the $\varepsilon$-characterization of Remark 1.49 to choose $s_i^*$ with $f(s_i^*)\alpha'(s_i^*)\Delta x_i > M_i^{f\alpha'}\Delta x_i - \varepsilon'/n$, and any $s_i^*$ when $\Delta x_i = 0$; sum over $i = 1,\ldots,n$ and let $\varepsilon' \to 0$), we obtain
which is (2.55).
$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$가 단조증가함수라 하자. $\alpha$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하고 그 도함수 $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면 $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 것과 $f\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능한 것은 동치이다.
Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function. Assume that $\alpha$ is differentiable on $[a, b]$ and its derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ if and only if $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$.
$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$ 위에서 단조증가하며 미분가능한 함수로서 그 도함수 $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하거나 $f\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면
Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing differentiable function on $[a, b]$ whose derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Assume that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ or $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Then
정리 2.53을 증명하라.
정리 2.53의 가정은 보조정리 2.49의 가정과 동일하다: $f$는 $[a,b]$ 위의 유계함수이고, $\alpha$는 $[a,b]$ 위에서 단조증가하며 미분가능한 함수로서 그 도함수 $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하다. 따라서 보조정리 2.49의 (i)와 (ii)에 의해
이다. 또한 $f$는 $[a,b]$ 위의 유계함수이고, $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하므로 연습문제 2.10에 의해 $\alpha'$ 역시 $[a,b]$ 위에서 유계이어서 $f\alpha'$도 $[a,b]$ 위의 유계함수이다. 적분자 $\alpha$는 단조증가함수이고 항등함수 $x \mapsto x$ 또한 단조증가함수이므로, 따름정리 2.18에 의해 위 네 값은 모두 $\mathbb{R}$에서 존재한다. 따라서 정의 2.12에 의해, $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 것과
인 것은 동치이다. 위에서 보인 등식에 의해 이는 다시
인 것과 동치이고, 정의 2.6에 의해 이는 $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능한 것과 동치이다. 그러므로 $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 것과 $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능한 것은 동치이다.
Prove Theorem 2.53.
The hypotheses of Theorem 2.53 coincide with those of Lemma 2.49: $f$ is a bounded function on $[a,b]$, and $\alpha$ is a monotonically increasing differentiable function on $[a,b]$ whose derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$. Thus by Lemma 2.49 (i) and (ii),
Also, $f$ is a bounded function on $[a,b]$, and since $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, Exercise 2.10 makes $\alpha'$ bounded on $[a,b]$, so $f\alpha'$ is a bounded function on $[a,b]$ as well. Since the integrator $\alpha$ is monotonically increasing and so is the identity $x \mapsto x$, by Corollary 2.18 all four of the above values exist in $\mathbb{R}$. Thus by Definition 2.12, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ if and only if
By the equalities shown above, this is equivalent to
which by Definition 2.6 is equivalent to $f\alpha'$ being Riemann integrable on $[a,b]$. Therefore $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ if and only if $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$.
따름정리 2.54를 증명하라.
가정에 의해 $f$는 $[a,b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$는 $[a,b]$ 위에서 단조증가하며 미분가능한 함수로서 그 도함수 $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하다. 즉 정리 2.53의 가정이 성립한다. $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하거나 $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능하다고 가정하였으므로, 정리 2.53에 의해 두 성질이 모두 성립한다. 즉 $f$는 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 $f\alpha'$은 $[a,b]$에서 리만 적분가능하다.
정의 2.12에 의해
이고, 보조정리 2.49(i)에 의해
이며, $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능하므로 정의 2.6에 의해
이다. 세 등식을 결합하면
를 얻는다.
Prove Corollary 2.54.
By hypothesis, $f$ is a bounded function on $[a,b]$ and $\alpha$ is a monotonically increasing differentiable function on $[a,b]$ whose derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, i.e. the hypotheses of Theorem 2.53 hold. Since we assumed that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ or $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, by Theorem 2.53 both properties hold: $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ and $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$.
By Definition 2.12,
by Lemma 2.49(i),
and since $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, by Definition 2.6,
Combining the three equalities, we obtain
$\varphi$가 구간 $[A, B]$를 $[a, b]$ 위로 대응시키는 순증가 연속함수이고, $\alpha$가 $[a, b]$ 위의 단조증가함수이며, $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수라 하자.
