§2 The Riemann-Stieltjes Integral (ii) · 리만-스틸체스 적분 (ii)
$f$가 $[a, b]$에서 연속함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자. 그러면 $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 정리 2.19에 의해, 다음을 만족하는 분할 $P$를 찾으면 충분하다.
다음을 만족하도록 $\eta > 0$을 택하자.
정리 2.24에 의해 $f$는 $[a, b]$에서 균등연속이다. 따라서 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.
단, $|x - y| < \delta$를 만족하는 모든 $x, y \in [a, b]$에 대해서이다. 다음을 만족하도록 큰 $n \in \mathbb{N}$을 택하자.
그리고 다음과 같이 두자.
그러면
은 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할이다.
따라서 어떤 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해 $x, y \in [x_{i-1}, x_i]$이면
이고
따라서 이 분할 $P$에 대해 (2.26)에 의해 다음을 얻는다.
Let $f$ be a continuous function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a, b]$. Then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
Let $\varepsilon > 0$ be given. Due to Theorem 2.19, it is sufficient to find a partition $P$ such that
Choose a $\eta > 0$ so that
By Theorem 2.24, $f$ is uniformly continuous on $[a, b]$. Thus there exists a $\delta > 0$ such that
for all $x, y \in [a, b]$ satisfying $|x - y| < \delta$. Choose a large $n \in \mathbb{N}$ so that
and put
Then
is a partition of $[a, b]$ such that
Thus if $x, y \in [x_{i-1}, x_i]$ for some $i \in \{1, \ldots, n\}$, then
and
Therefore, for this partition $P$, by (2.26) we have
$f$와 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자. $\alpha$가 $[a, b]$에서 연속이라고 가정하자. 그러면 $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
$\alpha(b) = \alpha(a)$이면 정리는 자명하다. 그러므로 $\alpha(b) > \alpha(a)$라 가정할 수 있다. $\varepsilon > 0$과 $n \in \mathbb{N}$이 주어졌다고 하자. 다음을 만족하는 분할 $P$를 찾으면 충분하다.
$x_0 = a$, $x_n = b$로 두자. $\alpha$가 $[a, b]$에서 연속이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함을 상기하자. 따라서 중간값 정리(정리 1.51)를 적용하면, 다음을 만족하는 $x_1, \ldots, x_{n-1}$을 찾을 수 있다.
및
특히 다음을 얻는다.
다음과 같이 정의하자.
그러면 $P_n$은 $[a, b]$의 분할이다. 따라서 $f$가 단조증가함을 상기하면 다음을 얻는다.
이 과정은 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해 성립한다. 다음을 만족하도록 $n_0 \in \mathbb{N}$을 택하자.
그러면 마침내 다음을 얻는다.
Let $f$ and $\alpha$ be monotonic increasing functions on $[a, b]$. Assume that $\alpha$ is continuous on $[a, b]$. Then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
If $\alpha(b) = \alpha(a)$, then the theorem is trivial. So we may assume $\alpha(b) > \alpha(a)$. Let $\varepsilon > 0$ be given and $n \in \mathbb{N}$. It is sufficient to find a partition $P$ such that
Put $x_0 = a$, and $x_n = b$. Recall that $\alpha$ is continuous on $[a, b]$ and $\alpha$ is monotonically increasing on $[a, b]$. Thus applying the intermediate value theorem (Theorem 1.51), we can find $x_1, \ldots, x_{n-1}$ so that
and
In particular, we have
Define
Then $P_n$ is a partition of $[a, b]$. Thus recalling $f$ is monotonically increasing, we have
This process holds for all $n \in \mathbb{N}$. Choose a $n_0 \in \mathbb{N}$ so that
Then finally we have
$f$가 $[a, b]$에서 실숫값 함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다고 가정하자. 함수 $-f$ 또한 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능함을 보여라.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하므로, 정리 2.19에 의해 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$이 존재한다.
각 $i = 1, \ldots, n$에 대해 다음과 같이 두자.
먼저 다음을 보인다.
모든 $x \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해 $f(x) \ge m_i$이므로 $-f(x) \le -m_i$이고, 따라서 $-m_i$는 $\{-f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\}$의 상계이다. $\varepsilon' > 0$이 주어졌다고 하자. $m_i = \inf_{[x_{i-1}, x_i]} f$이므로 주의 1.49에 의해 어떤 $y \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재하여
이고, 이는 $-f(y) > -m_i - \varepsilon'$을 뜻한다. $\varepsilon' > 0$이 임의적이므로 상한의 정의(주의 1.49)에 의해
마찬가지로 $M_i = \sup_{[x_{i-1}, x_i]} f$이므로, 임의의 $\varepsilon' > 0$에 대해 어떤 $y' \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재하여 $f(y') > M_i - \varepsilon'$이고, 이는 $-f(y') < -M_i + \varepsilon'$을 뜻한다. 한편 모든 $x \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해 $f(x) \le M_i$이므로 $-f(x) \ge -M_i$이고, 따라서 $-M_i$는 $\{-f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\}$의 하계이다. 이 둘을 합하면
를 보여준다. 이로써 (*)이 증명되었다. 따라서 (*)에 의해
이고
따라서
정리 2.19에 의해, $-f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. (참고로 위와 동일한 논증을 $[a, b]$의 모든 분할 $P$에 대해 반복하면
이고 마찬가지로 $\underline{\int_a^b} (-f) d\alpha = -\overline{\int_a^b} f d\alpha = -\int_a^b f d\alpha$이므로,
도 함께 얻는다.)
Let $f$ be a real-valued function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonic increasing function on $[a, b]$. Assume that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Show that the function $-f$ is also Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, by Theorem 2.19 there exists a partition $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that
For each $i = 1, \ldots, n$, put
We first show
For all $x \in [x_{i-1}, x_i]$, $f(x) \ge m_i$, so $-f(x) \le -m_i$, and thus $-m_i$ is an upper bound of $\{-f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\}$. Let $\varepsilon' > 0$ be given. Since $m_i = \inf_{[x_{i-1}, x_i]} f$, by Remark 1.49 there exists a $y \in [x_{i-1}, x_i]$ such that
which means $-f(y) > -m_i - \varepsilon'$. Since $\varepsilon' > 0$ is arbitrary, by the definition of the supremum (Remark 1.49),
Similarly, since $M_i = \sup_{[x_{i-1}, x_i]} f$, for any $\varepsilon' > 0$ there exists a $y' \in [x_{i-1}, x_i]$ such that $f(y') > M_i - \varepsilon'$, which means $-f(y') < -M_i + \varepsilon'$. On the other hand, $f(x) \le M_i$ for all $x \in [x_{i-1}, x_i]$, so $-f(x) \ge -M_i$ and thus $-M_i$ is a lower bound of $\{-f(x) : x_{i-1} \le x \le x_i\}$. Combining the two facts shows
This proves (*). Therefore by (*),
and
Thus
By Theorem 2.19, $-f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. (As a remark, repeating the same argument over every partition $P$ of $[a, b]$ gives
and similarly $\underline{\int_a^b} (-f) d\alpha = -\overline{\int_a^b} f d\alpha = -\int_a^b f d\alpha$, so we also obtain
)
$f$가 $[a, b]$에서 단조감소함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자. $\alpha$가 $[a, b]$에서 연속이라고 가정하자. 그러면 $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
Let $f$ be a monotonically decreasing function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonic increasing function on $[a, b]$. Assume that $\alpha$ is continuous on $[a, b]$. Then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
따름정리 2.29를 증명하라.
$g := -f$라 두자. $f$가 $[a, b]$에서 단조감소하므로, 정의 1.43(iii)에 의해 $x, y \in [a, b]$이고 $x < y$이면 $f(x) \ge f(y)$이다. 따라서 $g(x) = -f(x) \le -f(y) = g(y)$이고, 정의 1.43(i)에 의해 $g = -f$는 $[a, b]$에서 단조증가한다. $\alpha$는 $[a, b]$에서 단조증가하고 연속이므로, 정리 2.27을 $g$에 적용하면 $g$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 이제 연습문제 2.28을 $g$에 적용하면(즉 $g$가 $\alpha$에 관하여 적분가능하므로) $-g$도 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 그런데
이므로, $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
Prove Corollary 2.29.
Put $g := -f$. Since $f$ is monotonically decreasing on $[a, b]$, by Definition 1.43(iii), $f(x) \ge f(y)$ whenever $x, y \in [a, b]$ and $x < y$. Thus $g(x) = -f(x) \le -f(y) = g(y)$, and by Definition 1.43(i), $g = -f$ is monotonically increasing on $[a, b]$. Since $\alpha$ is monotonically increasing and continuous on $[a, b]$, applying Theorem 2.27 to $g$ shows that $g$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Now applying Exercise 2.28 to $g$ (which is integrable with respect to $\alpha$), $-g$ is also Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. But
so $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
$f$가 $[a, b]$에서 유계함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자. 열린 구간 $(c, d)$와 점 $a_0, a_1, \ldots, a_n$이 존재하여 $a_0, a_1, \ldots, a_n \in [a, b] \cap (c, d)$이고
이라고 가정하자. 그러면
여기서
$[a_{i-1}, a_i] \subset [a \vee c, b \wedge d]$임을 주목하면 다음을 얻는다.
