§2 The Riemann-Stieltjes integral · 리만-스틸체스 적분

DEF 2.1 분할, 상합과 하합, 그리고 상·하 리만적분 Partitions, Upper and Lower Sums, and the Upper and Lower Riemann Integrals
한국어

$[a,b]$를 $a \lt b$인 닫힌 구간이라 하자. $[a,b]$의 분할 $P$란 다음을 만족하는 점들의 유한집합 $x_0$, $x_1$, $\ldots$, $x_n$이다.

$$a = x_0 \le x_1 \le \cdots \le x_{n-1} \le x_n = b.$$

다음과 같이 쓴다.

$$\Delta x_i = x_i - x_{i-1} \qquad (i = 1, \ldots, n).$$

$f$를 $[a,b]$ 위의 실숫값 유계함수, $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[a,b]$의 분할이라 하자. 각 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해 다음과 같이 둔다.

$$M_i := \sup_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \sup\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$
$$m_i := \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \inf\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$
$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i,$$

그리고

$$L(P,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i,$$

$U(P,f)$를 $P$에 대한 $f$의 상합, $L(P,f)$를 $P$에 대한 $f$의 하합이라 부른다. 명백히

$$L(P,f) \le U(P,f).$$

마지막으로 다음과 같이 정의한다.

$$\overline{\int_a^b} f dx := \inf U(P,f)$$

그리고

$$\underline{\int_a^b} f dx := \sup L(P,f),$$

여기서 inf와 sup은 $[a,b]$의 모든 분할 $P$에 대해 취한다. 즉,

$$\inf U(P,f) := \inf\{U(P,f) : P \text{ is a partition of } [a,b]\}$$

그리고

$$\sup L(P,f) := \sup\{L(P,f) : P \text{ is a partition of } [a,b]\}.$$

여기서 $\overline{\int_a^b} f dx$와 $\underline{\int_a^b} f dx$를 각각 $[a,b]$에서 $f$의 상리만적분하리만적분이라 부른다. 더욱이 $[a,b]$의 임의의 분할 $P$에 대해 명백히

$$L(P,f) \le \underline{\int_a^b} f dx,$$

그리고

$$\overline{\int_a^b} f dx \le U(P,f).$$
English

Let $[a,b]$ be a closed interval with $a \lt b$. A partition $P$ of $[a,b]$ is a finite set of points $x_0$, $x_1$, $\ldots$, $x_n$ such that

$$a = x_0 \le x_1 \le \cdots \le x_{n-1} \le x_n = b.$$

We write

$$\Delta x_i = x_i - x_{i-1} \qquad (i = 1, \ldots, n).$$

Let $f$ be a real-valued bounded function on $[a,b]$ and $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be a partition of $[a,b]$. For each $i \in \{1, \ldots, n\}$, we put

$$M_i := \sup_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \sup\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$
$$m_i := \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \inf\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$
$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i,$$

and

$$L(P,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i,$$

We say that $U(P,f)$ is an upper sum of $f$ over $P$ and $L(P,f)$ is a lower sum of $f$ over $P$. Obviously,

$$L(P,f) \le U(P,f).$$

Finally, we define

$$\overline{\int_a^b} f dx := \inf U(P,f)$$

and

$$\underline{\int_a^b} f dx := \sup L(P,f),$$

where the inf and the sup are taken over all partitions $P$ of $[a,b]$, i.e.

$$\inf U(P,f) := \inf\{U(P,f) : P \text{ is a partition of } [a,b]\}$$

and

$$\sup L(P,f) := \sup\{L(P,f) : P \text{ is a partition of } [a,b]\}.$$

Here $\overline{\int_a^b} f dx$ and $\underline{\int_a^b} f dx$ are called the upper Riemann integral of $f$ on $[a,b]$ and the lower Riemann integral of $f$ on $[a,b]$, respectively. Moreover, obviously for any partition $P$ of $[a,b]$,

$$L(P,f) \le \underline{\int_a^b} f dx,$$

and

$$\overline{\int_a^b} f dx \le U(P,f).$$
REM 2.2 유계성과 상합·하합의 존재 Boundedness and the Existence of Upper and Lower Sums
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 실숫값 유계함수라 하자. 즉 다음을 만족하는 양의 상수 $M > 0$이 존재한다고 하자.

$$|f(x)| \lt M \qquad \forall x \in [a,b].$$

그러면 명백히 $f$는 위로 유계이고 아래로 유계이다. 따라서 모든 실숫값 유계함수 $f$와 $[a,b]$의 분할 $P$에 대해 $U(P,f)$와 $L(P,f)$가 잘 정의된다. 즉 $U(P,f)$와 $L(P,f)$는 $\mathbb{R}$에 존재한다. 더 정확히는,

$$\begin{aligned} -M(b-a) = -M\sum_{i=1}^{n} \Delta x_i &\le \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i = L(P,f) \\ &\le \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i = U(P,f) \le M \sum_{i=1}^{n} \Delta x_i = M(b-a) \end{aligned}$$

따라서 $\overline{\int_a^b} f dx$와 $\underline{\int_a^b} f dx$ 역시 $\mathbb{R}$에 존재한다.

English

Let $f$ be a real-valued bounded function on $[a,b]$, i.e. there exists a positive constant $M > 0$ such that

$$|f(x)| \lt M \qquad \forall x \in [a,b].$$

Then obviously $f$ is bounded above and bounded below. Thus for all real-valued bounded function $f$ and a partition $P$ of $[a,b]$, $U(P,f)$ and $L(P,f)$ are well-defined, i.e. $U(P,f)$ and $L(P,f)$ exist in $\mathbb{R}$. More precisely,

$$\begin{aligned} -M(b-a) = -M\sum_{i=1}^{n} \Delta x_i &\le \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i = L(P,f) \\ &\le \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i = U(P,f) \le M \sum_{i=1}^{n} \Delta x_i = M(b-a) \end{aligned}$$

Therefore $\overline{\int_a^b} f dx$ and $\underline{\int_a^b} f dx$ exist in $\mathbb{R}$ as well.

REM 2.3 두 분할의 합집합 The Union of Two Partitions
한국어

$P_0 = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[a,b]$의 분할, $P_1 = \{y_0, \ldots, y_m\}$을 $[a,b]$의 또 다른 분할이라 하자. 그러면 $a = x_0 \le x_1 \le \cdots \le x_n = b$이고 $a = y_0 \le y_1 \le \cdots \le y_m = b$이다. 다음 집합을 생각하자.

$$P_0 \cup P_1 = \{x_0, x_1, \ldots, x_n, y_0, \ldots, y_m\}.$$

$P_0 \cup P_1$이 유한집합이므로 $P_0 \cup P_1$의 모든 원소의 순서를 비교할 수 있다. 따라서 $P_0 \cup P_1$의 원소들을 다음과 같이 재배열할 수 있다.

$$P_0 \cup P_1 = \{x_0, x_1, \ldots, x_n, y_0, \ldots, y_m\} = \{z_0, z_1, \ldots, z_{n+m+1}\}$$

그리고

$$a = z_0 \le z_1 \le z_2 \le \ldots \le z_{n+m+1} = b.$$

따라서 $P_0 \cup P_1$을 $[a,b]$의 분할로 볼 수 있다. 더욱이,

$$\min\{U(P_0,f), U(P_1,f)\} \ge U(P_0 \cup P_1, f) \tag{2.1}$$

그리고

$$\max\{L(P_0,f), L(P_1,f)\} \le L(P_0 \cup P_1, f). \tag{2.2}$$

두 부등식 (2.1)과 (2.2)는 직관적으로 명백해 보이며, 이 두 부등식의 엄밀한 증명은 나중에 주어질 것이다.

English

Let $P_0 = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be a partition of $[a,b]$ and $P_1 = \{y_0, \ldots, y_m\}$ be an another partition of $[a,b]$. Then $a = x_0 \le x_1 \le \cdots \le x_n = b$ and $a = y_0 \le y_1 \le \cdots \le y_m = b$. Consider the set

$$P_0 \cup P_1 = \{x_0, x_1, \ldots, x_n, y_0, \ldots, y_m\}.$$

Since $P_0 \cup P_1$ is a finite set, we can compare the order of all elements of $P_0 \cup P_1$. Thus we can rearrange the elements of $P_0 \cup P_1$ so that

$$P_0 \cup P_1 = \{x_0, x_1, \ldots, x_n, y_0, \ldots, y_m\} = \{z_0, z_1, \ldots, z_{n+m+1}\}$$

and

$$a = z_0 \le z_1 \le z_2 \le \ldots \le z_{n+m+1} = b.$$

Therefore we can consider $P_0 \cup P_1$ as a partition of $[a,b]$. Moreover,

$$\min\{U(P_0,f), U(P_1,f)\} \ge U(P_0 \cup P_1, f) \tag{2.1}$$

and

$$\max\{L(P_0,f), L(P_1,f)\} \le L(P_0 \cup P_1, f). \tag{2.2}$$

Two inequalities (2.1) and (2.2) seem to be clear intuitively and a rigorous proof of these two inequalities will be given later.