라 정의하자. 그러면 $g$는 $[A, B]$ 위에서 $\beta$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
$\varphi$가 순증가이므로 $\varphi$는 $[A, B]$에서 $[a, b]$ 위로의 일대일대응임을 유의하자. 따라서 $[a, b]$에서 $[A, B]$ 위로의 역함수 $\varphi^{-1}$이 존재한다. $[a, b]$의 임의의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$에 대해, 다음을 만족하는 $[A, B]$의 대응하는 분할 $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$이 존재한다.
마찬가지로, $[A, B]$의 임의의 분할 $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$에 대해, 다음을 만족하는 $[a, b]$의 대응하는 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다.
$P = \{x_0, \ldots, x_n\}$을 $[a, b]$의 분할, $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$을 대응하는 $[A, B]$의 분할이라 하자. $i = 1, \ldots, n$에 대해
라 두자. 각 $i$에 대해
임을 관찰하자. 더욱이 모든 $i = 1, \ldots, n$과 $x \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해
이고
이므로,
를 얻는다. 따라서
이고
이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만 적분가능하므로,
을 만족하는 분할 $P_0$가 존재한다. $[A, B]$의 대응하는 분할 $Q_0$를 생각하면,
이다. 따라서 $g$는 $[A, B]$ 위에서 $\beta$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 더욱이,
Let $\varphi$ be a strictly increasing continuous function that maps an interval $[A, B]$ onto $[a, b]$, $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a, b]$, and $f$ be a Riemann-Stieltjes integrable function with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Define
Then $g$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\beta$ on $[A, B]$ and
Note that $\varphi$ is 1-1 function from $[A, B]$ onto $[a, b]$ since $\varphi$ is strictly increasing. Thus there exists the inverse function $\varphi^{-1}$ from $[a, b]$ onto $[A, B]$. For any partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$, there exists a corresponding partition $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$ of $[A, B]$ such that
Similarly, for any partition $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$ of $[A, B]$, there exists a corresponding partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that
Let $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ be a partition of $[a, b]$ and $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$ be the corresponding partition of $[A, B]$. For $i = 1, \ldots, n$, set
Observe that for each $i$,
Moreover for all $i = 1, \ldots, n$ and $x \in [x_{i-1}, x_i]$,
and
which lead to
Therefore
and
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is Riemann-integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, there exists a partition $P_0$ such that
Considering the corresponding partition $Q_0$ of $[A, B]$, we have
Thus $g$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\beta$ on $[A, B]$. Moreover,
$\varphi$가 구간 $[A, B]$를 $[a, b]$ 위로 대응시키는 순증가 미분가능함수이고, $f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자. $\varphi'$이 $[A, B]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면
$\alpha(x) = x$라 두고
를 상기하자. 그러면 $\beta(y) = \varphi(y)$이고, 정리 2.57에 의해,
이다. 마지막으로 따름정리 2.54를 적용하면,
Let $\varphi$ be a strictly increasing differentiable function that maps an interval $[A, B]$ onto $[a, b]$, and $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Assume that $\varphi'$ is Riemann integrable on $[A, B]$. Then
Set $\alpha(x) = x$ and recall
Then $\beta(y) = \varphi(y)$ and by Theorem 2.57,
Finally applying Corollary 2.54, we have
$f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자.
라 정의하자. 그러면 $F$는 $[a, b]$ 위에서 연속이다.
$f$가 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하므로, $f$는 $[a, b]$ 위에서 유계이다. 따라서
을 만족하는 양의 상수 $M$이 존재한다. $a \le x \le y \le b$라 하자. 그러면 정리 2.37에 의해,
이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\delta = \frac{\varepsilon}{M}$이라 두자. $|x - y| \lt \delta$이면, (2.56)에 의해
이다. 그러므로 $F$는 $[a, b]$ 위에서 균등연속이다.
Let $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Define
Then $F$ is continuous on $[a, b]$.