또한
이므로, $\alpha$가 단조증가이므로 다음을 얻는다.
따라서
Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a, b]$. Assume that there exist an open interval $(c, d)$ and points $a_0, a_1, \ldots, a_n$ such that $a_0, a_1, \ldots, a_n \in [a, b] \cap (c, d)$ and
Then
where
Note that $[a_{i-1}, a_i] \subset [a \vee c, b \wedge d]$ and thus
Moreover,
and thus
since $\alpha$ is monotonically increasing. Therefore,
$f$가 $[a, b]$에서 유계함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자. $f$가 $[a, b]$에서 유한개의 불연속점만을 가지고, $\alpha$가 $f$의 모든 불연속점에서 연속이라고 가정하자. 즉, 점 $c_1, \ldots, c_k \in [a, b]$가 존재하여
이고 모든 $c \in [a, b] \setminus \{c_1, \ldots, c_k\}$에 대해 $f$가 $c$에서 연속이며, 모든 $i = 1, \ldots, k$에 대해 $\alpha$가 $c_i$에서 연속이다. 그러면 $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 각 $c_i$ $(i = 1, \ldots, k)$에 대해 $\alpha$가 $c_i$에서 연속이므로 다음을 만족하는 $\delta_i > 0$이 존재한다.
단, $x \in [c_i - \delta_i, c_i + \delta_i] \cap [a, b]$인 모든 $x$에 대해서이다. 다음과 같이 정의하자.
그러면 $K$가 유계인 닫힌집합이므로 하이네-보렐 정리에 의해 $K$는 콤팩트이다. 따라서 $f$는 $K \subset [a, b]$에서 균등연속이고, 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.
단, $|x - y| < \delta$를 만족하는 모든 $x, y \in K \subset [a, b]$에 대해서이다. 다음을 만족하도록 큰 $n \in \mathbb{N}$을 택하자.
그리고 다음과 같이 두자.
다음과 같이 정의하자.
그러면 $P$를 재배열하여 $P$를 분할로 간주할 수 있다. 즉, 다음을 만족하는 $z_0, z_1, \ldots, z_{n+k}$가 존재한다.
및
명백히
이다. 다음 조건을 만족할 때 $i \in B_1$로 쓰자.
그러면
이고 다음과 같이 두자.
또한 $i \in B_1$이면 (2.28)에 의해
이다. 여기서
이다. 반면 $i \in B_2$이면 $[z_{i-1}, z_i]$는 다음의 부분집합이 아니다.
따라서 $(c_j - \delta_j/2, c_j + \delta_j/2) \cap [z_{i-1}, z_i] \neq \emptyset$을 만족하는 $j$가 존재한다. 다시 말해, $i \in B_2$이면 (2.30)에 의해 어떤 $j \in \{1, \ldots, k\}$에 대해 $[z_{i-1}, z_i] \subset (c_j - \delta_j, c_j + \delta_j) \cap [a, b]$이다. 더 나아가 $i_1, \ldots, i_N \in B_2$이고 $i_1 \le \cdots \le i_N$이며 $z_{i_i-1}, z_{i_1}, z_{i_2-1}, z_{i_2}, \ldots, z_{i_N-1}, z_{i_N}$이 어떤 $j \in \{1, \ldots, k\}$에 대해 $(c_j - \delta, c_j + \delta_j) \cap [a, b]$에 포함되면, 보조정리 2.31에 의해 다음을 얻는다.
여기서
이제 $M := \sup_{x \in [a, b]} |f(x)|$라 두고
라 하면, (2.27)에 의해 다음을 얻는다.
따라서
$\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로 정리가 증명된다.
Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a, b]$. Assume that $f$ has only finitely many points of discontinuity on $[a, b]$ and $\alpha$ is continuous at every point at which $f$ is discontinuous, i.e. there exists points $c_1, \ldots, c_k \in [a, b]$ such that
$f$ is continuous at $c$ for all $c \in [a, b] \setminus \{c_1, \ldots, c_k\}$ and $\alpha$ is continuous at $c_i$ for all $i = 1, \ldots, k$. Then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
Let $\varepsilon > 0$ be given. For each $c_i$ $(i = 1, \ldots, k)$, $\alpha$ is continuous at $c_i$ and thus there exists $\delta_i > 0$ such that
for all $x \in [c_i - \delta_i, c_i + \delta_i] \cap [a, b]$. Define
Then since $K$ is closed and bounded, $K$ is compact by the Heine-Borel theorem. Thus $f$ is uniformly continuous on $K \subset [a, b]$ and there exists a $\delta > 0$ such that
for all $x, y \in K \subset [a, b]$ satisfying $|x - y| < \delta$. Choose a large $n \in \mathbb{N}$ so that
and put
Define
Then rearranging $P$, we can regard $P$ as a partition, i.e. there exist $z_0, z_1, \ldots, z_{n+k}$ such that
and
Obviously,
We write $i \in B_1$ iff
Then
and put
Moreover, if $i \in B_1$, then by (2.28),
where
On the other hand, if $i \in B_2$, then $[z_{i-1}, z_i]$ is not a subset of
thus there exists a $j$ such that $(c_j - \delta_j/2, c_j + \delta_j/2) \cap [z_{i-1}, z_i] \neq \emptyset$. In other words, if $i \in B_2$, then $[z_{i-1}, z_i] \subset (c_j - \delta_j, c_j + \delta_j) \cap [a, b]$ by (2.30) for some $j \in \{1, \ldots, k\}$. Moreover if $i_1, \ldots, i_N \in B_2$, $i_1 \le \cdots \le i_N$, and $z_{i_i-1}, z_{i_1}, z_{i_2-1}, z_{i_2}, \ldots, z_{i_N-1}, z_{i_N}$ are contained in $(c_j - \delta, c_j + \delta_j) \cap [a, b]$ for some $j \in \{1, \ldots, k\}$, then by Lemma 2.31 we have
where
Thus putting $M = \sup_{x \in [a, b]} |f(x)|$ and
by (2.27) we have
Therefore
The theorem is proved since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant.
(2.31)에서 $\varepsilon$이 임의의 양의 상수임을 상기하라. (2.31)이 어떻게 증명을 완성하는지 설명하라.
다음과 같이 두자.
여기서 $k$는 정리 2.32에서 나열한 점 $c_1, \ldots, c_k$의 개수($f$의 불연속점을 모두 포함한다)이고 $M = \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|$이다. $f$가 유계이고 $k$가 유한하므로 $C$는 유한한 상수이며, 결정적으로 $C$는 $\varepsilon$의 선택이나 (2.31)을 만드는 데 사용된 분할 $P$의 선택과 무관하게 오직 $f$, $\alpha$, $k$에만 의존하는 고정된 값이다. (2.31)이 말하는 바는, 위 증명 과정에서 자유롭게 선택할 수 있는 매개변수 $\varepsilon > 0$을 무엇으로 택하든, 그 $\varepsilon$으로부터 구성된 분할 $P$가
를 만족한다는 것이다. 이제 정리 2.19의 판정 조건을 검증하기 위해, 임의의 $\varepsilon' > 0$이 주어졌다고 하자(이는 정리 2.19의 (2.18)에 등장하는 목표 오차이며, 위 증명 과정의 매개변수 $\varepsilon$과는 별개의 양이다). 다음과 같이 두자.
($C \ge 0$이므로 $C + 1 > 0$이고, 따라서 이 $\varepsilon$은 양수이며 $C = 0$인 경우에도 문제없이 정의된다). 이 $\varepsilon$을 정리 2.32의 증명 과정에 대입하면, (2.31)에 의해 다음을 만족하는 분할 $P$를 얻는다.
이다. 마지막 부등식은 $\frac{C}{C+1} < 1$이기 때문에 성립한다. 즉, 임의로 주어진 $\varepsilon' > 0$에 대해 위와 같이 (그 $\varepsilon'$에 의존하여) $\varepsilon$을 정하고 정리 2.32의 구성을 실행하면, 정리 2.19의 (2.18)이 요구하는
을 만족하는 분할 $P$를 얻는다. $\varepsilon' > 0$이 임의적이므로, 이는 정리 2.19의 조건을 만족하고, 따라서 $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 요컨대, $C$가 $\varepsilon$과 무관한 상수라는 사실 덕분에 "$U - L \le \varepsilon C$"라는 하나의 부등식으로부터 임의로 작은 목표 오차 $\varepsilon'$에 대해서도 $\varepsilon = \varepsilon'/(C+1)$을 역산하여 원하는 만큼 작은 $U - L$을 얻을 수 있고, 이것이 바로 (2.31)이 정리 2.32의 증명을 완성하는 이유이다.
Recall that $\varepsilon$ in (2.31) is an arbitrary positive constant. Explain why (2.31) completes the proof.
