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グラフをたどった上下の総距離 - 有界変動関数とジョルダンの分解

関数のグラフを左から右へたどるとき、上下に動いた距離の合計を測ります。これが有限にとどまる関数を有界変動といいます[1]。

上限は の分割 全部にわたってとります。分割を細かくすると和は減らないので、上限は単調な増え方の行き先。

カミーユ・ジョルダンが 1881 年に、フーリエ級数の収束条件を広げるために導入しました[3]。単調でない関数を、単調な 2 つの差として扱う道が開けます。

分割を細かくすると和は増える

分割に点を 1 つ足すと、三角不等式から和は減りません。

細分するほど和が上がっていくので、上限は「細かくしきったときの値」にあたります。有界変動とは、その行き先が無限大にならないこと。

数値が単調に上がって、ある値の手前で落ち着きます。落ち着く先が全変動。

例:単調関数はいつでも有界変動

が で単調増加なら、どの分割でも差の絶対値は そのものです。和は望遠鏡のように潰れます。

分割によらず同じ値なので、。単調な関数は、有界変動のいちばん素朴な例になります。

例:リプシッツ関数

を満たすなら、和は区間の長さで押さえられます。

上限も 以下です。導関数が有界な 関数はここに入ります。

全変動関数を作る

右端を動かして と定めます。区間を継ぎ足せば変動も足されるので、 は単調増加。

さらに も単調増加です。 のとき が成り立つため。

ジョルダンの分解定理

前の節の 2 つを組み合わせると、分解が書けます[1]。

も も単調増加なので、右辺は増加関数の差です。逆に増加関数の差はいつでも有界変動になる。

つまり有界変動であることと、2 つの単調増加関数の差に書けることは同値です。符号付き測度をジョルダン分解したのと、まったく同じ形をしています。

不連続点は可算個しかない

単調関数の不連続点は跳びだけで、しかも可算個です。跳びの高さの総和が有限だから、大きい跳びは有限個しかありません。

有界変動は単調関数の差なので、この性質を引き継ぎます[1]。振動して収束しないような不連続は起こりえない。

跳びの高さを全部足すと、全変動を超えません。跳びが可算個という結論は、そこから出ます。

ほとんどいたるところ微分可能

ルベーグの定理により、単調関数はほとんどいたるところ微分可能です。有界変動もその差なので、同じ結論を引き継ぎます[2]。

微分可能な点の集合の外は零集合。ただし導関数を積分しても、もとの関数に戻るとはかぎりません。

ほとんどいたるところ微分可能

有界変動なら必ず成り立つ。カントール関数も満たす

導関数の積分でもとに戻る

もっと強い条件が要る。カントール関数では成り立たない

例: は有界変動でない

で 、 と定めます。連続ですが、原点の近くで振動が減りません。

を分割点にとると、 で符号が交互に変わります。差の和は次のように下から押さえられる。

右辺は調和級数と同じ速さで発散します。振幅の減り方が では追いつきません[2]。

なら導関数が有界になるので、有界変動です。振幅を 1 段強く減らせば救われる。

例:微分可能でも有界変動とはかぎらない

で 、 とします。 から原点でも微分可能です[3]。

では なので 、その隣の零点では 。上下の往復が ずつ積み上がります。

各点で微分できても、動いた距離は無限になりうる。微分可能性と有界変動は、どちらも相手を含みません。

例:カントール関数は有界変動

カントール関数 は単調増加なので、 です[4]。有界変動の条件はあっさり満たします。

それでも が概収束の意味で成り立ち、導関数の積分は 。有界変動であることは、微積分学の基本定理を保証しません。

有界変動より強い条件が要る、という事実がここで見えます。

演算で閉じる

有界変動な関数の和、差、積はまた有界変動です[3]。分母が から離れていれば商も入ります。

全変動には劣加法性が成り立ちます。

をノルムにすると、 はバナッハ空間になります[1]。可分ではありません。

ルベーグ・スティルチェス測度との対応

右連続な有界変動関数 から、区間の測度を で定めると符号付き測度が作れます。

逆に有限符号付き測度から と置けば、右連続な有界変動関数が得られる。両者は 1 対 1 に対応します[1]。

しかも の全変動と、符号付き測度 の全変動 が一致します。名前が同じなのは偶然ではありません。

が単調増加 が正測度
が跳ぶ が原子を持つ
が絶対連続
がカントール関数 が特異連続

quiz で確かめる

上の関数について、有界変動であるものはどれですか。

  • 、
  • カントール関数
  • 、
  • 有理数で 、無理数で をとる関数
__RESULT__

カントール関数は単調増加なので全変動は です。1 番目と 3 番目は原点の近くの振動で発散し、4 番目はどの区間でも上下に跳び続けるので発散します。

よくある誤り

連続なら有界変動だと思う。 が反例です
微分可能なら有界変動だと思う。 が反例です
有界変動なら導関数の積分でもとに戻ると思う。カントール関数で崩れます
有界変動なら連続だと思う。跳びを持つ階段関数も有界変動です
全変動が だと思う。等しくなるのは単調なときだけです
不連続点が有限個だと思う。可算個までは許されます
分割を粗くすると和が大きくなると思う。細分すると増えるので、上限は細かい側にあります
が可分だと思う。ノルム空間としては完備ですが可分ではありません

参考文献

Bounded variation. Wikipedia(英語).
Beschränkte Variation. Wikipedia(ドイツ語).
Fonction à variation bornée. Wikipédia(フランス語).
Cantor function. Wikipedia(英語).
分割を細かくしながら $\sum |f(x_i) - f(x_{i-1})|$ を足し上げ、その上限が有限なら有界変動です。全変動関数 $V$ を作ると $V+f$ と $V-f$ がどちらも増加関数になり、$f$ は増加関数の差に分かれる。符号付き測度のジョルダン分解と同じ形です。連続でも $x\sin(1/x)$ は外れ、各点で微分できる $x^2\cos^2(\pi/x^2)$ も外れる。逆にカントール関数は有界変動なのに、導関数を積分してももとに戻りません。