THM 2.4 하리만적분은 상리만적분을 넘지 않는다 The Lower Integral Does Not Exceed the Upper Integral
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. $\overline{\int_a^b} f dx$와 $\underline{\int_a^b} f dx$가 $\mathbb{R}$에 존재한다고 가정하자. 그러면

$$\underline{\int_a^b} f dx \le \overline{\int_a^b} f dx.$$

$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 다음이 성립하므로

$$\overline{\int_a^b} f dx := \inf U(P,f),$$

여기서 inf는 $[a,b]$의 모든 분할에 대해 취하며, 다음을 만족하는 분할 $P_0$가 존재한다.

$$U(P_0,f) \lt \overline{\int_a^b} f dx + \varepsilon$$

마찬가지로,

$$\underline{\int_a^b} f dx := \sup L(P,f), \tag{2.3}$$

이므로 다음을 만족하는 분할 $P_1$이 존재한다.

$$\underline{\int_a^b} f dx - \varepsilon \lt L(P_1,f) \tag{2.4}$$

더욱이,

$$L(P_1,f) \le L(P_0 \cup P_1, f) \le U(P_0 \cup P_1, f) \le U(P_0,f). \tag{2.5}$$

따라서 (2.3), (2.4), (2.5)를 결합하면

$$\underline{\int_a^b} f dx - \varepsilon \lt \overline{\int_a^b} f dx + \varepsilon.$$

$\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로 최종적으로 다음을 얻는다.

$$\underline{\int_a^b} f dx \le \overline{\int_a^b} f dx.$$
English

Let $f$ be a real-valued function on $[a,b]$. Assume that $\overline{\int_a^b} f dx$ and $\underline{\int_a^b} f dx$ exist in $\mathbb{R}$. Then

$$\underline{\int_a^b} f dx \le \overline{\int_a^b} f dx.$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Since

$$\overline{\int_a^b} f dx := \inf U(P,f),$$

where inf is taken over all partitions of $[a,b]$, there exists a partition $P_0$ such that

$$U(P_0,f) \lt \overline{\int_a^b} f dx + \varepsilon$$

Similarly, since

$$\underline{\int_a^b} f dx := \sup L(P,f), \tag{2.3}$$

there exists a partition $P_1$ such that

$$\underline{\int_a^b} f dx - \varepsilon \lt L(P_1,f) \tag{2.4}$$

Moreover,

$$L(P_1,f) \le L(P_0 \cup P_1, f) \le U(P_0 \cup P_1, f) \le U(P_0,f). \tag{2.5}$$

Therefore, combining (2.3), (2.4), and (2.5), we have

$$\underline{\int_a^b} f dx - \varepsilon \lt \overline{\int_a^b} f dx + \varepsilon.$$

Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, we finally obtain

$$\underline{\int_a^b} f dx \le \overline{\int_a^b} f dx.$$
COR 2.5 하합·상합과 상·하 리만적분의 비교 Lower and Upper Sums versus the Riemann Integrals
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 실숫값 함수, $P$를 $[a,b]$의 분할이라 하자. $\overline{\int_a^b} f dx$와 $\underline{\int_a^b} f dx$가 $\mathbb{R}$에 존재한다고 가정하자. 그러면

$$L(P,f) \le \underline{\int_a^b} f dx \le \overline{\int_a^b} f dx \le U(P,f). \tag{2.6}$$
English

Let $f$ be a real-valued function on $[a,b]$ and $P$ be a partition of $[a,b]$. Assume that $\overline{\int_a^b} f dx$ and $\underline{\int_a^b} f dx$ exist in $\mathbb{R}$. Then

$$L(P,f) \le \underline{\int_a^b} f dx \le \overline{\int_a^b} f dx \le U(P,f). \tag{2.6}$$
DEF 2.6 리만 적분 The Riemann integral
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. $\overline{\int_a^b} f dx$와 $\underline{\int_a^b} f dx$가 모두 $\mathbb{R}$에 존재하고

$$\overline{\int_a^b} f dx = \underline{\int_a^b} f dx.$$

일 때, 그리고 오직 그럴 때만 $f$가 $[a,b]$에서 리만 적분가능하다고 말한다. $[a,b]$에서 리만 적분가능한 함수 $f$에 대해 다음과 같이 쓴다.

$$\int_a^b f dx := \overline{\int_a^b} f dx.$$
English

Let $f$ be a real-valued function on $[a,b]$. We say that $f$ is Riemann-integrable on $[a,b]$ iff both $\overline{\int_a^b} f dx$ and $\underline{\int_a^b} f dx$ exist in $\mathbb{R}$ and

$$\overline{\int_a^b} f dx = \underline{\int_a^b} f dx.$$

For any Riemann-integrable function $f$ on $[a,b]$, we write

$$\int_a^b f dx := \overline{\int_a^b} f dx.$$
EXAM 2.7 리만 적분가능하지 않은 유계함수 A Bounded Function That Is Not Riemann-Integrable
한국어

다음과 같이 정의하자.

$$f(x) := \begin{cases} 1 & \text{if } x \text{ is a irrational number} \\ 0 & \text{if } x \text{ is a rational number} \end{cases}$$

그리고 $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[a,b]$의 분할이라 하자. 그러면

$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} \Delta x_i = x_n - x_0 = b - a,$$

그리고

$$L(P,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} 0 \cdot \Delta x_i = 0.$$

따라서 $f$는 유계임에도 불구하고 리만 적분가능하지 않다.

English

Define

$$f(x) := \begin{cases} 1 & \text{if } x \text{ is a irrational number} \\ 0 & \text{if } x \text{ is a rational number} \end{cases}$$

and let $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be a partition of $[a,b]$. Then

$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} \Delta x_i = x_n - x_0 = b - a,$$

and

$$L(P,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} 0 \cdot \Delta x_i = 0.$$

Therefore $f$ is not Riemann-integrable even though $f$ is bounded.

EXAM 2.8 비유계함수와 리만 적분가능성 An Unbounded Function and Riemann-Integrability
한국어

다음과 같이 정의하자.

$$f(x) := \begin{cases} \frac{1}{x^2} & \text{if } x > 0 \\ 0 & \text{if } x = 0. \end{cases}$$

그리고 $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[0,1]$의 분할이라 하자. 그러면 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다.

$$x_{i_0-1} \le 0 \lt x_{i_0}.$$

따라서

$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i \ge M_{i_0} \Delta x_{i_0} = \infty.$$

이고 이는 $\overline{\int_a^b} f dx$가 $\mathbb{R}$에 존재하지 않음을 의미한다. 그러나 $f$는 임의의 $\delta > 0$에 대해 $[\delta, 1+\delta]$에서 리만 적분가능하다. 이를 보이기 위해 $\delta > 0$을 고정하자. 각 $n \in \mathbb{N}$에 대해 다음과 같이 정의한다.

$$P_n := \left\{ \delta + \frac{k}{n} : k = 0, 1, \ldots, n \right\}.$$

그러면 $P_n$은 $[\delta, 1+\delta]$의 분할이다. 각 $n$에 대해 다음을 관찰하자.

$$U(P_n,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} \left( \delta + \frac{i-1}{n} \right)^{-2} \frac{1}{n} = \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} \right)^{2} \frac{1}{n}$$

그리고

$$L(P_n,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} \left( \delta + \frac{i}{n} \right)^{-2} \frac{1}{n} = \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{n\delta + i} \right)^{2} \frac{1}{n}.$$

따라서

$$\begin{aligned} U(P_n,f) - L(P_n,f) &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} \right)^{2} - \left( \frac{n}{n\delta + i} \right)^{2} \right) \\ &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} - \frac{n}{n\delta + i} \right) \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} + \frac{n}{n\delta + i} \right) \\ &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{(n\delta + i - 1)(n\delta + i)} \right) \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} + \frac{n}{n\delta + i} \right) \\ &\le \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{(n\delta)(n\delta)} \right) \left( \frac{n}{n\delta} + \frac{n}{n\delta} \right) \\ &= \frac{2}{\delta^3} \frac{1}{n}. \end{aligned}$$

더욱이 (2.6)에 의해

$$\left| \overline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx - \underline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx \right| = \overline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx - \underline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx \le U(P_n,f) - L(P_n,f) \le \frac{2}{\delta^3} \frac{1}{n}$$

이 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해 성립한다. 마지막으로 위 부등식에서 $n \to \infty$를 취하면 다음을 얻는다.

$$\overline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx = \underline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx$$

따라서 $f$는 $[\delta, 1+\delta]$에서 리만 적분가능하다.

English

Define

$$f(x) := \begin{cases} \frac{1}{x^2} & \text{if } x > 0 \\ 0 & \text{if } x = 0. \end{cases}$$

and let $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be a partition of $[0,1]$. Then there exist a $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that

$$x_{i_0-1} \le 0 \lt x_{i_0}.$$

Thus

$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i \ge M_{i_0} \Delta x_{i_0} = \infty.$$

and it implies that $\overline{\int_a^b} f dx$ does not exist in $\mathbb{R}$. However, $f$ is Riemann-integrable on $[\delta, 1+\delta]$ for any $\delta > 0$. Fix $\delta > 0$ to show this statement. For each $n \in \mathbb{N}$, define

$$P_n := \left\{ \delta + \frac{k}{n} : k = 0, 1, \ldots, n \right\}.$$

Then $P_n$ is a partition of $[\delta, 1+\delta]$. Observe that for each $n$,

$$U(P_n,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} \left( \delta + \frac{i-1}{n} \right)^{-2} \frac{1}{n} = \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} \right)^{2} \frac{1}{n}$$

and

$$L(P_n,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i = \sum_{i=1}^{n} \left( \delta + \frac{i}{n} \right)^{-2} \frac{1}{n} = \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{n\delta + i} \right)^{2} \frac{1}{n}.$$

Thus

$$\begin{aligned} U(P_n,f) - L(P_n,f) &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} \right)^{2} - \left( \frac{n}{n\delta + i} \right)^{2} \right) \\ &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} - \frac{n}{n\delta + i} \right) \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} + \frac{n}{n\delta + i} \right) \\ &= \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{(n\delta + i - 1)(n\delta + i)} \right) \left( \frac{n}{n\delta + i - 1} + \frac{n}{n\delta + i} \right) \\ &\le \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left( \frac{n}{(n\delta)(n\delta)} \right) \left( \frac{n}{n\delta} + \frac{n}{n\delta} \right) \\ &= \frac{2}{\delta^3} \frac{1}{n}. \end{aligned}$$

Moreover, due to (2.6), we have

$$\left| \overline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx - \underline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx \right| = \overline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx - \underline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx \le U(P_n,f) - L(P_n,f) \le \frac{2}{\delta^3} \frac{1}{n}$$

for all $n \in \mathbb{N}$. Finally taking $n \to \infty$ in the above inequality, we have

$$\overline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx = \underline{\int_\delta^{\delta+1}} f dx$$

and thus $f$ is Riemann-integrable on $[\delta, 1+\delta]$.

EX 2.9 역제곱근함수의 적분가능성 Integrability of the Inverse Square Root
한국어

다음과 같이 정의하자.

$$f(x) := \begin{cases} \frac{1}{\sqrt{x}} & \text{if } x > 0 \\ 0 & \text{if } x = 0. \end{cases}$$

$f$가 $[0,1]$에서 리만 적분가능한지 증명하거나 반증하라.

$P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[0,1]$의 임의의 분할이라 하자. 예제 2.8과 마찬가지로 $x_0 = 0$이고 $x_n = 1 > 0$이므로 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다.

$$x_{i_0-1} \le 0 \lt x_{i_0}.$$

$P$가 $[0,1]$의 분할이므로 $x_{i_0-1} \ge x_0 = 0$이고, 따라서 $x_{i_0-1} = 0$이다. 즉 $[x_{i_0-1}, x_{i_0}] = [0, x_{i_0}]$이고 $\Delta x_{i_0} = x_{i_0} > 0$이다.