Put
where $k$ is the number of the points $c_1, \ldots, c_k$ listed in Theorem 2.32 (they include every point of discontinuity of $f$) and $M = \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|$. Since $f$ is bounded and $k$ is finite, $C$ is a finite constant, and crucially $C$ is a fixed value depending only on $f$, $\alpha$, and $k$ — not on the choice of $\varepsilon$ nor on the partition $P$ constructed to obtain (2.31). What (2.31) says is that no matter which value of the free parameter $\varepsilon > 0$ is chosen in the proof above, the partition $P$ built from that $\varepsilon$ satisfies
Now, to verify the criterion of Theorem 2.19, let an arbitrary $\varepsilon' > 0$ be given (this is the target tolerance appearing in (2.18) of Theorem 2.19, a quantity distinct from the parameter $\varepsilon$ used in the proof above). Put
(since $C \ge 0$, $C + 1 > 0$, so this $\varepsilon$ is a well-defined positive number even when $C = 0$). Substituting this $\varepsilon$ into the construction in the proof of Theorem 2.32, by (2.31) we obtain a partition $P$ such that
where the last inequality holds since $\frac{C}{C+1} < 1$. That is, for any given $\varepsilon' > 0$, choosing $\varepsilon$ as above (depending on $\varepsilon'$) and running the construction of Theorem 2.32 yields a partition $P$ satisfying
as required by (2.18) of Theorem 2.19. Since $\varepsilon' > 0$ was arbitrary, the criterion of Theorem 2.19 is satisfied, and therefore $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. In short, the fact that $C$ is independent of $\varepsilon$ lets us invert the single inequality $U - L \le \varepsilon C$ to recover an arbitrarily small $U - L$ for any target $\varepsilon'$, by taking $\varepsilon = \varepsilon'/(C+1)$; this is exactly why (2.31) completes the proof of Theorem 2.32.
$f$가 $[a, b]$에서 유계함수이고, $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수이며, $A$가 $[a, b]$의 가산 부분집합이라 하자. $A$가 $[a, b]$ 안에 극한점을 오직 하나만 가지고, $f$가 $[a, b] \setminus A$에서 연속이며, $\alpha$가 $A$에서 연속이라고 가정하자. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능함을 보여라.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $M := \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|$라 두자. $M = 0$이면 $f \equiv 0$이므로 $f$는 자명하게 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 따라서 $M > 0$이라 가정해도 좋다. $p$를 $[a, b]$ 안에서 $A$가 갖는 (가정에 의해 유일한) 극한점이라 하자.
다음과 같이 $\eta > 0$을 선택한다.
- (경우 a) $p \notin A$인 경우. 그러면 $p \in [a, b] \setminus A$이고 $f$가 $[a, b] \setminus A$에서 연속이므로, $f$는 특히 $p$에서 연속이다. 따라서 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.
$$|f(x) - f(p)| < \frac{\varepsilon}{2} \qquad \forall x \in (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b].$$
$\eta := \delta/2$, $I := [p - \eta, p + \eta] \cap [a, b]$라 두자. 그러면 $I \subset (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b]$이므로, 임의의 $x, y \in I$에 대해
$$f(x) - f(y) \le |f(x) - f(p)| + |f(p) - f(y)| < \varepsilon$$이고, 따라서
$$M_I - m_I \le \varepsilon, \qquad \text{where} \quad M_I := \sup_{x \in I} f(x), \ m_I := \inf_{x \in I} f(x). \tag{a}$$ - (경우 b) $p \in A$인 경우. 그러면 $\alpha$가 $A$에서 연속이므로, $\alpha$는 특히 $p$에서 연속이다. 따라서 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.
$$|\alpha(x) - \alpha(p)| < \frac{\varepsilon}{2} \qquad \forall x \in (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b].$$
$\eta := \delta/2$, $I := [p - \eta, p + \eta] \cap [a, b]$라 두자. 그러면 $I \subset (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b]$이므로
$$\alpha(\sup I) - \alpha(\inf I) \le |\alpha(\sup I) - \alpha(p)| + |\alpha(p) - \alpha(\inf I)| < \varepsilon. \tag{b}$$또한 $[a,b]$에서 $|f| \le M$이므로 명백히
$$M_I - m_I \le 2M, \qquad \text{where} \quad M_I := \sup_{x \in I} f(x), \ m_I := \inf_{x \in I} f(x).$$
어느 경우든 위에서 정한 $\eta > 0$에 대해 $I := [p - \eta, p + \eta] \cap [a, b]$이다. 다음으로 $A \setminus (p - \eta, p + \eta)$가 유한집합임을 보인다. 집합
는 $[a, b]$에서 열린집합 $(p - \eta, p + \eta)$를 제거한 것이므로 닫힌집합이고, $[a, b]$의 부분집합이므로 유계이다. 따라서 하이네-보렐 정리(주의 2.23)에 의해 $K'$는 콤팩트이다. 이제 $q \in K'$를 임의로 택하자. $q \in K'$이므로 $q \notin (p - \eta, p + \eta)$인 반면 $p \in (p - \eta, p + \eta)$이므로 $q \neq p$이고, $q \in K' \subset [a, b]$이면서 $A$가 $[a, b]$ 안에 갖는 극한점은 $p$뿐이므로 $q$는 $A$의 극한점이 아니다. 그러므로 극한점의 정의에 의해 $q$를 포함하는 열린구간 $V_q$가 존재하여
이다. 그러면 $\{V_q : q \in K'\}$는 $K'$의 열린 덮개이므로, $K'$가 콤팩트임에 의해(주의 2.23) 유한 부분덮개가 존재한다. 즉 $q_1, \ldots, q_m \in K'$이 존재하여 $K' \subset \bigcup_{r=1}^{m} V_{q_r}$이다. $A \subset [a, b]$이므로 $A \setminus (p - \eta, p + \eta) = A \cap K'$이고, 따라서
이다. 즉 $A \setminus (p - \eta, p + \eta)$는 많아야 $m$개의 원소를 가지므로 유한집합이다. (여기서는 주의 2.23의 콤팩트성 정의—모든 열린 덮개가 유한 부분덮개를 갖는다—만을 사용하였고, 강의노트에 없는 정리는 인용하지 않았다.)
다음과 같이 정의하자.
(단, $p - \eta \le a$이면 $J_1$은 생각하지 않는다 — 이 경우 $[a,b] \setminus \mathring{I}$의 왼쪽 조각이 존재하지 않는다 — 마찬가지로 $p + \eta \ge b$이면 $J_2$는 생각하지 않는다). $J_1$이 존재하는 경우, $A \cap J_1 \subset A \setminus (p - \eta, p + \eta)$이므로 $A \cap J_1$은 앞서 보인 유한성에 의해 유한집합이다. $f$가 $[a, b] \setminus A$에서 연속이므로 $f$는 $J_1 \setminus A$의 모든 점에서 연속이고, $\alpha$가 $A$에서 연속이므로 $\alpha$는 $A \cap J_1$의 모든 점에서 연속이다. 또한 $f$는 $J_1$에서 유계이고 $\alpha$는 $J_1$에서 단조증가한다($[a, b]$ 위의 유계함수 $f$와 단조증가함수 $\alpha$의 제한이기 때문이다). 따라서 $A \cap J_1$을 예외집합으로 삼으면 정리 2.32의 가정이 $J_1$ 위에서 모두 충족된다. $A \cap J_1 = \emptyset$이면 $f$는 $J_1$ 전체에서 연속이므로 정리 2.26에 의해 $f$는 $J_1$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고, $A \cap J_1 \neq \emptyset$이면 정리 2.32를 $[a,b]$ 대신 $J_1$에, $\{c_1, \ldots, c_k\}$ 대신 $A \cap J_1$에 적용하여 같은 결론을 얻는다. 두 경우 모두 $f$는 $J_1$에서 $\alpha$에 관하여 적분가능하므로, 정리 2.19에 의해 다음을 만족하는 $J_1$의 분할 $P_1$이 존재한다.
마찬가지로 $J_2$가 존재하는 경우, $A \cap J_2$가 (같은 논증에 의해) 유한집합이므로 정리 2.26 또는 정리 2.32에 의해 $f$는 $J_2$에서 $\alpha$에 관하여 적분가능하고, 정리 2.19에 의해 다음을 만족하는 $J_2$의 분할 $P_2$가 존재한다.
이제 $P_1$(존재한다면), $I$의 두 끝점 $\max\{a, p-\eta\}$와 $\min\{b, p+\eta\}$, $P_2$(존재한다면)를 모두 합하여 $[a, b]$의 분할 $P$를 만들자. $J_1$, $I$, $J_2$가 $[a, b]$를 순서대로 겹치지 않게 덮으므로, $P$는 실제로 $[a, b]$의 분할이고 $U(P, f, \alpha)$와 $L(P, f, \alpha)$는 각각 $J_1$, $I$, $J_2$ 위의 기여의 합으로 분해된다.
