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導関数を積分するともとに戻る条件〜絶対連続関数と微積分学の基本定理

カントール関数は連続で単調、ほとんどいたるところ なのに から まで上がります。導関数を積分してももとに戻りません。

この破れをちょうど塞ぐ条件が絶対連続です[1]。ジュゼッペ・ヴィタリが 1905 年に導入しました[2]

この等式が成り立つ関数の全体が、絶対連続な関数の全体とぴったり一致します。微積分学の基本定理が、ルベーグ積分で完全な形になる。

定義

上の が絶対連続であるとは、任意の に対して がとれて、次が成り立つことをいいます[1]

互いに交わらない有限個の区間 について、長さの合計が 未満ならいつでも変化量の合計が 未満になる。

一様連続の定義とよく似ています。違いは、1 つの区間ではなく有限個をまとめて数える点。

区間を 1 つだけにすると一様連続の条件そのものになります。だから絶対連続は一様連続より強い。

連続の階層

コンパクト区間の上では、条件の強さが一列に並びます[3]

リプシッツ

絶対連続

一様連続

連続

どの矢印も逆向きには進みません。絶対連続と一様連続の境目は、カントール関数がはっきり見せてくれます[4]

有界変動との関係は包含になります。絶対連続なら必ず有界変動ですが、逆は成り立ちません。

例:リプシッツ関数は絶対連続

なら、変化量の合計が長さの合計で押さえられます。

ととれば定義を満たします。導関数が有界な 関数はすべてここに入る。

例:リプシッツでない絶対連続関数

で考えます。原点で傾きが無限大になるので、リプシッツではありません。

それでも絶対連続です。導関数 で可積分なので、不定積分として書けるため。

傾きが無限に立っても、可積分でありさえすれば絶対連続。階層が真に段階を持つことが分かります。

絶対連続なら有界変動

に対する をとり、 を長さ 未満の小区間 個に分けます。

各小区間の中では、どんな分割をしても変化量の合計は 未満です。全体では 未満に収まる。

有界変動なので、ほとんどいたるところ微分可能で、導関数は可積分になります[3]

基本定理の第 1 部

の不定積分を と置きます。このとき は絶対連続です。

証明は積分の絶対連続性そのもの。 なら となる がとれるので、区間の合計長さを 未満にすればよい。

さらにルベーグの微分定理から、ほとんどすべての が成り立ちます。

基本定理の第 2 部

逆向きが本題です。 で絶対連続なら、次のすべてが成り立ちます[1]

はほとんどいたるところ微分可能である。
導関数 で可積分である。
すべての について が成り立つ。

3 番目が結論です。絶対連続でありさえすれば、導関数を積分してもとに戻る。

2 つを合わせると同値になります。 が絶対連続であることと、可積分な関数の不定積分として書けることは同じ主張です。

区間の合計長さは に近づきます。 の側は変化量も落ちますが、カントール関数の側は のまま。

カントール関数はどこで外れるか

カントール集合を覆う第 段の区間をとると、長さの合計は です。いくらでも小さくできます。

ところがカントール関数は、除いた真ん中の区間で値が変わりません。増加のすべてがこの区間たちの上で起きている。

長さの合計をどれだけ縮めても、変化量の合計は から落ちません。 に対する が存在しない。

ルジンの N 性質

零集合を零集合に写す性質を、ルジンの N 性質といいます[3]。絶対連続な関数はこれを満たします。

カントール関数は満たしません。零集合であるカントール集合を、長さ の区間全体に写してしまうためです。

絶対連続な関数

零集合の像は零集合。長さを無から作り出せない

カントール関数

長さ のカントール集合を、長さ の区間に写す

バナッハ・ザレツキの定理

3 つの条件をそろえると絶対連続と同値になります[1]

が絶対連続であることと、 が連続かつ有界変動でルジンの N 性質を満たすことは同値です。

カントール関数は連続で有界変動なので、外れているのは N 性質だけ。図で見た「輪の外」の正体がこれです。

測度の言葉に直す

右連続な単調増加関数 からルベーグ・スティルチェス測度 を作ります。

が絶対連続であることと、 であることは同値です[2]。関数の絶対連続と測度の絶対連続が、同じ名前で呼ばれる理由がここにあります。

密度も一致します。ラドン・ニコディム微分 が、ほとんどいたるところ に等しい。

が絶対連続
が特異連続、原子なし
が跳ぶ が原子を持つ

部分積分と置換積分

がともに で絶対連続なら、積 も絶対連続で部分積分が成り立ちます。

置換積分も、置換に使う関数が絶対連続なら通ります。カントール関数で置換すると壊れる。

古典的な計算規則をどこまで緩めても保てるか。その境目を絶対連続という条件が引いています。

上の関数について、絶対連続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__

は原点でリプシッツではありませんが、導関数 が可積分なので不定積分として書けます。カントール関数は N 性質を満たさず、3 番目は有界変動ですらありません。

よくある誤り

一様連続なら絶対連続だと思う。カントール関数が反例です
絶対連続ならリプシッツだと思う。 が反例です
有界変動なら絶対連続だと思う。包含は逆で、絶対連続のほうが狭い条件です
ほとんどいたるところ なら が定数だと思う。絶対連続を足して初めて言えます
定義で区間を 1 つだけ考えればよいと思う。有限個をまとめて数えるところが要です
無限個の区間で定義すると思う。定義に使うのは有限個です
連続かつ有界変動なら絶対連続だと思う。N 性質がもう 1 つ要ります
置換積分がいつでも通ると思う。置換に使う関数が絶対連続であることが要ります

参考文献

Absolute continuity. Wikipedia(英語).
Absolut stetige Funktion. Wikipedia(ドイツ語).
Fonction absolument continue. Wikipédia(フランス語).
Cantor function. Wikipedia(英語).
有限個の交わらない区間について、長さの合計を小さくすれば変化量の合計も小さくなる。この条件が絶対連続で、$F(x) - F(a) = \int_a^x F'$ が成り立つ関数の全体とぴったり一致します。リプシッツより弱く一様連続より強い位置にあり、$\sqrt{x}$ が前者との差、カントール関数が後者との差を見せる。零集合を零集合に写すルジンの N 性質を足すと、連続かつ有界変動という条件から絶対連続を言い直せます。