$M_{i_0} = \sup_{0 \le x \le x_{i_0}} f(x) = \infty$임을 보이자. $k \in \mathbb{N}$을 $k \ge 1/\sqrt{x_{i_0}}$를 만족하도록 잡으면 $0 \lt 1/k^2 \le x_{i_0}$이므로 $1/k^2 \in [0, x_{i_0}]$이고

$$f\left(\frac{1}{k^2}\right) = \frac{1}{\sqrt{1/k^2}} = k.$$

따라서 이러한 모든 $k$에 대해 $M_{i_0} \ge k$이고, $k \to \infty$이므로 $M_{i_0} = \infty$이다.

$f \ge 0$이므로 모든 $i$에 대해 $M_i \ge 0$이고, 따라서

$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i \ge M_{i_0} \Delta x_{i_0} = \infty.$$

이는 $[0,1]$의 임의의 분할 $P$에 대해 성립하므로

$$\overline{\int_0^1} f dx := \inf U(P,f) = \infty,$$

즉 $\overline{\int_0^1} f dx$는 $\mathbb{R}$에 존재하지 않는다. 정의 2.6에 의해 리만 적분가능성은 $\overline{\int_a^b} f dx$와 $\underline{\int_a^b} f dx$가 모두 $\mathbb{R}$에 존재할 것을 요구하므로, $f$는 $[0,1]$에서 리만 적분가능하지 않다.

English

Define

$$f(x) := \begin{cases} \frac{1}{\sqrt{x}} & \text{if } x > 0 \\ 0 & \text{if } x = 0. \end{cases}$$

Prove or disprove that $f$ is Riemann integrable on $[0,1]$.

Let $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be an arbitrary partition of $[0,1]$. As in Example 2.8, since $x_0 = 0$ and $x_n = 1 > 0$, there exists $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that

$$x_{i_0-1} \le 0 \lt x_{i_0}.$$

Since $P$ is a partition of $[0,1]$, $x_{i_0-1} \ge x_0 = 0$, and hence $x_{i_0-1} = 0$. Thus $[x_{i_0-1}, x_{i_0}] = [0, x_{i_0}]$ and $\Delta x_{i_0} = x_{i_0} > 0$.

We show that $M_{i_0} = \sup_{0 \le x \le x_{i_0}} f(x) = \infty$. Choose $k \in \mathbb{N}$ with $k \ge 1/\sqrt{x_{i_0}}$. Then $0 \lt 1/k^2 \le x_{i_0}$, so $1/k^2 \in [0, x_{i_0}]$ and

$$f\left(\frac{1}{k^2}\right) = \frac{1}{\sqrt{1/k^2}} = k.$$

Thus $M_{i_0} \ge k$ for every such $k$, and letting $k \to \infty$ gives $M_{i_0} = \infty$.

Since $f \ge 0$, we have $M_i \ge 0$ for all $i$, and hence

$$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i \ge M_{i_0} \Delta x_{i_0} = \infty.$$

Since this holds for every partition $P$ of $[0,1]$,

$$\overline{\int_0^1} f dx := \inf U(P,f) = \infty,$$

i.e. $\overline{\int_0^1} f dx$ does not exist in $\mathbb{R}$. By Definition 2.6, Riemann-integrability requires both $\overline{\int_a^b} f dx$ and $\underline{\int_a^b} f dx$ to exist in $\mathbb{R}$, so $f$ is not Riemann-integrable on $[0,1]$.

EX 2.10 비유계함수는 리만 적분가능하지 않다 Unbounded Functions Are Not Riemann-Integrable
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 실숫값 함수라 하자. $f$가 $[a,b]$에서 유계가 아니라고, 즉 다음을 만족하는 $M > 0$이 존재하지 않는다고 가정하자.

$$|f(x)| \lt M \qquad \forall x \in [a,b].$$

$f$가 $[a,b]$에서 리만 적분가능하지 않음을 보여라.

$f$가 $[a,b]$에서 유계가 아니라고 가정하자. 즉 다음을 만족하는 $M>0$이 존재하지 않는다.

$$|f(x)| \lt M \qquad \forall x \in [a,b].$$

먼저 이는 $f$가 $[a,b]$에서 위로 유계가 아니거나 아래로 유계가 아님을 뜻함을 관찰하자. 만약 $f$가 위로도 유계이고 아래로도 유계라면, 즉 어떤 $M_1, M_2 \in \mathbb{R}$에 대해 모든 $x \in [a,b]$에서 $f(x) \le M_1$이고 $f(x) \ge M_2$라면, $M := \max\{|M_1|,|M_2|\} + 1 > 0$으로 두었을 때 모든 $x \in [a,b]$에 대해 $|f(x)| \lt M$이 성립하여 가정에 모순이다.

  • (경우 1) $f$가 $[a,b]$에서 위로 유계가 아닌 경우. $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$을 $[a,b]$의 임의의 분할이라 하자. 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재함을 보이자.
    $$M_{i_0} := \sup_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x) = \infty.$$

    그렇지 않다고, 즉 모든 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해 $M_i \lt \infty$라고 가정하자. $M := \max\{M_1, \ldots, M_n\}$은 유한한 실수이다. $[a,b] = \bigcup_{i=1}^{n} [x_{i-1}, x_i]$이므로 임의의 $x \in [a,b]$에 대해 $x \in [x_{i-1}, x_i]$인 $i$가 존재하고, 따라서 $f(x) \le M_i \le M$이다. 이는 $f$가 $[a,b]$에서 $M$으로 위로 유계임을 뜻하며, 가정에 모순이다. 따라서 어떤 $i_0$에 대해 $M_{i_0} = \infty$이다.

    더욱이 $x_{i_0-1} = x_{i_0}$라면 $[x_{i_0-1}, x_{i_0}] = \{x_{i_0-1}\}$이므로 $M_{i_0} = f(x_{i_0-1}) \in \mathbb{R}$이 되어 $M_{i_0} = \infty$에 모순이다. 따라서 $x_{i_0-1} \lt x_{i_0}$, 즉 $\Delta x_{i_0} > 0$이다. 그러므로

    $$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i \ge M_{i_0} \Delta x_{i_0} = \infty.$$

    이는 $[a,b]$의 임의의 분할 $P$에 대해 성립하므로

    $$\overline{\int_a^b} f dx := \inf U(P,f) = \infty,$$

    즉 $\overline{\int_a^b} f dx$는 $\mathbb{R}$에 존재하지 않는다. 정의 2.6에 의해 $f$는 $[a,b]$에서 리만 적분가능하지 않다.

  • (경우 2) $f$가 $[a,b]$에서 아래로 유계가 아닌 경우. (경우 1)과 대칭적인 논증을 사용한다. $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$을 $[a,b]$의 임의의 분할이라 하자. 모든 $i$에 대해 $m_i > -\infty$라면 $m := \min\{m_1, \ldots, m_n\}$이 유한한 실수이고, 위와 같은 이유로 $f$가 $[a,b]$에서 $m$으로 아래로 유계가 되어 가정에 모순이다. 따라서 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다.
    $$m_{i_0} := \inf_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x) = -\infty.$$

    또한 $x_{i_0-1} = x_{i_0}$라면 $m_{i_0} = f(x_{i_0-1}) \in \mathbb{R}$이 되어 모순이므로 $\Delta x_{i_0} > 0$이다. 따라서

    $$L(P,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i \le m_{i_0} \Delta x_{i_0} = -\infty.$$

    이는 $[a,b]$의 임의의 분할 $P$에 대해 성립하므로

    $$\underline{\int_a^b} f dx := \sup L(P,f) = -\infty,$$

    즉 $\underline{\int_a^b} f dx$는 $\mathbb{R}$에 존재하지 않는다. 정의 2.6에 의해 $f$는 $[a,b]$에서 리만 적분가능하지 않다.

두 경우 모두 $f$가 $[a,b]$에서 리만 적분가능하지 않으므로, $f$가 $[a,b]$에서 유계가 아니면 $f$는 $[a,b]$에서 리만 적분가능하지 않다.

English

Let $f$ be a real-valued function on $[a,b]$. Assume that $f$ is unbounded on $[a,b]$, i.e. there is no $M > 0$ such that

$$|f(x)| \lt M \qquad \forall x \in [a,b].$$

Show that $f$ is not Riemann-integrable on $[a,b]$.

Assume that $f$ is unbounded on $[a,b]$, i.e. there is no $M > 0$ such that

$$|f(x)| \lt M \qquad \forall x \in [a,b].$$

First observe that this means $f$ is not bounded above on $[a,b]$ or not bounded below on $[a,b]$. Indeed, if $f$ were both bounded above and bounded below, i.e. $f(x) \le M_1$ and $f(x) \ge M_2$ for all $x \in [a,b]$ for some $M_1, M_2 \in \mathbb{R}$, then setting $M := \max\{|M_1|,|M_2|\} + 1 > 0$ would give $|f(x)| \lt M$ for all $x \in [a,b]$, contradicting the assumption.

  • (Case 1) $f$ is not bounded above on $[a,b]$. Let $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ be an arbitrary partition of $[a,b]$. We show that there exists $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that
    $$M_{i_0} := \sup_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x) = \infty.$$

    Suppose not, i.e. $M_i \lt \infty$ for all $i \in \{1, \ldots, n\}$. Then $M := \max\{M_1, \ldots, M_n\}$ is a finite real number. Since $[a,b] = \bigcup_{i=1}^{n} [x_{i-1}, x_i]$, for any $x \in [a,b]$ there exists $i$ with $x \in [x_{i-1}, x_i]$, so $f(x) \le M_i \le M$. This means $f$ is bounded above by $M$ on $[a,b]$, contradicting the assumption. Hence $M_{i_0} = \infty$ for some $i_0$.

    Moreover, if $x_{i_0-1} = x_{i_0}$, then $[x_{i_0-1}, x_{i_0}] = \{x_{i_0-1}\}$, so $M_{i_0} = f(x_{i_0-1}) \in \mathbb{R}$, contradicting $M_{i_0} = \infty$. Hence $x_{i_0-1} \lt x_{i_0}$, i.e. $\Delta x_{i_0} > 0$. Therefore

    $$U(P,f) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta x_i \ge M_{i_0} \Delta x_{i_0} = \infty.$$

    Since this holds for every partition $P$ of $[a,b]$,

    $$\overline{\int_a^b} f dx := \inf U(P,f) = \infty,$$

    i.e. $\overline{\int_a^b} f dx$ does not exist in $\mathbb{R}$. By Definition 2.6, $f$ is not Riemann-integrable on $[a,b]$.