여기서 $\Delta\alpha_I := \alpha(\min\{b, p+\eta\}) - \alpha(\max\{a, p-\eta\})$이고, $J_1$ 또는 $J_2$가 존재하지 않으면 해당 항은 $0$으로 둔다. 따라서
(경우 a)이면 $\Delta\alpha_I \le \alpha(b) - \alpha(a)$이고 (a)에 의해 $M_I - m_I \le \varepsilon$이므로 $(M_I - m_I)\Delta\alpha_I \le \varepsilon(\alpha(b) - \alpha(a))$이다. (경우 b)이면 $M_I - m_I \le 2M$이고 (b)에 의해 $\Delta\alpha_I < \varepsilon$이므로 $(M_I - m_I)\Delta\alpha_I < 2M\varepsilon$이다. 두 경우 모두
이 성립하므로,
여기서 $C := 2 + \alpha(b) - \alpha(a) + 2M \ge 0$은 $\varepsilon$이나 분할 $P$의 선택과 무관한 고정된 상수이다. 이는 연습문제 2.33에서와 정확히 같은 상황이다: 임의의 $\varepsilon' > 0$이 주어지면, $\varepsilon := \varepsilon'/(C+1)$로 시작하여 위 구성 전체($\eta$, $I$, $P_1$, $P_2$, $P$의 선택)를 반복하면
를 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P$를 얻는다. $\varepsilon' > 0$이 임의적이므로, 정리 2.19에 의해 $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$, $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a, b]$, $A$ be a countable subset of $[a, b]$. Assume that $A$ has an only one limit point in $[a, b]$, $f$ is continuous on $[a, b] \setminus A$, and $\alpha$ is continuous on $A$. Show that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
Let $\varepsilon > 0$ be given. Put $M := \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|$. If $M = 0$, then $f \equiv 0$, so $f$ is trivially Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. So we may assume $M > 0$. Let $p$ be the (by hypothesis, unique) limit point that $A$ has in $[a, b]$.
We choose $\eta > 0$ as follows.
- Case a) $p \notin A$. Then $p \in [a, b] \setminus A$, and since $f$ is continuous on $[a, b] \setminus A$, $f$ is in particular continuous at $p$. Thus there exists $\delta > 0$ such that
$$|f(x) - f(p)| < \frac{\varepsilon}{2} \qquad \forall x \in (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b].$$
Put $\eta := \delta/2$ and $I := [p - \eta, p + \eta] \cap [a, b]$. Then $I \subset (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b]$, so for all $x, y \in I$,
$$f(x) - f(y) \le |f(x) - f(p)| + |f(p) - f(y)| < \varepsilon,$$and thus
$$M_I - m_I \le \varepsilon, \qquad \text{where} \quad M_I := \sup_{x \in I} f(x), \ m_I := \inf_{x \in I} f(x). \tag{a}$$ - Case b) $p \in A$. Then since $\alpha$ is continuous on $A$, $\alpha$ is in particular continuous at $p$. Thus there exists $\delta > 0$ such that
$$|\alpha(x) - \alpha(p)| < \frac{\varepsilon}{2} \qquad \forall x \in (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b].$$
Put $\eta := \delta/2$ and $I := [p - \eta, p + \eta] \cap [a, b]$. Then $I \subset (p - \delta, p + \delta) \cap [a, b]$, so
$$\alpha(\sup I) - \alpha(\inf I) \le |\alpha(\sup I) - \alpha(p)| + |\alpha(p) - \alpha(\inf I)| < \varepsilon. \tag{b}$$Moreover, since $|f| \le M$ on $[a,b]$, obviously
$$M_I - m_I \le 2M, \qquad \text{where} \quad M_I := \sup_{x \in I} f(x), \ m_I := \inf_{x \in I} f(x).$$
In either case, $I := [p - \eta, p + \eta] \cap [a, b]$ for the $\eta > 0$ chosen above. Next we show that $A \setminus (p - \eta, p + \eta)$ is a finite set. The set
is closed, being $[a, b]$ with the open interval $(p - \eta, p + \eta)$ removed, and bounded, being a subset of $[a, b]$. Thus by the Heine-Borel theorem (Remark 2.23), $K'$ is compact. Now take an arbitrary $q \in K'$. Since $q \in K'$ we have $q \notin (p - \eta, p + \eta)$, while $p \in (p - \eta, p + \eta)$, so $q \neq p$; and since $q \in K' \subset [a, b]$ while $p$ is the only limit point that $A$ has in $[a, b]$, $q$ is not a limit point of $A$. Hence, by the definition of a limit point, there is an open interval $V_q$ containing $q$ such that
Then $\{V_q : q \in K'\}$ is an open cover of $K'$, so by the compactness of $K'$ (Remark 2.23) it has a finite subcover: there exist $q_1, \ldots, q_m \in K'$ with $K' \subset \bigcup_{r=1}^{m} V_{q_r}$. Since $A \subset [a, b]$, we have $A \setminus (p - \eta, p + \eta) = A \cap K'$, and therefore
That is, $A \setminus (p - \eta, p + \eta)$ has at most $m$ elements and hence is finite. (Only the definition of compactness in Remark 2.23 — every open cover admits a finite subcover — is used here; no theorem outside the lecture notes is invoked.)
Define
(if $p - \eta \le a$, we do not consider $J_1$ — there is no left piece of $[a,b] \setminus \mathring{I}$ in this case — and similarly we do not consider $J_2$ if $p + \eta \ge b$). When $J_1$ exists, $A \cap J_1 \subset A \setminus (p - \eta, p + \eta)$ is finite by the finiteness shown above. Since $f$ is continuous on $[a, b] \setminus A$, $f$ is continuous at every point of $J_1 \setminus A$, and since $\alpha$ is continuous on $A$, $\alpha$ is continuous at every point of $A \cap J_1$. Moreover $f$ is bounded on $J_1$ and $\alpha$ is monotonically increasing on $J_1$, being restrictions of the bounded $f$ and the monotonically increasing $\alpha$ on $[a, b]$. Hence, taking $A \cap J_1$ as the exceptional set, all the hypotheses of Theorem 2.32 are met on $J_1$. If $A \cap J_1 = \emptyset$, then $f$ is continuous on all of $J_1$, so by Theorem 2.26, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $J_1$; if $A \cap J_1 \neq \emptyset$, applying Theorem 2.32 with $J_1$ in place of $[a,b]$ and $A \cap J_1$ in place of $\{c_1, \ldots, c_k\}$ gives the same conclusion. In either case $f$ is integrable with respect to $\alpha$ on $J_1$, so by Theorem 2.19 there exists a partition $P_1$ of $J_1$ such that
Similarly, when $J_2$ exists, $A \cap J_2$ is finite (by the same argument), so by Theorem 2.26 or Theorem 2.32, $f$ is integrable with respect to $\alpha$ on $J_2$, and by Theorem 2.19 there exists a partition $P_2$ of $J_2$ such that
Now form a partition $P$ of $[a, b]$ by combining $P_1$ (if it exists), the two endpoints $\max\{a, p-\eta\}$ and $\min\{b, p+\eta\}$ of $I$, and $P_2$ (if it exists). Since $J_1$, $I$, $J_2$ cover $[a, b]$ consecutively without overlap, $P$ is indeed a partition of $[a, b]$, and $U(P, f, \alpha)$ and $L(P, f, \alpha)$ decompose as the sum of the contributions over $J_1$, $I$, and $J_2$ respectively:
where $\Delta\alpha_I := \alpha(\min\{b, p+\eta\}) - \alpha(\max\{a, p-\eta\})$, and the corresponding term is taken to be $0$ if $J_1$ or $J_2$ does not exist. Thus
In Case a), $\Delta\alpha_I \le \alpha(b) - \alpha(a)$ and $M_I - m_I \le \varepsilon$ by (a), so $(M_I - m_I)\Delta\alpha_I \le \varepsilon(\alpha(b) - \alpha(a))$. In Case b), $M_I - m_I \le 2M$ and $\Delta\alpha_I < \varepsilon$ by (b), so $(M_I - m_I)\Delta\alpha_I < 2M\varepsilon$. In either case,
and thus
where $C := 2 + \alpha(b) - \alpha(a) + 2M \ge 0$ is a fixed constant independent of $\varepsilon$ and of the choice of partition $P$. This is exactly the situation of Exercise 2.33: given any $\varepsilon' > 0$, starting with $\varepsilon := \varepsilon'/(C+1)$ and repeating the entire construction above (i.e. the choice of $\eta$, $I$, $P_1$, $P_2$, and $P$) yields a partition $P$ of $[a, b]$ such that
Since $\varepsilon' > 0$ is arbitrary, by Theorem 2.19, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
$f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수라 하자. 다음을 만족하는 $m \le M$과
$[m, M]$에서 연속함수 $\phi$가 존재한다고 가정하자. 그러면 합성함수 $h(x) := \phi(f(x))$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\phi$가 $[m, M]$에서 연속이고 $[m, M]$이 콤팩트이므로 $\phi$는 $[m, M]$에서 균등연속이다. 따라서 다음을 만족하는 $\delta > 0$이 존재한다.
이고
이다. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수이므로, 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$이 존재한다.
모든 $i = 1, \ldots, n$에 대해 다음과 같이 두자.