Since $f$ is Riemann integrable on $[a, b]$, $f$ is bounded on $[a, b]$. Thus there exists a positive constant $M$ such that
Let $a \le x \le y \le b$. Then by Theorem 2.37,
Let $\varepsilon > 0$ be given. Take $\delta = \frac{\varepsilon}{M}$. If $|x - y| \lt \delta$, then by (2.56)
Therefore $F$ is uniformly continuous on $[a, b]$.
연습문제 2.10에 의해, $f$가 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하면 $f$는 유계이다. $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면 $f$가 유계임을 증명하거나 반증하라.
역주. 정의 2.11은 명시적으로 "$f$가 $[a,b]$ 위의 유계함수"라는 가정 아래 $U(P,f,\alpha)$, $L(P,f,\alpha)$를 정의한다. 아래 반례에서는 $f$가 유계가 아니므로, $M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$가 $+\infty$일 수 있는 구간이 생기고, 그 구간에서 $\Delta\alpha_i = 0$이면 곱 $M_i\Delta\alpha_i$는 액면 그대로는 "$\infty \times 0$" 꼴로 정의되지 않는다. 이하에서는 $\Delta\alpha_i = 0$인 구간에서는 $M_i$가 유한이든 $+\infty$이든, 또 $m_i$가 유한이든 $-\infty$이든 관계없이 $M_i\Delta\alpha_i := 0$(마찬가지로 $m_i\Delta\alpha_i := 0$)으로 읽는 자연스러운 관례를 채택하여 $U(P,f,\alpha)$, $L(P,f,\alpha)$를 계산한다. 정의 2.12 자체는 유계성을 따로 요구하지 않고 "$[a,b]$ 위의 함수 $f$"에 대해 적분가능성을 규정하므로, 이 관례 아래에서 정의 2.12의 적분가능성(상·하적분이 $\mathbb{R}$에 존재하고 서로 같음)을 직접 확인할 수 있다. 이는 연습문제 2.10의 논증—$\alpha(x)=x$처럼 $\alpha$가 순증가하여 모든 $\Delta\alpha_i > 0$인 경우, $f$가 유계가 아니면 어떤 구간에서 $M_i\Delta\alpha_i$가 임의로 커져 상합이 발산한다는 논증—이 $\alpha$가 (일부 구간에서) 상수여서 $\Delta\alpha_i = 0$이 되는 경우에는 더 이상 적용되지 않음을 정확히 겨냥한 것이다. (만약 정의 2.11의 유계 가정을 문항 전체에 대한 전제로 엄격하게 읽는다면, "리만-스틸체스 적분가능한 $f$"라는 말 자체가 이미 유계인 $f$만을 가리키므로 주장은 자명하게 참이 된다. 아래 논증은 정의 2.11의 상·하합 공식을 유계가 아닌 $f$에도 위와 같이 자연스럽게 확장하여 읽는 방식을 따른다.)
주장은 반증된다. $[a,b] = [0,1]$이라 하고,
라 하자. 모든 $x, y \in [0,1]$에 대해 $x \lt y$이면 $\alpha(x) = 0 \le 0 = \alpha(y)$이므로, 정의 1.43(i)에 의해 $\alpha$는 $[0,1]$ 위에서 단조증가한다.
이라 하자. $x_k := 1/k \to 0^+$ ($k \to \infty$)일 때 $f(x_k) = k \to \infty$이므로, $f$는 $[0,1]$ 위에서 유계가 아니다.
$P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[0,1]$의 임의의 분할이라 하자. $\alpha$가 상수함수이므로, 모든 $i \in \{1,\ldots,n\}$에 대해
이다. 위 역주의 관례에 의해, $M_i\Delta\alpha_i = 0$이고 $m_i\Delta\alpha_i = 0$이 모든 $i$에 대해 성립하므로(예컨대 $x_1 > 0$인 분할에서 첫째 구간 $[x_0,x_1] = [0,x_1]$을 보면 $M_1 = \sup_{x\in[0,x_1]} f(x) = +\infty$이지만, 이 역시 $\Delta\alpha_1 = 0$과 곱해져 $0$으로 읽는다),
이다. $P$가 $[0,1]$의 임의의 분할이었으므로,
이며, 두 값 모두 $\mathbb{R}$에 존재하고 서로 같다. 따라서 정의 2.12에 의해 $f$는 $[0,1]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
이다. 그러나 $f$는 $[0,1]$ 위에서 유계가 아니다. 그러므로 "$f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면 $f$는 유계이다"라는 주장은 (위 역주의 관례 아래) 거짓이며, 반증되었다.
