§2 The Riemann-Stieltjes Integral (iii) · 리만-스틸체스 적분 (iii)

DEF 2.44 단위계단함수와 지시함수 The Unit Step Function and the Indicator Function
한국어

단위계단함수 $I$는 다음과 같이 정의된다.

$$I(x) = \begin{cases} 0 & (x \le 0) \\ 1 & (x > 0). \end{cases}$$

임의의 $s \in \mathbb{R}$에 대해 자명하게

$$I(x - s) = \begin{cases} 0 & (x \le s) \\ 1 & (x > s). \end{cases}$$

이고, 모든 $a \le b$에 대해

$$I(b - x) - I(a - x) = \begin{cases} 0 & (b \le x) \\ 1 & (b > x) \end{cases} - \begin{cases} 0 & (a \le x) \\ 1 & (a > x) \end{cases} = \begin{cases} 1 & (x \in [a, b)) \\ 0 & (x \notin [a, b)). \end{cases}$$

이다. 더 일반적으로, 임의의 집합 $A$에 대해 지시함수 $I_A(x)$를 다음과 같이 정의한다.

$$I_A(x) = \begin{cases} 1 & (x \in A) \\ 0 & (x \in A^c). \end{cases}$$

특히

$$I(b - x) - I(a - x) = I_{[a,b)}(x).$$
English

The unit step function $I$ is defined by

$$I(x) = \begin{cases} 0 & (x \le 0) \\ 1 & (x > 0). \end{cases}$$

Obviously, for any $s \in \mathbb{R}$,

$$I(x - s) = \begin{cases} 0 & (x \le s) \\ 1 & (x > s). \end{cases}$$

and for all $a \le b$,

$$I(b - x) - I(a - x) = \begin{cases} 0 & (b \le x) \\ 1 & (b > x) \end{cases} - \begin{cases} 0 & (a \le x) \\ 1 & (a > x) \end{cases} = \begin{cases} 1 & (x \in [a, b)) \\ 0 & (x \notin [a, b)). \end{cases}$$

More generally, for any set $A$, we define the indicator function $I_A(x)$ as

$$I_A(x) = \begin{cases} 1 & (x \in A) \\ 0 & (x \in A^c). \end{cases}$$

In particular,

$$I(b - x) - I(a - x) = I_{[a,b)}(x).$$
THM 2.45 단일 단위계단에 대한 적분 The Integral against a Single Unit Step
한국어

$a \lt s \lt b$이고 $f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이며 $\alpha(x) = I(x - s)$라 하자. $f$가 $s$에서 연속이라 가정하자. 그러면

$$\int_a^b f d\alpha = f(s).$$

모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해

$$x_i^n = a + i\frac{b - a}{n} \qquad (i = 0, \ldots, n)$$

이라 두고

$$P_n = \{x_0^n, x_1^n, \ldots, x_n^n\}.$$

이라 하자. 그러면 $P_n$은 $[a, b]$의 분할이다. $s \in (a, b)$이므로, 각 $n \in \mathbb{N}$에 대해

$$s \in [x_{k-1}^n, x_k^n).$$

을 만족하는 $k \in \{1, \ldots, n\}$이 존재한다. 따라서 각 $n$에 대해

$$\Delta\alpha_k = \alpha(x_k^n) - \alpha(x_{k-1}^n) = I(x_k^n - s) - I(x_{k-1}^n - s) = I_{[x_{k-1}^n, x_k^n)}(s) = 1.$$
$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i^n) - \alpha(x_{i-1}^n) = I(x_i^n - s) - I(x_{i-1}^n - s) = 0$$

이 모든 $i \in \{1, \ldots, n\} \setminus \{k\}$에 대해 성립하고,

$$\begin{aligned} U(P_n, f, \alpha) &= \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \\ &= M_k = \sup_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x), \end{aligned} \tag{2.43}$$
$$\begin{aligned} L(P_n, f, \alpha) &= \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \\ &= m_k = \inf_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x), \end{aligned} \tag{2.44}$$

이며

$$\begin{aligned} U(P_n, f, \alpha) - L(P_n, f, \alpha) &= \sum_{i=1}^{n} (M_i - m_i)\Delta\alpha_i \\ &= M_k - m_k = \sup_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x) - \inf_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x). \end{aligned} \tag{2.45}$$

이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면 $f$가 $s$에서 연속이므로,

$$|f(x) - f(s)| \lt \frac{\varepsilon}{3} \tag{2.46}$$

이 모든 $x \in (s - \delta, s + \delta)$에 대해 성립하도록 하는 $\delta > 0$이 존재한다. 다음을 만족하도록 충분히 큰 $n_0 \in \mathbb{N}$을 택하자.