및 $m_i^{h} = \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} h(x)$. $M_i^{f} - m_i^{f} < \delta$일 때 $i \in B_1$로 쓰자. 그러면 $B_2 = \{1, 2, \ldots, n\} \setminus B_1$로 두면 다음을 얻는다.
$i \in B_1$이면 모든 $x, y \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해
이고 따라서 (2.32)와 (2.34)에 의해
이며 이는 다음을 의미한다.
반면 $i \in B_2$이면 $M_i^{f} - m_i^{f} \ge \delta$이고 따라서 (2.35)에 의해
이며 이는 명백히 다음을 함의한다.
따라서
라 정의하고 (2.36), (2.37), (2.33)을 적용하면 다음을 얻는다.
$\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로, 정리가 증명된다.
Let $f$ be a Riemann-Stieltjes integrable function with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Assume that there exist $m \le M$ such that
and continuous function $\phi$ on $[m, M]$. Then the composition function $h(x) := \phi(f(x))$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $\phi$ is continuous on $[m, M]$ and $[m, M]$ is compact, $\phi$ is uniformly continuous on $[m, M]$. Thus there exists a $\delta > 0$ such that
and
Since $f$ is Riemann-Stieltjes integrable function with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, there exists a partition $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that
For all $i = 1, \ldots, n$, put
and $m_i^{h} = \inf_{x_{i-1} \le x \le x_i} h(x)$. We write $i \in B_1$ iff $M_i^{f} - m_i^{f} < \delta$. Then setting $B_2 = \{1, 2, \ldots, n\} \setminus B_1$, we have
If $i \in B_1$, then for all $x, y \in [x_{i-1}, x_i]$
and thus by (2.32) and (2.34),
which leads to
On the other hand, if $i \in B_2$, then $M_i^{f} - m_i^{f} \ge \delta$ and thus by (2.35)
which obviously implies
Thus defining
and applying (2.36), (2.37), and (2.33), we have
Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, the theorem is proved.
$A \subset \mathbb{R}$, $b \in \mathbb{R}$, $c > 0$, $d < 0$이라 하자. 다음을 증명하라.
-
$$\sup(A + b) = \sup A + b,$$
여기서 $A + b := \{a + b : a \in A\}$이다.
-
$$\sup(cA) = c \sup A,$$
여기서 $cA := \{ca : a \in A\}$이다.
-
$$\sup(dA) = d \inf A.$$
-
$$\inf(A + b) = \inf A + b.$$
-
$$\inf(cA) = c \inf A.$$
-
$$\inf(dA) = d \sup A.$$
아래의 모든 상한과 하한이 $\mathbb{R}$에서 존재하도록, $A$가 공집합이 아니고 위로도 아래로도 유계라고 가정한다(주의 1.49). 먼저 (i)을 증명한다. $s := \sup A$라 두자. 모든 $a \in A$에 대해 $a \le s$이므로 $a + b \le s + b$이고, 따라서 $s + b$는 $A + b$의 상계이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $s = \sup A$이므로 주의 1.49에 의해 어떤 $y \in A$가 존재하여 $s - \varepsilon < y$이고, 따라서 $y + b \in A + b$이고 $(s + b) - \varepsilon < y + b$이다. $\varepsilon > 0$이 임의적이므로 상한의 $\varepsilon$-특징(주의 1.49)에 의해
다음으로 (ii)를 증명한다. $s := \sup A$라 두자. $c > 0$이므로 모든 $a \in A$에 대해 $a \le s$이면 $ca \le cs$이고, 따라서 $cs$는 $cA$의 상계이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\varepsilon/c > 0$이므로 주의 1.49에 의해 어떤 $y \in A$가 존재하여 $s - \varepsilon/c < y$이다. $c > 0$이므로 양변에 $c$를 곱해도 부등호 방향이 바뀌지 않으므로 $cs - \varepsilon < cy$를 얻고, $cy \in cA$이다. 따라서 상한의 $\varepsilon$-특징에 의해
셋째로 (iii)을 증명한다. $m := \inf A$라 두자. $d < 0$이므로 모든 $a \in A$에 대해 $a \ge m$이면 $da \le dm$이고(음수를 곱하면 부등호가 뒤집힌다), 따라서 $dm$은 $dA$의 상계이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $-d > 0$이므로 $\varepsilon/(-d) > 0$이고, 주의 1.49에 의해 어떤 $y \in A$가 존재하여 $y < m + \varepsilon/(-d)$이다. $d < 0$이므로 양변에 $d$를 곱하면 부등호가 뒤집혀
를 얻고, $dy \in dA$이다. 따라서 $dm - \varepsilon < dy$이므로 상한의 $\varepsilon$-특징에 의해
넷째로 (iv)를 증명한다. $m := \inf A$라 두자. 모든 $a \in A$에 대해 $a \ge m$이므로 $a + b \ge m + b$이고, 따라서 $m + b$는 $A + b$의 하계이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 주의 1.49에 의해 어떤 $y \in A$가 존재하여 $y < m + \varepsilon$이고, 따라서 $y + b \in A + b$이고 $y + b < (m + b) + \varepsilon$이다. 따라서 하한의 $\varepsilon$-특징에 의해
다섯째로 (v)를 증명한다. $m := \inf A$라 두자. $c > 0$이므로 $a \ge m$이면 $ca \ge cm$이고, 따라서 $cm$은 $cA$의 하계이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\varepsilon/c > 0$이므로 주의 1.49에 의해 어떤 $y \in A$가 존재하여 $y < m + \varepsilon/c$이고, 양변에 $c$를 곱하면 $cy < cm + \varepsilon$을 얻으며 $cy \in cA$이다. 따라서
마지막으로 (vi)을 증명한다. $s := \sup A$라 두자. $d < 0$이므로 $a \le s$이면 $da \ge ds$이고(음수를 곱하면 부등호가 뒤집힌다), 따라서 $ds$는 $dA$의 하계이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $-d > 0$이므로 $\varepsilon/(-d) > 0$이고, 주의 1.49에 의해 어떤 $y \in A$가 존재하여 $s - \varepsilon/(-d) < y$이다. $d < 0$이므로 양변에 $d$를 곱하면 부등호가 뒤집혀
를 얻고, $dy \in dA$이다. 따라서 $dy < ds + \varepsilon$이므로 하한의 $\varepsilon$-특징에 의해
Let $A \subset \mathbb{R}$, $b \in \mathbb{R}$, $c > 0$, and $d < 0$. Prove the followings:
-
$$\sup(A + b) = \sup A + b,$$
where $A + b := \{a + b : a \in A\}$.
-
$$\sup(cA) = c \sup A,$$
where $cA := \{ca : a \in A\}$.
-
$$\sup(dA) = d \inf A.$$
-
$$\inf(A + b) = \inf A + b.$$
-
$$\inf(cA) = c \inf A.$$
-
$$\inf(dA) = d \sup A.$$
Assume $A$ is nonempty and bounded both above and below, so that all the suprema and infima below exist in $\mathbb{R}$ (Remark 1.49). We first prove (i). Put $s := \sup A$. For all $a \in A$, $a \le s$, so $a + b \le s + b$, and thus $s + b$ is an upper bound of $A + b$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $s = \sup A$, by Remark 1.49 there exists a $y \in A$ such that $s - \varepsilon < y$, and thus $y + b \in A + b$ and $(s + b) - \varepsilon < y + b$. Since $\varepsilon > 0$ is arbitrary, by the $\varepsilon$-characterization of the supremum (Remark 1.49),
Second, we prove (ii). Put $s := \sup A$. Since $c > 0$, $a \le s$ implies $ca \le cs$ for all $a \in A$, so $cs$ is an upper bound of $cA$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $\varepsilon/c > 0$, by Remark 1.49 there exists a $y \in A$ such that $s - \varepsilon/c < y$. Since $c > 0$, multiplying both sides by $c$ does not reverse the inequality, so we obtain $cs - \varepsilon < cy$, and $cy \in cA$. Therefore, by the $\varepsilon$-characterization of the supremum,
Third, we prove (iii). Put $m := \inf A$. Since $d < 0$, $a \ge m$ implies $da \le dm$ for all $a \in A$ (multiplying by a negative number reverses the inequality), so $dm$ is an upper bound of $dA$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $-d > 0$, $\varepsilon/(-d) > 0$, and by Remark 1.49 there exists a $y \in A$ such that $y < m + \varepsilon/(-d)$. Since $d < 0$, multiplying both sides by $d$ reverses the inequality, giving
and $dy \in dA$. Thus $dm - \varepsilon < dy$, so by the $\varepsilon$-characterization of the supremum,
Fourth, we prove (iv). Put $m := \inf A$. For all $a \in A$, $a \ge m$, so $a + b \ge m + b$, and thus $m + b$ is a lower bound of $A + b$. Let $\varepsilon > 0$ be given. By Remark 1.49 there exists a $y \in A$ such that $y < m + \varepsilon$, and thus $y + b \in A + b$ and $y + b < (m + b) + \varepsilon$. Therefore, by the $\varepsilon$-characterization of the infimum,
Fifth, we prove (v). Put $m := \inf A$. Since $c > 0$, $a \ge m$ implies $ca \ge cm$, so $cm$ is a lower bound of $cA$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $\varepsilon/c > 0$, by Remark 1.49 there exists a $y \in A$ such that $y < m + \varepsilon/c$, and multiplying both sides by $c$ gives $cy < cm + \varepsilon$, with $cy \in cA$. Therefore,
Finally, we prove (vi). Put $s := \sup A$. Since $d < 0$, $a \le s$ implies $da \ge ds$ (multiplying by a negative number reverses the inequality), so $ds$ is a lower bound of $dA$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $-d > 0$, $\varepsilon/(-d) > 0$, and by Remark 1.49 there exists a $y \in A$ such that $s - \varepsilon/(-d) < y$. Since $d < 0$, multiplying both sides by $d$ reverses the inequality, giving
and $dy \in dA$. Thus $dy < ds + \varepsilon$, so by the $\varepsilon$-characterization of the infimum,
$f$, $f_1$, $f_2$가 $[a, b]$에서 유계함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자.