Due to Exercise 2.10, if $f$ is Riemann integrable on $[a, b]$, then $f$ is bounded. Prove or disprove that if $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, then $f$ is bounded.
Note. Definition 2.11 explicitly sets up $U(P,f,\alpha)$ and $L(P,f,\alpha)$ under the hypothesis that $f$ is a bounded function on $[a,b]$. In the counterexample below, $f$ is unbounded, so there can be an interval on which $M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$ equals $+\infty$; on such an interval, if $\Delta\alpha_i = 0$, the product $M_i\Delta\alpha_i$ is, on its face, of the undefined form "$\infty \times 0$". Below we adopt the natural convention that, on any interval with $\Delta\alpha_i = 0$, we read $M_i\Delta\alpha_i := 0$ (likewise $m_i\Delta\alpha_i := 0$), regardless of whether $M_i$ is finite or $+\infty$ and whether $m_i$ is finite or $-\infty$, and compute $U(P,f,\alpha)$, $L(P,f,\alpha)$ accordingly. Definition 2.12 imposes no boundedness of its own and states integrability for "a function $f$ on $[a,b]$", so under this convention we can directly check the integrability condition of Definition 2.12 (the upper and lower integrals exist in $\mathbb{R}$ and are equal). This precisely targets the point at which the argument of Exercise 2.10 — that if $\alpha$ is strictly increasing, e.g. $\alpha(x) = x$, so that every $\Delta\alpha_i > 0$, then an unbounded $f$ forces $M_i\Delta\alpha_i$ to grow arbitrarily large on some interval, so the upper sum diverges — no longer applies once $\alpha$ is (locally) constant, so $\Delta\alpha_i = 0$. (If instead one reads the boundedness hypothesis of Definition 2.11 as a blanket precondition for the entire problem, then the phrase "Riemann-Stieltjes integrable $f$" already refers only to bounded $f$, and the claim is trivially true. The argument below instead follows the reading that extends the upper/lower sum formulas of Definition 2.11 to unbounded $f$ in the natural way described above.)
The claim is disproved. Let $[a,b] = [0,1]$ and
For all $x, y \in [0,1]$ with $x \lt y$, $\alpha(x) = 0 \le 0 = \alpha(y)$, so by Definition 1.43(i), $\alpha$ is monotonically increasing on $[0,1]$.
Since $f(x_k) = k \to \infty$ for $x_k := 1/k \to 0^+$ as $k \to \infty$, $f$ is unbounded on $[0,1]$.
Let $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be an arbitrary partition of $[0,1]$. Since $\alpha$ is a constant function, for all $i \in \{1,\ldots,n\}$,
By the convention in the note above, $M_i\Delta\alpha_i = 0$ and $m_i\Delta\alpha_i = 0$ for all $i$ (for instance, in a partition with $x_1 > 0$ the first interval $[x_0,x_1] = [0,x_1]$ has $M_1 = \sup_{x\in[0,x_1]} f(x) = +\infty$, but this too is read as $0$ once multiplied by $\Delta\alpha_1 = 0$), so
Since $P$ was an arbitrary partition of $[0,1]$,
and both values exist in $\mathbb{R}$ and are equal. Thus by Definition 2.12, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[0,1]$ and
But $f$ is unbounded on $[0,1]$. Therefore the claim "if $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$, then $f$ is bounded" is false (under the convention in the note above), and it is disproved.
$f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자.