  • (Case 2) $f$ is not bounded below on $[a,b]$. We use a symmetric argument to Case 1. Let $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ be an arbitrary partition of $[a,b]$. If $m_i > -\infty$ for all $i$, then $m := \min\{m_1, \ldots, m_n\}$ is a finite real number, and by the same reasoning as above $f$ would be bounded below by $m$ on $[a,b]$, contradicting the assumption. Hence there exists $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that
    $$m_{i_0} := \inf_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x) = -\infty.$$

    Also, if $x_{i_0-1} = x_{i_0}$, then $m_{i_0} = f(x_{i_0-1}) \in \mathbb{R}$, a contradiction, so $\Delta x_{i_0} > 0$. Therefore

    $$L(P,f) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta x_i \le m_{i_0} \Delta x_{i_0} = -\infty.$$

    Since this holds for every partition $P$ of $[a,b]$,

    $$\underline{\int_a^b} f dx := \sup L(P,f) = -\infty,$$

    i.e. $\underline{\int_a^b} f dx$ does not exist in $\mathbb{R}$. By Definition 2.6, $f$ is not Riemann-integrable on $[a,b]$.

In either case, $f$ is not Riemann-integrable on $[a,b]$; thus if $f$ is unbounded on $[a,b]$, then $f$ is not Riemann-integrable on $[a,b]$.

DEF 2.11 상·하 리만-스틸체스 적분 Upper and Lower Riemann-Stieltjes Integrals
한국어

$\alpha$를 $[a,b]$ 위의 단조증가함수, $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[a,b]$의 분할이라 하자. 각 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해 다음과 같이 쓴다.

$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i) - \alpha(x_{i-1}).$$

명백히 모든 $i$에 대해 $\Delta\alpha_i \ge 0$이다. $f$를 $[a,b]$ 위의 유계함수라 하자. 다음과 같이 정의한다.

$$U(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i,$$
$$L(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i, \tag{2.7}$$
$$\overline{\int_a^b} f d\alpha := \inf U(P,f,\alpha),$$

그리고

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha := \sup L(P,f,\alpha),$$

여기서

$$M_i := \sup_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \sup\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$
$$m_i := \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \inf\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$

이고 inf와 sup은 $[a,b]$의 모든 분할 $P$에 대해 취한다. $\overline{\int_a^b} f d\alpha$와 $\underline{\int_a^b} f d\alpha$를 각각 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관한 $f$의 상·하 리만-스틸체스 적분이라 부른다. 명백히, 임의의 분할 $P$에 대해 다음이 성립함을 쉽게 확인할 수 있다.

$$L(P,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha). \tag{2.8}$$
English

Let $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a,b]$ and $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be a partition of $[a,b]$. For each $i \in \{1, \ldots, n\}$, we write

$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i) - \alpha(x_{i-1}).$$

Obviously $\Delta\alpha_i \ge 0$ for all $i$. Let $f$ be a bounded function on $[a,b]$. Define

$$U(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i,$$
$$L(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i, \tag{2.7}$$
$$\overline{\int_a^b} f d\alpha := \inf U(P,f,\alpha),$$

and

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha := \sup L(P,f,\alpha),$$

where

$$M_i := \sup_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \sup\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$
$$m_i := \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x) := \inf\{f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\},$$

and the inf and the sup are taken over all partitions $P$ of $[a,b]$. We call $\overline{\int_a^b} f d\alpha$ and $\underline{\int_a^b} f d\alpha$ the upper and lower Riemann-Stieltjes integral of $f$ with respect to $\alpha$ on $[a,b]$, respectively. Obviously, one can easily check that for any partition $P$

$$L(P,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha). \tag{2.8}$$
DEF 2.12 리만-스틸체스 적분가능성 Riemann-Stieltjes Integrability
한국어

$[a,b]$ 위의 함수 $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다는 것, 또는 $[a,b]$에서 리만-스틸체스 의미로 $\alpha$에 관하여 적분가능하다는 것은 $\overline{\int_a^b} f d\alpha$와 $\underline{\int_a^b} f d\alpha$가 모두 $\mathbb{R}$에 존재하고

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

임을 뜻한다. $[a,b]$에서 $f$가 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면 다음과 같은 기호를 사용한다.

$$\int_a^b f d\alpha$$

또는

$$\int_a^b f(x) d\alpha(x) \tag{2.9}$$

이는 다음 값을 나타낸다.

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

$\int_a^b f d\alpha$를 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관한 $f$의 리만-스틸체스 적분이라 부른다.

English

We say that a function $f$ on $[a,b]$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ or is integrable with respect to $\alpha$ in the Riemann-Stieltjes sense on $[a,b]$ if and only if both $\overline{\int_a^b} f d\alpha$ and $\underline{\int_a^b} f d\alpha$ exist in $\mathbb{R}$ and

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

If $f$ on $[a,b]$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$, then we use the notation

$$\int_a^b f d\alpha$$

or

$$\int_a^b f(x) d\alpha(x) \tag{2.9}$$

to denote the value

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

$\int_a^b f d\alpha$ is called the Riemann-Stieltjes integral of $f$ with respect to $\alpha$ on $[a,b]$.

REM 2.13 더미 변수와 특수한 경우로서의 리만 적분 Dummy Variables and the Riemann Integral as a Special Case
한국어
  • $\sum_{i=1}^{3} c_i$와 $\sum_{j=1}^{3} c_j$가 모두 다음 값을 나타냄을 상기하자.
    $$c_1 + c_2 + c_3.$$

    마찬가지로 (2.9)에서 $x$ 대신 $y$를 사용할 수도 있다. 이러한 유형의 변수를 더미 변수(dummy variable)라 부른다.

  • $\alpha(x) = x$라 하자. 그러면 명백히, $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능할 필요충분조건은 $f$가 $[a,b]$에서 리만 적분가능한 것이다. 더욱이,
    $$\int_a^b f d\alpha = \int_a^b f dx.$$
English
  • Recall that both $\sum_{i=1}^{3} c_i$ and $\sum_{j=1}^{3} c_j$ denote the value
    $$c_1 + c_2 + c_3.$$

    Similarly, we can use $y$ instead of $x$ in (2.9). This type variable is called dummy variable.

  • Let $\alpha(x) = x$. Then obviously, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ if and only if $f$ is Riemann integrable on $[a,b]$. Moreover,
    $$\int_a^b f d\alpha = \int_a^b f dx.$$
DEF 2.14 세분과 공통 세분 Refinement and Common Refinement
한국어

$P$와 $P^*$를 $[a,b]$의 분할이라 하자. $P^* \supset P$이면 분할 $P^*$를 $P$의 세분이라 부른다. $[a,b]$의 두 분할 $P_1$과 $P_2$가 주어졌을 때, $P^* = P_1 \cup P_2$이면 분할 $P^*$를 이들의 공통 세분이라 부른다.

English

Let $P$ and $P^*$ be partitions of $[a,b]$. We say that the partition $P^*$ is a refinement of $P$ if $P^* \supset P$. For given two partitions $P_1$ and $P_2$ of $[a,b]$, a partition $P^*$ is called their common refinement if $P^* = P_1 \cup P_2$.

THM 2.15 세분은 하합을 증가시킨다 Refinement Increases the Lower Sum
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 유계함수, $P$를 $[a,b]$의 분할, $P^*$를 $P$의 세분이라 하자. 그러면

$$L(P,f,\alpha) \le L(P^*,f,\alpha) \tag{2.10}$$

$P$가 $[a,b]$의 분할이므로 다음과 같이 둘 수 있다.

$$P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$$

여기서 $n \in \mathbb{N}$이다.

  • (경우 1) $P^*$가 $P$보다 정확히 한 점 더 많이 포함하는 경우. $x^*$를 그 추가된 점이라 하자. 그러면 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다.
    $$x_{i_0-1} \le x^* \le x_{i_0}.$$

    따라서

    $$P^* = \{x_0, x_1, \ldots, x_{i_0-1}, x^*, x_{i_0}, \ldots, x_n\}. \tag{2.11}$$

    다음을 상기하고

    $$m_{i_0} = \inf_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x)$$

    다음과 같이 두자.

    $$w_1 = \inf_{x_{i_0-1} \le x \le x^*} f(x)$$

    그리고

    $$w_2 = \inf_{x^* \le x \le x_{i_0}} f(x).$$

    그러면

    $$w_1 \ge m_{i_0} \quad \text{and} \quad w_2 \ge m_{i_0}. \tag{2.12}$$

    따라서 (2.7), (2.12), (2.11)을 상기하면

    $$\begin{aligned} &L(P,f,\alpha) \\ &= \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} m_i \Delta\alpha_i \right) + m_{i_0} \Delta\alpha_{i_0} + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} m_i \Delta\alpha_i \right) + m_{i_0} \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) + \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \right) \\ &\le \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} m_i \Delta\alpha_i \right) + w_2 \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) \right) + w_1 \left( \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= L(P^*,f,\alpha). \end{aligned}$$
  • (경우 2) (일반적인 경우). $P^*$가 $P$의 세분이므로 $P^*$가 $P$보다 $k$개의 점을 더 포함하는 $k \in \{0, 1, \cdots\}$가 존재한다. $k = 0$이면 $P = P^*$이므로 (2.10)이 성립한다. $k = 1$이면 (2.10)은 (경우 1)에서 증명되었다. 따라서 $k \ge 2$라고 가정해도 좋다. 다음과 같이 두자.
    $$P^* - P = \{x_1^*, \ldots x_k^*\},$$
    $$P_0^* = P,$$

    그리고

    $$P_j^* := P \cup \{x_1^*, \ldots x_j^*\} \quad (j = 1, \ldots, k\}.$$

    그러면

    $$P = P_0^* \subset P_1^* \subset \cdots \subset P_k^* = P^*$$

    이고 각 $i = 1, \ldots, k$에 대해 $P_i^*$는 $P_{i-1}^*$보다 정확히 한 점 더 많이 포함한다. 따라서 (경우 1)에 의해

    $$L(P_{i-1}^*,f,\alpha) \le L(P_i^*,f,\alpha) \qquad \forall i \in \{1, \ldots, k\}.$$

    특히 다음을 얻는다.

    $$L(P,f,\alpha) = L(P_0^*,f,\alpha) \le \cdots \le L(P_k^*,f,\alpha) = L(P^*,f,\alpha).$$
English

Let $f$ be a bounded function on $[a,b]$, $P$ be a partition of $[a,b]$, and $P^*$ be a refinement of $P$. Then

$$L(P,f,\alpha) \le L(P^*,f,\alpha) \tag{2.10}$$

Since $P$ is a partition of $[a,b]$, we can put

$$P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$$

for some $n \in \mathbb{N}$.