-
$f_1$과 $f_2$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면, $f_1 + f_2$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
$$\int_a^b (f_1 + f_2) d\alpha = \int_a^b f_1 d\alpha + \int_a^b f_2 d\alpha. \tag{2.38}$$ -
$f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면, 임의의 상수 $c \in \mathbb{R}$에 대해 $cf$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
$$\int_a^b cf d\alpha = c \int_a^b f d\alpha.$$ -
$f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 $c \in (a, b)$이면, $f$는 $[a, c]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고, $[c, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하며,
$$\int_a^c f d\alpha + \int_c^b f d\alpha = \int_a^b f d\alpha.$$ -
$f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 어떤 양의 상수 $M > 0$에 대해 $\sup_{x \in [a,b]} |f(x)| \le M$이면,
$$\left| \int_a^b f d\alpha \right| \le M[\alpha(b) - \alpha(a)].$$ -
$f_1$과 $f_2$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 모든 $x \in [a, b]$에 대해 $f_1(x) \le f_2(x)$이면,
$$\int_a^b f_1 d\alpha \le \int_a^b f_2 d\alpha.$$
먼저 (i)을 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면 $f_1$과 $f_2$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하므로, 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P_1$과 $P_2$가 존재한다.
및
$P_1$과 $P_2$의 공통 세분을 $P^*$로 표기하자. 그러면
및
다음과 같이 두고
$i = 1, \ldots, n$에 대해 다음과 같이 두자.
그러면
따라서 (2.39)와 (2.40)에 의해,
따라서 $f_1 + f_2$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 다음으로 (2.38)을 증명한다. (2.41)을 상기하면, $[a, b]$의 모든 분할 $P_1$, $P_2$와 그 세분 $P^*$에 대해 다음을 얻는다.
및
따라서
및
둘째로 (ii)를 증명한다. $c = 0$이면 그 명제는 자명하다. 먼저 $c > 0$인 경우를 살펴보자. 그러면 임의의 분할 $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$과 $i = 1, \ldots, n$에 대해
및
이다. 따라서
및
이다. 반면 $c < 0$이면, 임의의 분할 $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$과 $i = 1, \ldots, n$에 대해
및
이다. 따라서
및
(iii), (iv), (v)의 증명은 연습문제로 남긴다.
Let $f$, $f_1$, $f_2$ be bounded functions on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a, b]$.
-
If $f_1$ and $f_2$ are Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, then $f_1 + f_2$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and
$$\int_a^b (f_1 + f_2) d\alpha = \int_a^b f_1 d\alpha + \int_a^b f_2 d\alpha. \tag{2.38}$$ -
If $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, then for any constant $c \in \mathbb{R}$, $cf$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and
$$\int_a^b cf d\alpha = c \int_a^b f d\alpha.$$ -
If $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and $c \in (a, b)$, then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, c]$, Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[c, b]$, and
$$\int_a^c f d\alpha + \int_c^b f d\alpha = \int_a^b f d\alpha.$$ -
If $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and $\sup_{x \in [a,b]} |f(x)| \le M$ for some positive constant $M > 0$, then
$$\left| \int_a^b f d\alpha \right| \le M[\alpha(b) - \alpha(a)].$$ -
If $f_1$ and $f_2$ are Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and $f_1(x) \le f_2(x)$ for all $x \in [a, b]$, then
$$\int_a^b f_1 d\alpha \le \int_a^b f_2 d\alpha.$$
We first prove (i). Let $\varepsilon > 0$ be given. Then since $f_1$ and $f_2$ are Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, there exist partitions $P_1$ and $P_2$ of $[a, b]$ such that
and
Denote the common refinement of $P_1$ and $P_2$ by $P^*$. Then
and
Put
and set for $i = 1, \ldots, n$,
Then
Thus by (2.39) and (2.40),
Therefore, $f_1 + f_2$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Next we prove (2.38). Recalling (2.41), for all partition $P_1$ and $P_2$ of $[a, b]$ and their refinement $P^*$, we have
and
Therefore,
and
Second, we prove (ii). If $c = 0$, then the statement is obvious. We consider the case $c > 0$ first. Then for any partition $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ and $i = 1, \ldots, n$,
and
Thus
and
On the other hand, if $c < 0$, then for any partition $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ and $i = 1, \ldots, n$,
and
Thus
and
We left the proof of (iii), (iv), and (v) as an exercise.
정리 2.37의 (iii)-(v)를 증명하라.
먼저 (iii)을 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하므로, 정리 2.19에 의해 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P$가 존재한다.
$P' := P \cup \{c\}$라 두자. 그러면 $P'$는 $P$의 세분이므로, 정리 2.20(i)에 의해
$P' = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$이라 두면 $c \in P'$이므로 $c = x_j$인 $j$가 존재한다. $c \in (a, b)$이므로 $x_0 = a < c < b = x_n$이고, 따라서 $j \in \{1, \ldots, n-1\}$이다(즉 아래의 $P_1$과 $P_2$는 각각 두 개 이상의 점을 가지므로 실제로 $[a, c]$와 $[c, b]$의 분할이 된다). 다음과 같이 정의하자.
그러면 $P_1$은 $[a, c]$의 분할이고 $P_2$는 $[c, b]$의 분할이다. $U(P', f, \alpha)$와 $L(P', f, \alpha)$가 $P'$의 각 부분구간 위의 항의 합이고, $P'$의 부분구간들이 $x_j = c$를 경계로 $P_1$이 만드는 부분구간들과 $P_2$가 만드는 부분구간들로 정확히 나뉘므로,
이다. 따라서
(2.8)에 의해 좌변의 두 항이 모두 $0$ 이상이므로, 각 항은 개별적으로 $\varepsilon$보다 작다.
$\varepsilon > 0$이 임의적이므로, 정리 2.19를 $[a, c]$와 $[c, b]$에 각각 적용하면 $f$는 $[a, c]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고, $[c, b]$에서도 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
이제 등식을 증명한다. $f$가 $[a, c]$, $[c, b]$, $[a, b]$ 모두에서 $\alpha$에 관하여 적분가능하므로, (2.15)에 의해
이고, 두 부등식을 더하면
를 얻는다. 또한 (2.15)를 $P'$와 $[a, b]$에 직접 적용하면
이다. 위 두 부등식 사슬을 결합하면
$\varepsilon > 0$이 임의적이므로,
다음으로, (iv)의 증명에서 (v)가 필요하므로 (v)를 먼저 증명한다. 임의의 $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$과 각 $i = 1, \ldots, n$에 대해, 모든 $x \in [x_{i-1}, x_i]$에서 $f_1(x) \le f_2(x)$이므로
이다(왜냐하면 $\inf_{[x_{i-1},x_i]} f_1$은 $[x_{i-1}, x_i]$의 모든 $x$에 대해 $f_1(x) \le f_2(x)$인 $f_1$의 하계이므로 $f_2$의 하계이기도 하고, 따라서 $f_2$의 하한 이하이다). 즉 $m_i^{f_1} \le m_i^{f_2}$이다. $\Delta\alpha_i \ge 0$이므로
이고, 이는 $[a, b]$의 모든 분할 $P$에 대해 성립한다. 따라서 좌변의 상한이 우변의 상한 이하이므로
$f_1$과 $f_2$가 모두 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 적분가능하므로,
마지막으로 (iv)를 증명한다. $\sup_{x \in [a,b]} |f(x)| \le M$이므로
이다. 상수함수 $g \equiv M$을 생각하면, $[a, b]$의 임의의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$에 대해 모든 $i$에서 $\sup_{[x_{i-1},x_i]} g = \inf_{[x_{i-1},x_i]} g = M$이므로
이다(합이 망원급수를 이루므로 $\sum_{i=1}^{n} \Delta\alpha_i = \alpha(b) - \alpha(a)$이다). 즉 모든 분할 $P$에 대해 $U(P, g, \alpha) = L(P, g, \alpha) = M(\alpha(b) - \alpha(a))$이므로, 정리 2.19에 의해 $g$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 적분가능하고, 상적분 $\inf_P U(P, g, \alpha)$를 계산하면 ($g$의 적분을 $\int_a^b M d\alpha$로 쓸 때)
같은 방식으로
이제 $-M \le f(x)$가 모든 $x \in [a, b]$에서 성립하므로, (v)에 의해
또한 $f(x) \le M$이 모든 $x \in [a, b]$에서 성립하므로, (v)에 의해
따라서
이고 $\alpha(b) - \alpha(a) \ge 0$이므로, 이는 정확히
를 뜻한다.