라 정의하자. $f$가 $x_0 \in [a, b]$에서 연속이라 가정하자. 그러면 $F$는 $x_0$에서 미분가능하고
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $x_0$에서 연속이므로,
이 모든 $x \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a, b]$에 대해 성립하도록 하는 $\delta > 0$이 존재한다. 리만-스틸체스 적분의 선형성에 의해, 모든 $a \le x \lt x_0 \lt y \le b$에 대해
이고
임을 유의하자. 따라서 선형성을 다시 적용하면, $y \in (x_0, x_0 + \delta) \cap [a, b]$일 때
이다. 따라서 (2.57)과 정리 2.37(iv)에 의해,
이다. 마찬가지로, 모든 $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a, b]$에 대해
이다. 따라서 $F$는 $x_0$에서 미분가능하고
Let $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Define
Assume that $f$ is continuous at $x_0 \in [a, b]$. Then $F$ is differentiable at $x_0$ and
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is continuous at $x_0$, there exists a $\delta > 0$ such that
for all $x \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a, b]$. Note that by the linear property of the Riemann-Stieltjes integral, for all $a \le x \lt x_0 \lt y \le b$
and
Thus by the linear property again, if $y \in (x_0, x_0 + \delta) \cap [a, b]$, then
Therefore by (2.57) and Theorem 2.37(iv), we have
Similarly, for all $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a, b]$, we have
Thus $F$ is differentiable at $x_0$ and
(2.58)을 증명하라.
$x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$라 하자. 정리 2.37(iii)에 의해
이다. 정리 2.61의 증명에서 이미 관찰한 바와 같이,
이다. 따라서 리만 적분의 선형성(정리 2.37(i), (ii))을 다시 적용하면,
이다. $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$이고 $t \in [x, x_0]$이면 $t \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$이므로, (2.57)에 의해
이다. 따라서 정리 2.37(iv)에 의해(적분 구간을 $[x,x_0]$로, 적분자를 $\alpha(t) = t$로, $M = \varepsilon/2$로 두면),
이다. 그러므로
이다. 이는 모든 $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$에 대해 성립하므로, (2.58)이 증명된다.
Prove (2.58).
Let $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$. By Theorem 2.37(iii),
As already observed in the proof of Theorem 2.61,
Thus applying the linear property of the Riemann integral (Theorem 2.37(i), (ii)) again,
If $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$ and $t \in [x, x_0]$, then $t \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$, so by (2.57),
Thus by Theorem 2.37(iv) (taking the interval of integration to be $[x,x_0]$, the integrator $\alpha(t) = t$, and $M = \varepsilon/2$),
Therefore
Since this holds for all $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$, (2.58) is proved.
$f$가 $[a, b]$ 위의 연속함수라 하자. 다음을 만족하는 $[a, b]$ 위의 미분가능함수 $F$가 존재함을 증명하거나 반증하라.
주장은 참이다. $f$가 $[a,b]$ 위에서 연속이라 하자.
라 정의하자(단 $F(a) = 0$). 임의의 $x \in [a,b]$에 대해 $f$는 $[a,x]$ 위에서도 연속이고 항등함수 $\alpha(t) = t$는 $[a,x]$ 위에서 단조증가하므로, 정리 2.26에 의해 $f$는 $[a,x]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 주의 2.13에 의해 이는 $f$가 $[a,x]$ 위에서 리만 적분가능함과 동치이므로, $F(x)$는 모든 $x \in [a,b]$에 대해 잘 정의된다.
$f$는 $[a,b]$ 위에서 연속이므로, 특히 모든 $x_0 \in [a,b]$에서 연속이다. $f$가 $[a,b]$ 위의 리만 적분가능함수이므로(위에서 $x = b$인 경우로 확인하였다), 정리 2.61의 가정이 모든 $x_0 \in [a,b]$에서 성립한다. 따라서 정리 2.61에 의해, 모든 $x_0 \in [a,b]$에 대해 $F$는 $x_0$에서 미분가능하고
이다. (정의 1.17에 의해, $x_0 = a$ 또는 $x_0 = b$일 때 $F'(x_0)$은 각각 우미분계수·좌미분계수를 뜻하는데, 정리 2.61의 증명은 애초에 $(x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$, $(x_0, x_0+\delta) \cap [a,b]$, $(x_0-\delta, x_0) \cap [a,b]$ 형태의 구간에서 논증을 진행하므로, $x_0$이 끝점일 때도 그대로 적용되어 해당 한쪽 미분계수를 준다.) 그러므로 $F$는 $[a,b]$ 위에서 미분가능하고 모든 $x \in [a,b]$에 대해 $F'(x) = f(x)$를 만족하며, 이러한 $F$가 존재함이 증명된다.
