令I=r0r1-∞≤r0<r1≤∞是R上的一个区间mx右连续单调递增令x ∈r0r1f是定义在x的领域的实函数定义Dmfx=d µfdmM-ae;定理:令hx是r0r1的实函数Dmhx=0证明hx在r0r1是一个常数。
证明:
首先,我们有以下引理:
引理1:如果f是单调递增的,则µf是连续的。
证明:
对于任意的x∈R,我们有:
limn→∞f(x-1/n)=limn→∞sup{f(y):y<x,y∈Q}≤f(x)
以及
limn→∞f(x+1/n)=limn→∞inf{f(y):y>x,y∈Q}≥f(x)
因此,由单调性可知
µf(x)=limn→∞[f(x-1/n),f(x+1/n)]=f(x)
证毕。
引理2:如果f是右连续的,则µf是右连续的。
证明:
对于任意的x∈R,我们有:
µf(x+)=limn→∞[f(x,x+1/n)]=limn→∞sup{f(y):x<y≤x+1/n,y∈Q}
因为f是右连续的,所以对于任意的n∈N,存在一个有理数xn∈(x,x+1/n],使得f(xn)≥f(x,x+1/n)。因此,
µf(x+)=limn→∞sup{f(y):x<y≤x+1/n,y∈Q}≤limn→∞f(xn)=f(x+)
又因为 f(x+)=limn→∞f(x,x+1/n),所以
µf(x+)=f(x+)
证毕。
现在,我们回到原命题。假设h不是常数,则存在a,b∈(r0,r1),使得h(a)<h(b)。由于h是右连续的,所以存在一个有理数an∈(a,b],使得h(an)>h(a)。同理,存在一个有理数bn∈(a,b],使得h(bn)<h(b)。
因为f是定义在x的领域的实函数,所以存在一个正整数N,使得1/N<(bn-an)/2。令xn=an+1/N,则xn∈(a,b)。因为f是单调递增的,所以有:
f(xn)≤f(an)<f(bn)
因此,
µf(an,an+1/N)=limk→∞[f(an,an+1/N),f(xn,xn+1/k)]=f(an)
µf(xn,xn+1/N)=limk→∞[f(xn,xn+1/N),f(bn,bn+1/k)]=f(bn)
又因为h在an和bn处连续,所以对于任意的ε>0,存在一个δ>0,使得当|y-an|<δ时,|h(y)-h(an)|<ε/2,且当|y-bn|<δ时,|h(y)-h(bn)|<ε/2。
令y∈(an,an+1/N),则
|h(y)-h(an)|<ε/2
f(y)≤f(an)
因此,
|Dmf(y)h(y)-Dmf(an)h(an)|=Dmf(y)|h(y)-h(an)|<ε/2Dmf(y)
同理,对于z∈(bn-1/N,bn),有
|h(z)-h(bn)|<ε/2
f(z)≥f(bn)
因此,
|Dmf(z)h(z)-Dmf(bn)h(bn)|=Dmf(z)|h(z)-h(bn)|<ε/2Dmf(z)
令ε=min{h(an)-h(y),h(z)-h(bn)},则
ε>0
Dmh(y)≥0
Dmh(z)≤0
因此,存在一个正整数M,使得对于任意的n>M,有
|Dmf(y)|<ε/2
|Dmf(z)|<ε/2
因此,
|Dmf(y)h(y)-Dmf(z)h(z)|<ε/2(h(y)-h(z))<ε/2ε=ε^2/2
因为y,z∈(a,b),所以
|y-z|<1/N<(bn-an)/2
因此,
|f(y)-f(z)|<ε/2
因此,
|Dmf(y)h(y)-Dmf(z)h(z)|=|Dmf(y)(h(y)-h(an))+Dmf(y)(h(an)-h(bn))+Dmf(z)(h(bn)-h(z))+Dmf(z)(h(an)-h(bn))|
≤|Dmf(y)(h(y)-h(an))|+|Dmf(y)(h(an)-h(bn))|+|Dmf(z)(h(bn)-h(z))|+|Dmf(z)(h(an)-h(bn))|
<ε^2/2+ε^2/2+ε^2/2+ε^2/2=ε^2
因此,
|Dmf(y)h(y)-Dmf(z)h(z)|<ε^2
这与Dmh(y)和Dmh(z)异号矛盾,因此假设不成立,即h是常数。证毕
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