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关于单调函数间断点可数性证明的两个疑问

关于单调函数间断点可数性证明的两个疑问

咱们先解决第一个疑问:为什么单调性能保证这些间断点对应的开区间互不相交?

假设f是单调递增的(递减的情况逻辑完全对称,反过来推就行)。取两个不同的间断点x₁ < x₂,先明确它们对应的区间:

  • 对x₁,因为f单调递增,左极限f(x₁⁻) ≤ f(x₁) ≤ f(x₁⁺),又因为x₁是间断点,所以f(x₁⁻) < f(x₁⁺),对应的开区间是I₁=(f(x₁⁻), f(x₁⁺))
  • 对x₂,对应的开区间是I₂=(f(x₂⁻), f(x₂⁺))

关键来了:因为x₁ < x₂,根据单调递增的性质,x₁右侧所有点的函数值的下确界就是f(x₁⁺),x₂左侧所有点的函数值的上确界是f(x₂⁻)。对于任何落在(x₁, x₂)里的点t,都有f(x₁⁺) ≤ f(t) ≤ f(x₂⁻),所以必然有f(x₁⁺) ≤ f(x₂⁻)。

现在看两个开区间:I₁的右端点是f(x₁⁺)(开区间不包含这个点),I₂的左端点是f(x₂⁻)(同样不包含),既然f(x₁⁺) ≤ f(x₂⁻),那这两个开区间就不可能有重叠的部分——就像两个挨在一起的区间,前一个的尾巴碰不到后一个的头,自然是不交的。

再来说第二个疑问:你担心的“左右极限相等但不等于函数值的可去间断点”,在单调函数里根本不会出现!

还是拿单调递增函数举例:对任意点x,根据单调性,左极限f(x⁻)是所有t<x时f(t)的上确界,所以f(x⁻) ≤ f(x);而右极限f(x⁺)是所有t>x时f(t)的下确界,所以f(x) ≤ f(x⁺)。也就是说,f(x)必然被夹在左极限和右极限之间:f(x⁻) ≤ f(x) ≤ f(x⁺)。

如果左右极限相等,即f(x⁻)=f(x⁺)=L,那根据上面的不等式,L ≤ f(x) ≤ L,只能是f(x)=L,这就说明x是连续点,不是间断点。所以单调函数的间断点只能是跳跃间断点——左右极限一定不相等,原证明里的描述完全没问题,并没有遗漏情况。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Thomas Finley

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