Let $f$ be a continuous function on $[a, b]$. Prove or disprove that there exists a differentiable function $F$ on $[a, b]$ such that
The claim is true. Let $f$ be continuous on $[a,b]$. Define
(with $F(a) = 0$). For any $x \in [a,b]$, $f$ is also continuous on $[a,x]$, and the identity function $\alpha(t) = t$ is monotonically increasing on $[a,x]$, so by Theorem 2.26, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,x]$. By Remark 2.13, this is equivalent to $f$ being Riemann integrable on $[a,x]$, so $F(x)$ is well-defined for every $x \in [a,b]$.
Since $f$ is continuous on $[a,b]$, it is in particular continuous at every $x_0 \in [a,b]$. Since $f$ is a Riemann integrable function on $[a,b]$ (as verified above with $x = b$), the hypotheses of Theorem 2.61 hold at every $x_0 \in [a,b]$. Thus by Theorem 2.61, for every $x_0 \in [a,b]$, $F$ is differentiable at $x_0$ and
(By Definition 1.17, when $x_0 = a$ or $x_0 = b$, $F'(x_0)$ means the right- or left-hand derivative, respectively; but the proof of Theorem 2.61 works throughout with intervals of the form $(x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$, $(x_0, x_0+\delta) \cap [a,b]$, and $(x_0-\delta, x_0) \cap [a,b]$, so it applies unchanged when $x_0$ is an endpoint and yields exactly the corresponding one-sided derivative.) Therefore $F$ is differentiable on $[a,b]$ and satisfies $F'(x) = f(x)$ for all $x \in [a,b]$, so such an $F$ exists, as claimed.
$f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자. 모든 $x \in [a, b]$에 대해 $F'(x) = f(x)$를 만족하는 $[a, b]$ 위의 미분가능함수 $F$가 존재한다고 가정하자. 그러면
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면
을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다. 평균값 정리에 의해,
를 만족하는 $\tilde{t}_i \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재한다. 따라서
이다. 정리 2.20(iii)에 의해, 모든 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$에 대해
이다. 특히
이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로, 정리가 증명된다.
Let $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Assume that there exists a differentiable function $F$ on $[a, b]$ such that $F'(x) = f(x)$ for all $x \in [a, b]$. Then
Let $\varepsilon > 0$ be given. Then there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that
By the mean-value theorem, there exist $\tilde{t}_i \in [x_{i-1}, x_i]$ such that
Thus
Due to Theorem 2.20(iii), for all $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$,
In particular, we have
Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, the theorem is proved.
$F$와 $G$가 $[a, b]$ 위의 미분가능함수라 하자. $F'$과 $G'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면
다음과 같이 두자.
그러면 곱의 미분법에 의해,
$G$와 $F$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하므로, 이들은 $[a, b]$ 위에서 연속이기도 하다. 따라서 정리 2.26에 의해 $G$와 $F$는 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다. $F'(x)$와 $G'(x)$가 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하였으므로, 정리 2.42와 선형성에 의해 $F'(x)G(x)$, $F(x)G'(x)$, $H'(x)$는 리만 적분가능하다. 따라서 미적분학의 기본정리를 적용하면,
이고, 이는 다음과 동치이다.
마지막으로 리만 적분의 선형성을 적용하면, 정리가 증명된다.
Let $F$ and $G$ be differentiable function on $[a, b]$. Assume that $F'$ and $G'$ are Riemann integrable on $[a, b]$. Then
Set
Then by the product rule of differentiation,
Since $G$ and $F$ are differentiable on $[a, b]$, they are also continuous on $[a, b]$. Thus by Theorem 2.26, $G$ and $F$ are Riemann integrable on $[a, b]$. Since we assumed that $F'(x)$ and $G'(x)$ are Riemann integrable on $[a, b]$, $F'(x)G(x)$, $F(x)G'(x)$, $H'(x)$ are Riemann integrable by Theorem 2.42 and the linearity. Therefore applying the fundamental theorem of calculus,
which is equivalent to
Finally applying the linear property of the Riemann integral, the theorem is proved.