Prove (iii)-(v) in Theorem 2.37.
We first prove (iii). Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, by Theorem 2.19 there exists a partition $P$ of $[a, b]$ such that
Put $P' := P \cup \{c\}$. Then $P'$ is a refinement of $P$, so by Theorem 2.20(i),
Put $P' = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$; since $c \in P'$, there exists $j$ such that $c = x_j$. As $c \in (a, b)$ we have $x_0 = a < c < b = x_n$, hence $j \in \{1, \ldots, n-1\}$ (so that $P_1$ and $P_2$ below each contain at least two points and are therefore genuine partitions of $[a, c]$ and $[c, b]$). Define
Then $P_1$ is a partition of $[a, c]$ and $P_2$ is a partition of $[c, b]$. Since $U(P', f, \alpha)$ and $L(P', f, \alpha)$ are sums over the subintervals of $P'$, and the subintervals of $P'$ split exactly, at the boundary $x_j = c$, into those forming $P_1$ and those forming $P_2$, we have
Thus
By (2.8), both terms on the left-hand side are nonnegative, so each is individually less than $\varepsilon$:
Since $\varepsilon > 0$ is arbitrary, applying Theorem 2.19 on $[a, c]$ and on $[c, b]$ respectively shows that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, c]$ and on $[c, b]$.
Now we prove the identity. Since $f$ is integrable with respect to $\alpha$ on $[a, c]$, $[c, b]$, and $[a, b]$, by (2.15),
and adding these two inequalities gives
Also, applying (2.15) directly to $P'$ and $[a, b]$,
Combining the two chains of inequalities above,
Since $\varepsilon > 0$ is arbitrary,
Next, since the proof of (iv) requires (v), we prove (v) first. For any partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ and each $i = 1, \ldots, n$, since $f_1(x) \le f_2(x)$ for all $x \in [x_{i-1}, x_i]$,
(since $\inf_{[x_{i-1},x_i]} f_1$ is a lower bound of $f_1$ on $[x_{i-1}, x_i]$, and $f_1(x) \le f_2(x)$ for all $x \in [x_{i-1}, x_i]$, it is also a lower bound of $f_2$ on $[x_{i-1}, x_i]$, hence at most $\inf_{[x_{i-1},x_i]} f_2$). That is, $m_i^{f_1} \le m_i^{f_2}$. Since $\Delta\alpha_i \ge 0$,
and this holds for every partition $P$ of $[a, b]$. Thus the supremum of the left-hand side is at most the supremum of the right-hand side, so
Since both $f_1$ and $f_2$ are integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$,
Finally, we prove (iv). Since $\sup_{x \in [a,b]} |f(x)| \le M$,
Consider the constant function $g \equiv M$. For any partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$, since $\sup_{[x_{i-1},x_i]} g = \inf_{[x_{i-1},x_i]} g = M$ for every $i$,
(the sum telescopes, so $\sum_{i=1}^{n} \Delta\alpha_i = \alpha(b) - \alpha(a)$). That is, $U(P, g, \alpha) = L(P, g, \alpha) = M(\alpha(b) - \alpha(a))$ for every partition $P$, so by Theorem 2.19, $g$ is integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, and computing the upper integral $\inf_P U(P, g, \alpha)$ gives (writing $\int_a^b M d\alpha$ for the integral of $g$)
In the same way,
Now, since $-M \le f(x)$ for all $x \in [a, b]$, by (v),
Also, since $f(x) \le M$ for all $x \in [a, b]$, by (v),
Therefore
and since $\alpha(b) - \alpha(a) \ge 0$, this is exactly
$f_1$과 $f_2$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수이고 $c_1, c_2 \in \mathbb{R}$이라 하자. 함수 $c_1 f_1 + c_2 f_2$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 다음이 성립함을 보여라.
정리 2.37(ii)를 $f_1$과 상수 $c_1$에 적용하면, $c_1 f_1$은 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
마찬가지로 정리 2.37(ii)를 $f_2$와 상수 $c_2$에 적용하면, $c_2 f_2$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
이제 $g_1 := c_1 f_1$, $g_2 := c_2 f_2$라 두면, $g_1$과 $g_2$는 모두 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하므로, 정리 2.37(i)에 의해 $g_1 + g_2 = c_1 f_1 + c_2 f_2$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
Let $f_1$ and $f_2$ be Riemann-Stieltjes integrable functions with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and $c_1, c_2 \in \mathbb{R}$. Show that the function $c_1 f_1 + c_2 f_2$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and
Applying Theorem 2.37(ii) to $f_1$ and the constant $c_1$, $c_1 f_1$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and
Similarly, applying Theorem 2.37(ii) to $f_2$ and the constant $c_2$, $c_2 f_2$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and
Now put $g_1 := c_1 f_1$ and $g_2 := c_2 f_2$. Since both $g_1$ and $g_2$ are Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, by Theorem 2.37(i), $g_1 + g_2 = c_1 f_1 + c_2 f_2$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and
$f$가 $[a, b]$에서 유계함수이고 $\alpha, \alpha_1, \alpha_2$가 $[a, b]$에서 단조증가함수라 하자.
-
$f$가 $[a, b]$에서 $\alpha_1$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha_2$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면, $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha_1 + \alpha_2$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
$$\int_a^b f d(\alpha_1 + \alpha_2) = \int_a^b f d\alpha_1 + \int_a^b f d\alpha_2.$$ -
$f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면, 임의의 양의 상수 $c$에 대해 $f$는 $[a, b]$에서 $c\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고
$$\int_a^b f d(c\alpha) = c \int_a^b f d\alpha.$$
이 정리의 증명은 정리 2.37의 증명과 매우 유사하므로 생략한다.
Let $f$ be a bounded functions on $[a, b]$ and $\alpha, \alpha_1, \alpha_2$ be monotonically increasing functions on $[a, b]$.
-
If $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha_1$ on $[a, b]$ and $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha_2$ on $[a, b]$, then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha_1 + \alpha_2$ on $[a, b]$ and
$$\int_a^b f d(\alpha_1 + \alpha_2) = \int_a^b f d\alpha_1 + \int_a^b f d\alpha_2.$$ -
If $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, then for any positive constant $c$, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $c\alpha$ on $[a, b]$ and
$$\int_a^b f d(c\alpha) = c \int_a^b f d\alpha.$$
We skip the proof of this theorem since the proof is quite similar to that of Theorem 2.37.
정리 2.40을 증명하라.
먼저 (i)을 증명한다. $\alpha_1$과 $\alpha_2$가 $[a, b]$에서 단조증가하므로, $x, y \in [a, b]$이고 $x < y$이면 $\alpha_1(x) \le \alpha_1(y)$이고 $\alpha_2(x) \le \alpha_2(y)$이며, 따라서 $(\alpha_1 + \alpha_2)(x) \le (\alpha_1 + \alpha_2)(y)$이다. 즉 $\alpha_1 + \alpha_2$도 $[a, b]$에서 단조증가한다. $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$에 대해 각 $i = 1, \ldots, n$마다
이다. $M_i := \sup_{[x_{i-1},x_i]} f$와 $m_i := \inf_{[x_{i-1},x_i]} f$가 $\alpha$와 무관하게 오직 $f$에만 의존함을 주목하면,
이고, 마찬가지로
이다. 이 두 식은 $[a, b]$의 모든 분할 $P$에 대해 성립한다.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha_1$에 관하여 적분가능하므로, 정리 2.19에 의해 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P_1$이 존재한다.
마찬가지로 $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha_2$에 관하여 적분가능하므로, 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P_2$가 존재한다.
$P_1$과 $P_2$의 공통 세분을 $P^*$라 하자(정의 2.14). $P^*$가 $P_1$의 세분이므로, 정리 2.15와 따름정리 2.16에 의해
이고, $P^*$가 $P_2$의 세분이므로 마찬가지로
이다. 따라서 위에서 보인 항등식에 의해
정리 2.19에 의해, $f$는 $[a, b]$에서 $\alpha_1 + \alpha_2$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
이제 값의 등식을 증명한다. 위 항등식은 특정 분할에 국한되지 않고 $[a, b]$의 임의의 분할에 대해 성립하므로, $[a, b]$의 임의의 분할 $P_1$, $P_2$와 그 공통 세분 $P^*$에 대해(정리 2.37(i)의 증명 방식을 그대로 따라)
및
를 얻는다. 따라서
및
를 얻는다. 위 두 부등식을 결합하면
다음으로 (ii)를 증명한다. $c > 0$이고 $\alpha$가 $[a, b]$에서 단조증가하므로, $x, y \in [a, b]$이고 $x < y$이면 $\alpha(x) \le \alpha(y)$이고 $c > 0$이므로 $c\alpha(x) \le c\alpha(y)$이다. 즉 $c\alpha$도 $[a, b]$에서 단조증가한다. $[a, b]$의 분할 $P$에 대해 각 $i$마다
이므로, $c > 0$이 합의 밖으로 나올 수 있어
이고, 마찬가지로 $L(P, f, c\alpha) = cL(P, f, \alpha)$이다.