  • Case 1) $P^*$ contains only one point more than $P$. Let $x^*$ be the extra point. Then there exists a $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that
    $$x_{i_0-1} \le x^* \le x_{i_0}.$$

    Thus

    $$P^* = \{x_0, x_1, \ldots, x_{i_0-1}, x^*, x_{i_0}, \ldots, x_n\}. \tag{2.11}$$

    Recall

    $$m_{i_0} = \inf_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x)$$

    and put

    $$w_1 = \inf_{x_{i_0-1} \le x \le x^*} f(x)$$

    and

    $$w_2 = \inf_{x^* \le x \le x_{i_0}} f(x).$$

    Then

    $$w_1 \ge m_{i_0} \quad \text{and} \quad w_2 \ge m_{i_0}. \tag{2.12}$$

    Therefore recalling (2.7), (2.12), and (2.11), we have

    $$\begin{aligned} &L(P,f,\alpha) \\ &= \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} m_i \Delta\alpha_i \right) + m_{i_0} \Delta\alpha_{i_0} + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} m_i \Delta\alpha_i \right) + m_{i_0} \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) + \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \right) \\ &\le \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} m_i \Delta\alpha_i \right) + w_2 \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) \right) + w_1 \left( \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= L(P^*,f,\alpha). \end{aligned}$$
  • Case 2) (General case). Since $P^*$ is a refinement of $P$, there exists a $k \in \{0, 1, \cdots\}$ such that $P^*$ contains $k$-points more than $P$. If $k = 0$, then $P = P^*$. Thus (2.10) holds. If $k = 1$, (2.10) is proved in Case 1. So we may assume that $k \ge 2$. Put
    $$P^* - P = \{x_1^*, \ldots x_k^*\},$$
    $$P_0^* = P,$$

    and

    $$P_j^* := P \cup \{x_1^*, \ldots x_j^*\} \quad (j = 1, \ldots, k\}.$$

    Then

    $$P = P_0^* \subset P_1^* \subset \cdots \subset P_k^* = P^*$$

    and $P_i^*$ contains only one more point than $P_{i-1}^*$ for all $i = 1, \ldots, k$. Therefore by Case 1,

    $$L(P_{i-1}^*,f,\alpha) \le L(P_i^*,f,\alpha) \qquad \forall i \in \{1, \ldots, k\}.$$

    In particular, we have

    $$L(P,f,\alpha) = L(P_0^*,f,\alpha) \le \cdots \le L(P_k^*,f,\alpha) = L(P^*,f,\alpha).$$
COR 2.16 세분은 상합을 감소시킨다 Refinement Decreases the Upper Sum
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 유계함수, $P$를 $[a,b]$의 분할, $P^*$를 $P$의 세분이라 하자. 그러면

$$U(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha). \tag{2.13}$$
English

Let $f$ be a bounded function on $[a,b]$, $P$ be a partition of $[a,b]$, and $P^*$ be a refinement of $P$. Then

$$U(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha). \tag{2.13}$$
EX 2.17 따름정리 2.16의 증명 Proving Corollary 2.16
한국어

따름정리 2.16을 증명하라.

$P$가 $[a,b]$의 분할이므로 다음과 같이 둘 수 있다.

$$P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$$

여기서 $n \in \mathbb{N}$이다.

  • (경우 1) $P^*$가 $P$보다 정확히 한 점 더 많이 포함하는 경우. $x^*$를 그 추가된 점이라 하자. 그러면 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다.
    $$x_{i_0-1} \le x^* \le x_{i_0}.$$

    따라서

    $$P^* = \{x_0, x_1, \ldots, x_{i_0-1}, x^*, x_{i_0}, \ldots, x_n\}.$$

    다음을 상기하고

    $$M_{i_0} = \sup_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x)$$

    다음과 같이 두자.

    $$W_1 = \sup_{x_{i_0-1} \le x \le x^*} f(x) \qquad \text{그리고} \qquad W_2 = \sup_{x^* \le x \le x_{i_0}} f(x).$$

    $[x_{i_0-1}, x^*] \subset [x_{i_0-1}, x_{i_0}]$이고 $[x^*, x_{i_0}] \subset [x_{i_0-1}, x_{i_0}]$이므로

    $$W_1 \le M_{i_0} \qquad \text{그리고} \qquad W_2 \le M_{i_0}.$$

    따라서 $U(P,f,\alpha)$의 정의와 $\Delta\alpha_i \ge 0$을 상기하면

    $$\begin{aligned} &U(P,f,\alpha) \\ &= \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} M_i \Delta\alpha_i \right) + M_{i_0} \Delta\alpha_{i_0} + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} M_i \Delta\alpha_i \right) + M_{i_0} \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) + \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \right) \\ &\ge \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} M_i \Delta\alpha_i \right) + W_2 \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) \right) + W_1 \left( \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= U(P^*,f,\alpha). \end{aligned}$$
  • (경우 2) (일반적인 경우). $P^*$가 $P$의 세분이므로 $P^*$가 $P$보다 $k$개의 점을 더 포함하는 $k \in \{0, 1, \cdots\}$가 존재한다. $k = 0$이면 $P = P^*$이므로 원하는 부등식이 성립한다. $k = 1$이면 원하는 부등식은 (경우 1)에서 증명되었다. 따라서 $k \ge 2$라고 가정해도 좋다. 다음과 같이 두자.
    $$P^* - P = \{x_1^*, \ldots, x_k^*\}, \qquad P_0^* = P,$$

    그리고

    $$P_j^* := P \cup \{x_1^*, \ldots, x_j^*\} \quad (j = 1, \ldots, k).$$

    그러면

    $$P = P_0^* \subset P_1^* \subset \cdots \subset P_k^* = P^*$$

    이고 각 $i = 1, \ldots, k$에 대해 $P_i^*$는 $P_{i-1}^*$보다 정확히 한 점 더 많이 포함한다. 따라서 (경우 1)에 의해

    $$U(P_i^*,f,\alpha) \le U(P_{i-1}^*,f,\alpha) \qquad \forall i \in \{1, \ldots, k\}.$$

    특히 다음을 얻는다.

    $$U(P^*,f,\alpha) = U(P_k^*,f,\alpha) \le \cdots \le U(P_0^*,f,\alpha) = U(P,f,\alpha).$$

이는 정확히 $U(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha)$이며, 이로써 따름정리 2.16이 증명된다.

English

Prove Corollary 2.16.

Since $P$ is a partition of $[a,b]$, we can put

$$P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$$

for some $n \in \mathbb{N}$.

  • Case 1) $P^*$ contains only one point more than $P$. Let $x^*$ be the extra point. Then there exists $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that
    $$x_{i_0-1} \le x^* \le x_{i_0}.$$

    Thus

    $$P^* = \{x_0, x_1, \ldots, x_{i_0-1}, x^*, x_{i_0}, \ldots, x_n\}.$$

    Recall

    $$M_{i_0} = \sup_{x_{i_0-1} \le x \le x_{i_0}} f(x)$$

    and put

    $$W_1 = \sup_{x_{i_0-1} \le x \le x^*} f(x) \qquad \text{and} \qquad W_2 = \sup_{x^* \le x \le x_{i_0}} f(x).$$

    Since $[x_{i_0-1}, x^*] \subset [x_{i_0-1}, x_{i_0}]$ and $[x^*, x_{i_0}] \subset [x_{i_0-1}, x_{i_0}]$,

    $$W_1 \le M_{i_0} \qquad \text{and} \qquad W_2 \le M_{i_0}.$$

    Therefore, recalling the definition of $U(P,f,\alpha)$ and $\Delta\alpha_i \ge 0$, we have

    $$\begin{aligned} &U(P,f,\alpha) \\ &= \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} M_i \Delta\alpha_i \right) + M_{i_0} \Delta\alpha_{i_0} + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} M_i \Delta\alpha_i \right) + M_{i_0} \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) + \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \right) \\ &\ge \left( \sum_{i=1}^{i_0-1} M_i \Delta\alpha_i \right) + W_2 \left( \alpha(x_{i_0}) - \alpha(x^*) \right) + W_1 \left( \alpha(x^*) - \alpha(x_{i_0-1}) \right) + \left( \sum_{i=i_0+1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \right) \\ &= U(P^*,f,\alpha). \end{aligned}$$
  • Case 2) (General case). Since $P^*$ is a refinement of $P$, there exists $k \in \{0, 1, \cdots\}$ such that $P^*$ contains $k$-points more than $P$. If $k = 0$, then $P = P^*$, so the desired inequality holds. If $k = 1$, the desired inequality is proved in Case 1. So we may assume that $k \ge 2$. Put
    $$P^* - P = \{x_1^*, \ldots, x_k^*\}, \qquad P_0^* = P,$$

    and

    $$P_j^* := P \cup \{x_1^*, \ldots, x_j^*\} \quad (j = 1, \ldots, k).$$

    Then

    $$P = P_0^* \subset P_1^* \subset \cdots \subset P_k^* = P^*$$

    and $P_i^*$ contains only one more point than $P_{i-1}^*$ for all $i = 1, \ldots, k$. Therefore by Case 1,

    $$U(P_i^*,f,\alpha) \le U(P_{i-1}^*,f,\alpha) \qquad \forall i \in \{1, \ldots, k\}.$$

    In particular, we have

    $$U(P^*,f,\alpha) = U(P_k^*,f,\alpha) \le \cdots \le U(P_0^*,f,\alpha) = U(P,f,\alpha).$$

This is exactly $U(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha)$, which proves Corollary 2.16.

COR 2.18 상·하 리만-스틸체스 적분의 비교 Comparison of the Lower and Upper Riemann-Stieltjes Integrals
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 유계함수라 하자. 그러면

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f d\alpha \tag{2.14}$$

그리고 $[a,b]$의 임의의 분할 $P$에 대해,

$$L(P,f,\alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha). \tag{2.15}$$

$\underline{\int_a^b} f d\alpha$와 $\overline{\int_a^b} f d\alpha$의 정의에 의해, $[a,b]$의 모든 분할 $P$에 대해 $L(P,f,\alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha$이고 $\overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha)$임은 명백하다. 따라서 (2.14)만 보이면 충분하다. $P_1$과 $P_2$를 $[a,b]$의 분할이라 하자. $P_1$과 $P_2$의 공통 세분 $P^*$를 생각하자. 그러면 (2.10), (2.8), (2.13)에 의해

$$L(P_1,f,\alpha) \le L(P^*,f,\alpha) \le U(P^*,f,\alpha) \le U(P_2,f,\alpha).$$

따라서 다음을 얻는다.

$$L(P_1,f,\alpha) \le U(P_2,f,\alpha). \tag{2.16}$$

이는 $[a,b]$의 모든 분할 $P_1$과 $P_2$에 대해 성립한다. 분할 $P_2$를 고정하자. 그러면 $P_1$이 $[a,b]$의 임의의 분할일 수 있으므로 (2.16)에 의해

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P_2,f,\alpha). \tag{2.17}$$

더욱이 임의의 분할 $P_2$를 고정했으므로 (2.17)에 의해 최종적으로 다음을 얻는다.

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f d\alpha.$$
English

Let $f$ be a bounded function on $[a,b]$. Then

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f d\alpha \tag{2.14}$$

and for any partition $P$ of $[a,b]$,

$$L(P,f,\alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha). \tag{2.15}$$

By the definition of $\underline{\int_a^b} f d\alpha$ and $\overline{\int_a^b} f d\alpha$, it is obvious that $L(P,f,\alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha$ and $\overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha)$ for all partition $P$ of $[a,b]$. Thus it is sufficient to show (2.14). Let $P_1$ and $P_2$ be partitions of $[a,b]$. Consider the common refinement $P^*$ of $P_1$ and $P_2$. Then by (2.10), (2.8), and (2.13),

$$L(P_1,f,\alpha) \le L(P^*,f,\alpha) \le U(P^*,f,\alpha) \le U(P_2,f,\alpha).$$

Thus we have

$$L(P_1,f,\alpha) \le U(P_2,f,\alpha). \tag{2.16}$$

for all partitions $P_1$ and $P_2$ of $[a,b]$. Fix a partition $P_2$. Then since $P_1$ can be any partition of $[a,b]$, (2.16) implies

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P_2,f,\alpha). \tag{2.17}$$

Moreover, since we fixed an arbitrary partition $P_2$ of $[a,b]$, (2.17) finally gives

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f d\alpha.$$
THM 2.19 적분가능성 판정 The Integrability Criterion
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 유계인 실숫값 함수라 하자. 그러면 $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능할 필요충분조건은 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해 다음을 만족하는 $[a,b]$의 분할 $P$가 존재하는 것이다.

$$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon. \tag{2.18}$$

먼저 “$\Leftarrow$ 방향”을 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면 다음을 만족하는 $[a,b]$의 분할 $P$가 존재한다.

$$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon$$

더욱이 (2.15)에 의해,

$$0 \le \overline{\int_a^b} f d\alpha - \underline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

$\varepsilon > 0$이 임의적이므로

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

다음으로 “$\Rightarrow$ 방향”을 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 다음을 상기하자.

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \inf U(P,f,\alpha)$$

그리고

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \sup L(P,f,\alpha),$$

여기서 sup과 inf는 $[a,b]$의 모든 분할 $P$에 대해 취한다. $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하므로,

$$\int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

더욱이 sup과 inf의 성질에 의해 다음을 만족하는 분할 $P_1$과 $P_2$가 존재한다.

$$U(P_2,f,\alpha) \lt \inf_{P} U(P,f,\alpha) + \varepsilon/2 = \overline{\int_a^b} f d\alpha + \varepsilon/2 = \int_a^b f d\alpha + \varepsilon/2 \tag{2.19}$$

그리고

$$\int_a^b f d\alpha - \varepsilon/2 = \underline{\int_a^b} f d\alpha - \varepsilon/2 = \sup_{P} L(P,f,\alpha) - \varepsilon/2 \lt L(P_1,f,\alpha). \tag{2.20}$$

$P$를 $P_1$과 $P_2$의 공통 세분이라 하자. 그러면 (2.10), (2.13), (2.19), (2.20)에 의해

$$U(P,f,\alpha) \le U(P_2,f,\alpha) \lt \int_a^b f d\alpha + \varepsilon/2 \lt L(P_1,f,\alpha) + \varepsilon \le L(P,f,\alpha) + \varepsilon,$$

이는 명백히 (2.18)을 함의한다.

English

Let $f$ be a bounded real-valued function on $[a,b]$. Then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ if and only if for any $\varepsilon > 0$, there exists a partition $P$ of $[a,b]$ such that

$$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon. \tag{2.18}$$

First we prove “the if part ($\Leftarrow$)”. Let $\varepsilon > 0$ be given. Then there exists a partition $P$ of $[a,b]$ such that

$$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon$$

Moreover, by (2.15),

$$0 \le \overline{\int_a^b} f d\alpha - \underline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

Since $\varepsilon > 0$ is arbitrary, we have

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

Next we prove “the only if part ($\Rightarrow$)”. Let $\varepsilon > 0$ be given. Recall that

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \inf U(P,f,\alpha)$$

and

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \sup L(P,f,\alpha),$$

where the sup and inf are taken over all partitions $P$ of $[a,b]$. Since $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$,

$$\int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f d\alpha.$$

Moreover, by properties of sup and inf, there exist partitions $P_1$ and $P_2$ such that

$$U(P_2,f,\alpha) \lt \inf_{P} U(P,f,\alpha) + \varepsilon/2 = \overline{\int_a^b} f d\alpha + \varepsilon/2 = \int_a^b f d\alpha + \varepsilon/2 \tag{2.19}$$

and

$$\int_a^b f d\alpha - \varepsilon/2 = \underline{\int_a^b} f d\alpha - \varepsilon/2 = \sup_{P} L(P,f,\alpha) - \varepsilon/2 \lt L(P_1,f,\alpha). \tag{2.20}$$

Let $P$ be the common refinement of $P_1$ and $P_2$. Then by (2.10), (2.13), (2.19), and (2.20),

$$U(P,f,\alpha) \le U(P_2,f,\alpha) \lt \int_a^b f d\alpha + \varepsilon/2 \lt L(P_1,f,\alpha) + \varepsilon \le L(P,f,\alpha) + \varepsilon,$$

which obviously implies (2.18).

THM 2.20 적분가능성 판정의 따름 결과 Consequences of the Integrability Criterion
한국어

$f$를 $[a,b]$ 위의 실숫값 함수라 하자.

  • (i) 어떤 $\varepsilon > 0$에 대해 다음을 만족하는 분할 $P$가 존재한다면
    $$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon, \tag{2.21}$$

    $P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해 다음이 성립한다.

    $$U(P^*,f,\alpha) - L(P^*,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$
  • (ii) 다음을 만족하는 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다고 가정하자.
    $$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon. \tag{2.22}$$

    그러면 모든 $s_i, t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$에 대해

    $$\sum_{i=1}^{n} |f(s_i) - f(t_i)| \Delta\alpha_i \lt \varepsilon.$$
  • (iii) $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 다음을 만족하는 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다고 가정하자.
    $$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

    그러면 모든 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$에 대해

    $$\left| \sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i - \int_a^b f d\alpha \right| \lt \varepsilon. \tag{2.23}$$

먼저 (i)을 증명한다. $P$를 (2.21)을 만족하는 $[a,b]$의 분할, $P^*$를 $P$의 세분이라 하자. 그러면 (2.10)과 (2.13)에 의해

$$L(P,f,\alpha) \le L(P^*,f,\alpha) \le U(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha).$$

따라서,

$$U(P^*,f,\alpha) - L(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

다음으로 (ii)를 증명한다. $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이므로,

$$U(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \quad \text{and} \quad L(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i,$$

여기서 $M_i := \sup_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x)$이고 $m_i := \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x)$이다. 모든 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해 $s_i, t_i \in [x_{i-1}, x_i]$라 하자. 그러면 (2.22)에 의해

$$\sum_{i=1}^{n} |f(s_i) - f(t_i)| \Delta\alpha_i \le \sum_{i=1}^{n} (M_i - m_i) \Delta\alpha_i = U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

마지막으로 (iii)을 증명한다. $P = \{x_1, \ldots, x_n\}$이 다음을 만족함을 상기하자.

$$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

모든 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$라 하자. 그러면 명백히

$$L(P,f,\alpha) \le \sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i \le U(P,f,\alpha).$$

더욱이 $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하므로,

$$L(P,f,\alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha = \int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha).$$

따라서

$$\sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i - \int_a^b f d\alpha \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon$$

그리고

$$\int_a^b f d\alpha - \sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

이 두 부등식은 명백히 (2.23)을 함의한다.

English

Let $f$ be a real-valued function on $[a,b]$.

  • (i) If there exists a partition $P$ such that
    $$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon, \tag{2.21}$$

    for some $\varepsilon > 0$, then for any refinement $P^*$ of $P$ we have

    $$U(P^*,f,\alpha) - L(P^*,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$
  • (ii) Assume that there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ such that
    $$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon. \tag{2.22}$$

    Then for all $s_i, t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$,

    $$\sum_{i=1}^{n} |f(s_i) - f(t_i)| \Delta\alpha_i \lt \varepsilon.$$
  • (iii) Assume that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ and there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ such that
    $$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

    Then for all $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$,

    $$\left| \sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i - \int_a^b f d\alpha \right| \lt \varepsilon. \tag{2.23}$$

First we prove (i). Let $P$ be a partition of $[a,b]$ satisfying (2.21) and $P^*$ be a refinement of $P$. Then by (2.10) and (2.13),

$$L(P,f,\alpha) \le L(P^*,f,\alpha) \le U(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha).$$

Therefore,

$$U(P^*,f,\alpha) - L(P^*,f,\alpha) \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

Next we prove (ii). Since $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$,

$$U(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \quad \text{and} \quad L(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i,$$

where $M_i := \sup_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x)$ and $m_i := \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} f(x)$. Let $s_i, t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ for all $i \in \{1, \ldots, n\}$. Then by (2.22),

$$\sum_{i=1}^{n} |f(s_i) - f(t_i)| \Delta\alpha_i \le \sum_{i=1}^{n} (M_i - m_i) \Delta\alpha_i = U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

Finally we prove (iii). Recall that $P = \{x_1, \ldots, x_n\}$ satisfies

$$U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

Let $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ for all $i \in \{1, \ldots, n\}$. Then obviously

$$L(P,f,\alpha) \le \sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i \le U(P,f,\alpha).$$

Moreover, since $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$,

$$L(P,f,\alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha = \int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P,f,\alpha).$$

Therefore

$$\sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i - \int_a^b f d\alpha \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon$$

and

$$\int_a^b f d\alpha - \sum_{i=1}^{n} f(t_i) \Delta\alpha_i \le U(P,f,\alpha) - L(P,f,\alpha) \lt \varepsilon.$$

These two inequalities obviously imply (2.23).