$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 적분가능하므로, 정리 2.19를 오차 $\varepsilon/c > 0$에 적용하면 다음을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P$가 존재한다.
따라서
정리 2.19에 의해 $f$는 $[a, b]$에서 $c\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
값의 등식을 보이자. $c > 0$이므로 연습문제 2.36(v)에 의해
이고, 연습문제 2.36(ii)에 의해
이다. 두 값이 모두 $c\int_a^b f d\alpha$로 같으므로,
Prove Theorem 2.40.
We first prove (i). Since $\alpha_1$ and $\alpha_2$ are monotonically increasing on $[a, b]$, if $x, y \in [a, b]$ and $x < y$, then $\alpha_1(x) \le \alpha_1(y)$ and $\alpha_2(x) \le \alpha_2(y)$, so $(\alpha_1 + \alpha_2)(x) \le (\alpha_1 + \alpha_2)(y)$. That is, $\alpha_1 + \alpha_2$ is also monotonically increasing on $[a, b]$. For a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ and each $i = 1, \ldots, n$,
Noting that $M_i := \sup_{[x_{i-1},x_i]} f$ and $m_i := \inf_{[x_{i-1},x_i]} f$ depend only on $f$, not on $\alpha$,
and similarly
These two identities hold for every partition $P$ of $[a, b]$.
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is integrable with respect to $\alpha_1$ on $[a, b]$, by Theorem 2.19 there exists a partition $P_1$ of $[a, b]$ such that
Similarly, since $f$ is integrable with respect to $\alpha_2$ on $[a, b]$, there exists a partition $P_2$ of $[a, b]$ such that
Let $P^*$ be the common refinement of $P_1$ and $P_2$ (Definition 2.14). Since $P^*$ is a refinement of $P_1$, by Theorem 2.15 and Corollary 2.16,
and since $P^*$ is a refinement of $P_2$, similarly
Therefore, by the identity shown above,
By Theorem 2.19, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha_1 + \alpha_2$ on $[a, b]$.
Now we prove the value identity. Since the identity above holds for every partition of $[a, b]$, not just $P^*$, for any partitions $P_1$, $P_2$ of $[a, b]$ and their common refinement $P^*$ (following the exact pattern of the proof of Theorem 2.37(i)),
and
Therefore
and
Combining these two inequalities,
Next we prove (ii). Since $c > 0$ and $\alpha$ is monotonically increasing on $[a, b]$, if $x, y \in [a, b]$ and $x < y$, then $\alpha(x) \le \alpha(y)$, and since $c > 0$, $c\alpha(x) \le c\alpha(y)$. That is, $c\alpha$ is also monotonically increasing on $[a, b]$. For a partition $P$ of $[a, b]$ and each $i$,
so since $c > 0$ can be factored out of the sum,
and similarly $L(P, f, c\alpha) = cL(P, f, \alpha)$.
Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, applying Theorem 2.19 with tolerance $\varepsilon/c > 0$, there exists a partition $P$ of $[a, b]$ such that
Thus
By Theorem 2.19, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $c\alpha$ on $[a, b]$.
We show the value identity. Since $c > 0$, by Exercise 2.36(v),
and by Exercise 2.36(ii),
Since both values equal $c\int_a^b f d\alpha$,
$f$와 $g$가 $[a, b]$에서 유계함수라 하자. $f$와 $g$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수라고 가정하자. 그러면
-
$fg$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수이다.
-
$|f|$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수이고
$$\left| \int_a^b f d\alpha \right| \le \int_a^b |f| d\alpha. \tag{2.42}$$
먼저 (i)을 증명한다. 정리 2.37 (i)과 (ii)에 의해 $f+g$와 $f-g$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수이다. $\phi(t) = t^2$이라 두자. 그러면 정리 2.35에 의해 $\phi(f + g) = (f + g)^2$와 $\phi(f - g) = (f - g)^2$는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수이다. 따라서 정리 2.37 (i)과 (ii)를 다시 적용하면,
는 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수이다. 다음으로 (ii)를 증명한다. $\phi(t) = |t|$라 두자. 그러면 정리 2.35에 의해 $|f|$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능함을 알 수 있다. 따라서 (2.42)만 보이면 충분하다. 다음을 만족하도록 $c = 1$ 또는 $c = -1$을 택하자.
그러면
이고, 정리 2.37에 의해
Let $f$ and $g$ be bounded functions on $[a, b]$. Assume that $f$ and $g$ are Riemann-Stieltjes integrable functions with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Then
-
$fg$ is Riemann-Stieltjes integrable functions with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
-
$|f|$ is Riemann-Stieltjes integrable functions with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and
$$\left| \int_a^b f d\alpha \right| \le \int_a^b |f| d\alpha. \tag{2.42}$$
First we prove (i). By Theorem 2.37 (i) and (ii), $f+g$ and $f-g$ are Riemann-Stieltjes integrable functions with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Set $\phi(t) = t^2$. Then by Theorem 2.35, $\phi(f + g) = (f + g)^2$ and $\phi(f - g) = (f - g)^2$ are Riemann-Stieltjes integrable functions with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Thus by Theorem 2.37 (i) and (ii) again,
is a Riemann-Stieltjes integrable function with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Next we prove (ii). Set $\phi(t) = |t|$. Then Theorem 2.35 shows that $|f|$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Thus it only remains to show (2.42). Choose $c = 1$ or $c = -1$ so that
Then
and by Theorem 2.37,
$f$와 $g$가 $[a, b]$에서 유계함수라 하자. $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다고 가정하자. $fg$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한지 증명하거나 반증하라.
이 명제는 거짓이다. $[a, b] := [0, 1]$이고 $\alpha(x) := x$라 하자. 그러면 $\alpha$는 $[0, 1]$에서 연속이고 단조증가한다. $f \equiv 1$이라 두자. $f$는 유계이고, $[0, 1]$의 임의의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$에 대해 모든 $i$에서 $\sup_{[x_{i-1},x_i]} f = \inf_{[x_{i-1},x_i]} f = 1$이므로
이다. 즉 모든 분할에 대해 $U = L$이므로, 정리 2.19에 의해 $f$는 $[0, 1]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다.
이제 예제 2.7의 함수
를 생각하자. $g$의 값이 $0$ 또는 $1$뿐이므로 $g$는 $[0, 1]$에서 유계이다. 예제 2.7에서 이미 보였듯이, $[0, 1]$의 모든 분할 $P$에 대해
이므로 $U(P, g) - L(P, g) = 1$이고, 이는 어떤 $\varepsilon \in (0, 1)$에 대해서도 $U(P,g) - L(P,g) < \varepsilon$을 만족하는 분할 $P$가 존재하지 않음을 뜻한다. 따라서 정리 2.19에 의해 $g$는 $[0, 1]$에서 리만 적분가능하지 않고, 주의 2.13에 의해(즉 $\alpha(x) = x$인 경우 리만-스틸체스 적분가능성과 리만 적분가능성이 동치이므로) $g$는 $[0, 1]$에서 $\alpha$에 관하여도 리만-스틸체스 적분가능하지 않다.
그런데
이므로 $fg = g$이고, 따라서 $fg$는 $[0, 1]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하지 않다. 즉 $f$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 $g$가 $[a, b]$에서 유계이기만 하더라도, $fg$가 $[a, b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능할 필요는 없다.
Let $f$ and $g$ be bounded functions on $[a, b]$. Assume that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Prove or disprove that $fg$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.
This statement is false. Let $[a, b] := [0, 1]$ and $\alpha(x) := x$. Then $\alpha$ is continuous and monotonically increasing on $[0, 1]$. Put $f \equiv 1$. Then $f$ is bounded, and for any partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[0, 1]$, since $\sup_{[x_{i-1},x_i]} f = \inf_{[x_{i-1},x_i]} f = 1$ for every $i$,
That is, $U = L$ for every partition, so by Theorem 2.19, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[0, 1]$.
Now consider the function from Example 2.7,
Since the values of $g$ are only $0$ or $1$, $g$ is bounded on $[0, 1]$. As already shown in Example 2.7, for every partition $P$ of $[0, 1]$,
so $U(P, g) - L(P, g) = 1$, which means that there is no partition $P$ satisfying $U(P,g) - L(P,g) < \varepsilon$ for any $\varepsilon \in (0, 1)$. Thus by Theorem 2.19, $g$ is not Riemann-integrable on $[0, 1]$, and by Remark 2.13 (i.e. since Riemann-Stieltjes integrability with respect to $\alpha(x) = x$ is equivalent to Riemann integrability), $g$ is also not Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[0, 1]$.
But
so $fg = g$, and hence $fg$ is not Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[0, 1]$. That is, even when $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ and $g$ is merely bounded on $[a, b]$, $fg$ need not be Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$.