NOTE
한국어

$f$를 $\mathbb{R}$의 부분집합 $D$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $f$가 $c \in D$에서 연속이라는 것은 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것임을 상기하자.

$$|f(x) - f(c)| \lt \varepsilon$$

모든 $x \in (c - \delta, c + \delta) \cap D$에 대해. 더욱이 $f$가 모든 $c \in D$에서 연속이면 $f$가 $D$에서 연속이라고 말한다.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on a subset $D$ of $\mathbb{R}$. Recall that $f$ is continuous at $c \in D$ iff for all $\varepsilon > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$|f(x) - f(c)| \lt \varepsilon$$

for all $x \in (c - \delta, c + \delta) \cap D$. Moreover, we say that $f$ is continuous on $D$ if $f$ is continuous at $c$ for all $c \in D$.

DEF 2.21 균등연속 Uniform Continuity
한국어

$f$를 $D \subset \mathbb{R}$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $f$가 $D$에서 균등연속이라는 것의 필요충분조건은 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재하는 것이다.

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon$$

$|x - y| \lt \delta$를 만족하는 모든 $x, y \in D$에 대해.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on $D \subset \mathbb{R}$. We say that $f$ is uniformly continuous on $D$ iff for all $\varepsilon > 0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon$$

for all $x, y \in D$ satisfying $|x - y| \lt \delta$.

EX 2.22 연속과 균등연속의 비교 Continuity versus Uniform Continuity
한국어

$f$를 $D \subset \mathbb{R}$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. 다음 두 명제를 증명하거나 반증하라.

  • (1) $f$가 $D$에서 연속이면 $f$는 $D$에서 균등연속이다.
  • (2) $f$가 $D$에서 균등연속이면 $f$는 $D$에서 연속이다.

(1) 거짓이다 (반례). $D = (0,1]$이고 $f(x) = 1/x$라 하자. 먼저 $f$가 $D$에서 연속임을 보이자. $c \in D$이고 $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자.

$$\delta := \min\left\{ \frac{c}{2}, \frac{\varepsilon c^2}{2} \right\}$$

로 두자. $x \in D$이고 $|x-c| \lt \delta$라 하면 $x > c - \delta \ge c/2 > 0$이므로 $xc > c^2/2$이고, 따라서

$$|f(x)-f(c)| = \left| \frac{1}{x} - \frac{1}{c} \right| = \frac{|x-c|}{xc} \lt \frac{\delta}{c^2/2} = \frac{2\delta}{c^2} \le \frac{2}{c^2}\cdot\frac{\varepsilon c^2}{2} = \varepsilon.$$

$c \in D$가 임의였으므로 $f$는 $D$에서 연속이다.

그러나 $f$는 $D$에서 균등연속이 아니다. $\varepsilon = 1$로 두자. 임의의 $\delta > 0$에 대해

$$x := \frac{\min\{\delta,1\}}{2}, \qquad y := \frac{x}{2}$$

로 두면 $0 \lt x \le 1/2 \le 1$이고 $0 \lt y \lt x \le 1$이므로 $x, y \in D$이다. 더욱이

$$|x-y| = x - y = \frac{x}{2} = \frac{\min\{\delta,1\}}{4} \le \frac{\delta}{4} \lt \delta$$

이지만

$$|f(x)-f(y)| = \left| \frac{1}{x} - \frac{2}{x} \right| = \frac{1}{x} \ge \frac{1}{1/2} = 2 > 1 = \varepsilon$$

이다 (단, $x \le 1/2$이므로 $1/x \ge 2$). 따라서 $\varepsilon = 1$에 대해 어떤 $\delta > 0$도 균등연속의 조건을 만족시킬 수 없으므로, $f$는 $D$에서 균등연속이 아니다. 따라서 (1)은 거짓이다.

(2) 참이다. $f$가 $D$에서 균등연속이라고 가정하자. $c \in D$라 하고 $f$가 $c$에서 연속임을 보이면 충분하다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $D$에서 균등연속이므로 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.

$$|f(x)-f(y)| \lt \varepsilon$$

$|x-y| \lt \delta$를 만족하는 모든 $x, y \in D$에 대해. 특히 $y = c$로 두면

$$|f(x)-f(c)| \lt \varepsilon$$

$|x-c| \lt \delta$를 만족하는 모든 $x \in D$에 대해. 이는 $f$가 $c$에서 연속임을 뜻한다. $c \in D$가 임의였으므로 $f$는 $D$에서 연속이다. 따라서 (2)는 참이다.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on $D \subset \mathbb{R}$. Prove or disprove the following two statements:

  • (1) If $f$ is continuous on $D$, then $f$ is uniformly continuous on $D$.
  • (2) If $f$ is uniformly continuous on $D$, then $f$ is continuous on $D$.

(1) False (a counterexample). Let $D = (0,1]$ and $f(x) = 1/x$. First, $f$ is continuous on $D$: let $c \in D$ and $\varepsilon > 0$ be given. Set

$$\delta := \min\left\{ \frac{c}{2}, \frac{\varepsilon c^2}{2} \right\}.$$

If $x \in D$ satisfies $|x-c| \lt \delta$, then $x > c - \delta \ge c/2 > 0$, so $xc > c^2/2$, and hence

$$|f(x)-f(c)| = \left| \frac{1}{x} - \frac{1}{c} \right| = \frac{|x-c|}{xc} \lt \frac{\delta}{c^2/2} = \frac{2\delta}{c^2} \le \frac{2}{c^2}\cdot\frac{\varepsilon c^2}{2} = \varepsilon.$$

Since $c \in D$ was arbitrary, $f$ is continuous on $D$.

However, $f$ is not uniformly continuous on $D$. Let $\varepsilon = 1$. For any $\delta > 0$, set

$$x := \frac{\min\{\delta,1\}}{2}, \qquad y := \frac{x}{2}.$$

Then $0 \lt x \le 1/2 \le 1$ and $0 \lt y \lt x \le 1$, so $x, y \in D$. Moreover

$$|x-y| = x - y = \frac{x}{2} = \frac{\min\{\delta,1\}}{4} \le \frac{\delta}{4} \lt \delta$$

while

$$|f(x)-f(y)| = \left| \frac{1}{x} - \frac{2}{x} \right| = \frac{1}{x} \ge \frac{1}{1/2} = 2 > 1 = \varepsilon$$

(since $x \le 1/2$ gives $1/x \ge 2$). Thus no $\delta > 0$ can satisfy the condition for uniform continuity at $\varepsilon = 1$, so $f$ is not uniformly continuous on $D$. Therefore (1) is false.

(2) True. Assume that $f$ is uniformly continuous on $D$. Let $c \in D$; it suffices to show that $f$ is continuous at $c$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is uniformly continuous on $D$, there exists $\delta > 0$ such that

$$|f(x)-f(y)| \lt \varepsilon$$

for all $x, y \in D$ satisfying $|x-y| \lt \delta$. In particular, taking $y = c$,

$$|f(x)-f(c)| \lt \varepsilon$$

for all $x \in D$ satisfying $|x-c| \lt \delta$. This means $f$ is continuous at $c$. Since $c \in D$ was arbitrary, $f$ is continuous on $D$. Therefore (2) is true.

REM 2.23 열린 덮개, 콤팩트성, 하이네-보렐 정리 Open Covers, Compactness, and the Heine-Borel Theorem
한국어
  • 집합 $A$가 첨수집합이라 불리는 것의 필요충분조건은 각 $\alpha \in A$에 대응하는 집합 $G_\alpha$가 존재하는 것이다. 집합들의 집합을 집합들의 모임 또는 이라 부른다.
  • $K \subset \mathbb{R}$이라 하자. $\mathbb{R}$의 열린집합들의 모임 $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$가 $K$의 열린 덮개라 불리는 것의 필요충분조건은 모든 $\alpha \in A$에 대해 $G_\alpha$가 열린집합이고
    $$K \subset \bigcup_{\alpha \in A} G_\alpha.$$

    인 것이다. 다음을 만족하는 부분집합 $A_0 \subset A$가 존재하면

    $$K \subset \bigcup_{\alpha \in A_0} G_\alpha,$$

    $\{G_\alpha : \alpha \in A_0\}$를 열린 덮개 $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$의 부분덮개라 부른다. 추가로 $A_0$가 유한집합이면 $\{G_\alpha : \alpha \in A_0\}$를 열린 덮개 $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$의 유한 부분덮개라 부른다.

  • 부분집합 $K \subset \mathbb{R}$이 콤팩트라 불리는 것의 필요충분조건은 $K$의 모든 열린 덮개가 유한 부분덮개를 갖는 것이다.
  • 하이네-보렐 정리는 $\mathbb{R}$의 유계인 닫힌 부분집합이 콤팩트임을 말한다. 특히 모든 $a \lt b$에 대해 $[a,b]$는 콤팩트이다.
English
  • A set $A$ is called an index set if for each $\alpha \in A$, there exists a corresponding set $G_\alpha$. A set of sets is called a collection of sets or family of sets.
  • Let $K \subset \mathbb{R}$. A collection of open sets of $\mathbb{R}$ $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$ is called an open cover of $K$ if $G_\alpha$ is open for all $\alpha \in A$ and
    $$K \subset \bigcup_{\alpha \in A} G_\alpha.$$

    If there exists a subset $A_0 \subset A$ such that

    $$K \subset \bigcup_{\alpha \in A_0} G_\alpha,$$

    then $\{G_\alpha : \alpha \in A_0\}$ is called a subcover of the open cover $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$. Additionally, if $A_0$ is a finite set, then $\{G_\alpha : \alpha \in A_0\}$ is called a finite subcover of the open cover $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$.

  • A subset $K \subset \mathbb{R}$ is called compact if every open cover of $K$ has a finite subcover.
  • Heine-Borel Theorem says that any bounded and closed subset of $\mathbb{R}$ is compact. In particular, $[a,b]$ is compact for all $a \lt b$.
THM 2.24 닫힌 구간에서의 연속과 균등연속 Continuity and Uniform Continuity on a Closed Interval
한국어

$f$를 닫힌 구간 $[a,b]$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. 그러면 $f$가 $[a,b]$에서 연속일 필요충분조건은 $f$가 $[a,b]$에서 균등연속인 것이다.

먼저 “$\Leftarrow$ 방향”을 증명한다. $f$가 $[a,b]$에서 균등연속이라고 가정하자. $c \in [a,b]$라 하고, $f$가 $c$에서 연속임을 보이면 충분하다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면 $f$가 $[a,b]$에서 균등연속이므로 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon$$

$|x - y| \lt \delta$를 만족하는 모든 $x, y \in [a,b]$에 대해. 특히,

$$|f(x) - f(c)| \lt \varepsilon$$

$|x - c| \lt \delta$, 즉 $x \in (c - \delta, c + \delta) \cap D$를 만족하는 모든 $x \in [a,b]$에 대해. 따라서 $f$는 $c$에서 연속이다. 다음으로 “$\Rightarrow$ 방향”을 증명한다. $f$가 모든 $c \in [a,b]$에서 연속이라고 가정하자. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면 각 $c \in [a,b]$에 대해 다음을 만족하는 $\delta_c > 0$이 존재한다.

$$|f(x) - f(c)| \lt \frac{\varepsilon}{2} \tag{2.24}$$

$(c - \delta_c, c + \delta_c) \cap [a,b]$의 모든 $x$에 대해. 각 $(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2)$가 열린집합이고

$$[a,b] \subset \bigcup_{c \in [a,b]} (c - \delta_c/2, c + \delta_c/2).$$

이므로 모임 $\{(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2) : c \in [a,b]\}$는 $[a,b]$의 열린 덮개임에 유의하자. 따라서 다음 유한 부분덮개가 존재하여

$$\{(c_1 - \delta_{c_1}/2, c_1 + \delta_{c_1}/2), \ldots, (c_n - \delta_{c_n}/2, c_n + \delta_{c_n}/2)\}$$

다음을 만족한다.

$$[a,b] \subset \bigcup_{i=1}^{n} (c_i - \delta_{c_i}/2, c_i + \delta_{c_i}/2) \tag{2.25}$$

$[a,b]$가 콤팩트이기 때문이다. 다음과 같이 두자.

$$\delta := \frac{1}{2} \min\{\delta_{c_1}, \ldots, \delta_{c_n}\}.$$

$|x - y| \lt \delta$를 만족하는 $x, y \in [a,b]$라 하자. 다음을 보이면 충분하다.

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon.$$

(2.25)에 의해 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다.

$$x \in \left( c_{i_0} - \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2}, c_{i_0} + \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} \right).$$

그러면

$$|x - y| \lt \delta \le \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2},$$

이므로 다음을 얻는다.

$$y \in \left( c_{i_0} - \delta_{c_{i_0}}, c_{i_0} + \delta_{c_{i_0}} \right).$$

따라서 (2.24)에 의해

$$|f(x) - f(y)| \le |f(x) - f(c_{i_0})| + |f(c_{i_0}) - f(y)| \lt \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.$$
English

Let $f$ be a real-valued function defined on a closed interval $[a,b]$. Then $f$ is continuous on $[a,b]$ if and only if $f$ is uniformly continuous on $[a,b]$.

First we prove “the if part ($\Leftarrow$)”. Assume that $f$ is uniformly continuous on $[a,b]$. Let $c \in [a,b]$ and it is sufficient to show that $f$ is continuous at $c$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Then since $f$ is uniformly continuous on $[a,b]$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon$$

for all $x, y \in [a,b]$ satisfying $|x - y| \lt \delta$. In particular,

$$|f(x) - f(c)| \lt \varepsilon$$

for all $x \in [a,b]$ satisfying $|x - c| \lt \delta$, i.e. $x \in (c - \delta, c + \delta) \cap D$. Therefore $f$ is continuous at $c$. Next we prove “the only if part ($\Rightarrow$)”. Assume that $f$ is continuous at $c$ for all $c \in [a,b]$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Then for each $c \in [a,b]$, there exists a $\delta_c > 0$ such that

$$|f(x) - f(c)| \lt \frac{\varepsilon}{2} \tag{2.24}$$

for all $x \in (c - \delta_c, c + \delta_c) \cap [a,b]$. Note that the collection $\{(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2) : c \in [a,b]\}$ is an open cover of $[a,b]$ since each $(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2)$ is open and

$$[a,b] \subset \bigcup_{c \in [a,b]} (c - \delta_c/2, c + \delta_c/2).$$

Thus there exists a finite subcover

$$\{(c_1 - \delta_{c_1}/2, c_1 + \delta_{c_1}/2), \ldots, (c_n - \delta_{c_n}/2, c_n + \delta_{c_n}/2)\}$$

such that

$$[a,b] \subset \bigcup_{i=1}^{n} (c_i - \delta_{c_i}/2, c_i + \delta_{c_i}/2) \tag{2.25}$$

since $[a,b]$ is compact. Set

$$\delta := \frac{1}{2} \min\{\delta_{c_1}, \ldots, \delta_{c_n}\}.$$

Let $x, y \in [a,b]$ such that $|x - y| \lt \delta$. It is sufficient to show that

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon.$$

By (2.25), there exists a $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that

$$x \in \left( c_{i_0} - \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2}, c_{i_0} + \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} \right).$$

Then since

$$|x - y| \lt \delta \le \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2},$$

we have

$$y \in \left( c_{i_0} - \delta_{c_{i_0}}, c_{i_0} + \delta_{c_{i_0}} \right).$$

Thus by (2.24),

$$|f(x) - f(y)| \le |f(x) - f(c_{i_0})| + |f(c_{i_0}) - f(y)| \lt \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.$$
EX 2.25 콤팩트집합 위에서의 균등연속 Uniform Continuity on a Compact Set
한국어

$f$를 콤팩트집합 $K \subset \mathbb{R}$ 위에서 정의된 실숫값 함수라 하자. $f$가 $K$에서 연속이라고 가정하자. $f$가 $K$에서 균등연속임을 보여라.

$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $K$에서 연속이므로, 각 $c \in K$에 대해 다음을 만족하는 $\delta_c > 0$이 존재한다.

$$|f(x) - f(c)| \lt \frac{\varepsilon}{2}$$

$(c - \delta_c, c + \delta_c) \cap K$의 모든 $x$에 대해. 각 $(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2)$가 열린집합이고

$$K \subset \bigcup_{c \in K} (c - \delta_c/2, c + \delta_c/2)$$

이므로 (모든 $c \in K$가 $(c-\delta_c/2,c+\delta_c/2)$에 속하므로), 모임 $\{(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2) : c \in K\}$는 $K$의 열린 덮개이다. $K$가 콤팩트이므로 다음 유한 부분덮개가 존재하여

$$\{(c_1 - \delta_{c_1}/2, c_1 + \delta_{c_1}/2), \ldots, (c_n - \delta_{c_n}/2, c_n + \delta_{c_n}/2)\}$$

다음을 만족한다.

$$K \subset \bigcup_{i=1}^{n} (c_i - \delta_{c_i}/2, c_i + \delta_{c_i}/2).$$

다음과 같이 두자.

$$\delta := \frac{1}{2} \min\{\delta_{c_1}, \ldots, \delta_{c_n}\}.$$

$|x - y| \lt \delta$를 만족하는 $x, y \in K$라 하자. 다음을 보이면 충분하다.

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon.$$

위 부분덮개 조건에 의해 다음을 만족하는 $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다.

$$x \in \left( c_{i_0} - \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2}, c_{i_0} + \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} \right).$$

그러면

$$|x - y| \lt \delta \le \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2}$$

이므로

$$|y - c_{i_0}| \le |y-x| + |x - c_{i_0}| \lt \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} + \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} = \delta_{c_{i_0}},$$

$$y \in \left( c_{i_0} - \delta_{c_{i_0}}, c_{i_0} + \delta_{c_{i_0}} \right).$$

$x, y \in K$이므로 $x, y \in (c_{i_0} - \delta_{c_{i_0}}, c_{i_0} + \delta_{c_{i_0}}) \cap K$이고, 따라서

$$|f(x) - f(y)| \le |f(x) - f(c_{i_0})| + |f(c_{i_0}) - f(y)| \lt \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.$$

$x, y \in K$가 $|x-y| \lt \delta$를 만족하는 임의의 점이었으므로, $f$는 $K$에서 균등연속이다.

English

Let $f$ be a real-valued function defined on a compact set $K \subset \mathbb{R}$. Assume that $f$ is continuous on $K$. Show that $f$ is uniformly continuous on $K$.

Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is continuous on $K$, for each $c \in K$ there exists $\delta_c > 0$ such that

$$|f(x) - f(c)| \lt \frac{\varepsilon}{2}$$

for all $x \in (c - \delta_c, c + \delta_c) \cap K$. Since each $(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2)$ is open and

$$K \subset \bigcup_{c \in K} (c - \delta_c/2, c + \delta_c/2)$$

(as each $c \in K$ belongs to $(c-\delta_c/2,c+\delta_c/2)$), the collection $\{(c - \delta_c/2, c + \delta_c/2) : c \in K\}$ is an open cover of $K$. Since $K$ is compact, there exists a finite subcover

$$\{(c_1 - \delta_{c_1}/2, c_1 + \delta_{c_1}/2), \ldots, (c_n - \delta_{c_n}/2, c_n + \delta_{c_n}/2)\}$$

such that

$$K \subset \bigcup_{i=1}^{n} (c_i - \delta_{c_i}/2, c_i + \delta_{c_i}/2).$$

Set

$$\delta := \frac{1}{2} \min\{\delta_{c_1}, \ldots, \delta_{c_n}\}.$$

Let $x, y \in K$ satisfy $|x - y| \lt \delta$. It is sufficient to show that

$$|f(x) - f(y)| \lt \varepsilon.$$

By the subcover condition above, there exists $i_0 \in \{1, \ldots, n\}$ such that

$$x \in \left( c_{i_0} - \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2}, c_{i_0} + \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} \right).$$

Then since

$$|x - y| \lt \delta \le \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2},$$

we have

$$|y - c_{i_0}| \le |y-x| + |x - c_{i_0}| \lt \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} + \frac{\delta_{c_{i_0}}}{2} = \delta_{c_{i_0}},$$

i.e.

$$y \in \left( c_{i_0} - \delta_{c_{i_0}}, c_{i_0} + \delta_{c_{i_0}} \right).$$

Since $x, y \in K$, we have $x, y \in (c_{i_0} - \delta_{c_{i_0}}, c_{i_0} + \delta_{c_{i_0}}) \cap K$, and hence

$$|f(x) - f(y)| \le |f(x) - f(c_{i_0})| + |f(c_{i_0}) - f(y)| \lt \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon.$$

Since $x, y \in K$ with $|x-y| \lt \delta$ were arbitrary, $f$ is uniformly continuous on $K$.