$$\frac{b - a}{n_0} \lt \delta.$$

이 $n_0$에 대해

$$s \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0})$$

를 만족하는 $k_0 \in \{1, \ldots, n_0\}$이 존재함을 상기하자. $x_{k_0}^{n_0} - x_{k_0-1}^{n_0} = \frac{b-a}{n_0} \lt \delta$이므로,

$$[x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}] \subset (s - \delta, s + \delta).$$

이다. 따라서 모든 $x, y \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]$에 대해 (2.46)과 삼각부등식을 적용하면,

$$f(x) - f(y) \le |f(x) - f(y)| \le |f(x) - f(s)| + |f(y) - f(s)| \lt \frac{2\varepsilon}{3}.$$

특히

$$\sup_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) - f(s) \le \frac{2\varepsilon}{3} \lt \varepsilon, \tag{2.47}$$
$$f(s) \le \inf_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) + \frac{2\varepsilon}{3} \lt \inf_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) + \varepsilon, \tag{2.48}$$

이며

$$\sup_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) - \inf_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) \le \frac{2\varepsilon}{3} \lt \varepsilon.$$

이다. 그러므로 (2.45)에 의해

$$U(P_{n_0}, f, \alpha) - L(P_{n_0}, f, \alpha) \lt \varepsilon,$$

이며, 이는 $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능함을 뜻한다. (2.43), (2.44), (2.47), (2.48)을 적용하면,

$$f(s) - \varepsilon \lt m_{k_0}^{n_0} = L(P_{n_0}, f, \alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha = \int_a^b f d\alpha$$

이고

$$\int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P_{n_0}, f, \alpha) = M_{k_0}^{n_0} \lt f(s) + \varepsilon.$$

이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로,

$$\int_a^b f d\alpha = f(s).$$
English

Let $a \lt s \lt b$, $f$ be a bounded function on $[a, b]$, and $\alpha(x) = I(x - s)$. Assume that $f$ is continuous at $s$. Then

$$\int_a^b f d\alpha = f(s).$$

For all $n \in \mathbb{N}$, set

$$x_i^n = a + i\frac{b - a}{n} \qquad (i = 0, \ldots, n)$$

and

$$P_n = \{x_0^n, x_1^n, \ldots, x_n^n\}.$$

Then $P_n$ is a partition of $[a, b]$. Since $s \in (a, b)$, for each $n \in \mathbb{N}$, there exists a $k \in \{1, \ldots, n\}$ such that

$$s \in [x_{k-1}^n, x_k^n).$$

Thus for each $n$, we have

$$\Delta\alpha_k = \alpha(x_k^n) - \alpha(x_{k-1}^n) = I(x_k^n - s) - I(x_{k-1}^n - s) = I_{[x_{k-1}^n, x_k^n)}(s) = 1.$$
$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i^n) - \alpha(x_{i-1}^n) = I(x_i^n - s) - I(x_{i-1}^n - s) = 0$$

for all $i \in \{1, \ldots, n\} \setminus \{k\}$, and

$$\begin{aligned} U(P_n, f, \alpha) &= \sum_{i=1}^{n} M_i \Delta\alpha_i \\ &= M_k = \sup_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x), \end{aligned} \tag{2.43}$$
$$\begin{aligned} L(P_n, f, \alpha) &= \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i \\ &= m_k = \inf_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x), \end{aligned} \tag{2.44}$$

and

$$\begin{aligned} U(P_n, f, \alpha) - L(P_n, f, \alpha) &= \sum_{i=1}^{n} (M_i - m_i)\Delta\alpha_i \\ &= M_k - m_k = \sup_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x) - \inf_{x \in [x_{k-1}^n, x_k^n]} f(x). \end{aligned} \tag{2.45}$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Then since $f$ is continuous at $s$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$|f(x) - f(s)| \lt \frac{\varepsilon}{3} \tag{2.46}$$

for all $x \in (s - \delta, s + \delta)$. Take $n_0 \in \mathbb{N}$ large enough so that

$$\frac{b - a}{n_0} \lt \delta.$$

Recall that for this $n_0$, there exists a $k_0 \in \{1, \ldots, n_0\}$ such that

$$s \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0})$$

Since $x_{k_0}^{n_0} - x_{k_0-1}^{n_0} = \frac{b-a}{n_0} \lt \delta$, we have

$$[x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}] \subset (s - \delta, s + \delta).$$

Thus applying (2.46) and the triangle inequality for all $x, y \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]$,

$$f(x) - f(y) \le |f(x) - f(y)| \le |f(x) - f(s)| + |f(y) - f(s)| \lt \frac{2\varepsilon}{3}.$$

In particular,

$$\sup_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) - f(s) \le \frac{2\varepsilon}{3} \lt \varepsilon, \tag{2.47}$$
$$f(s) \le \inf_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) + \frac{2\varepsilon}{3} \lt \inf_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) + \varepsilon, \tag{2.48}$$

and

$$\sup_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) - \inf_{x \in [x_{k_0-1}^{n_0}, x_{k_0}^{n_0}]} f(x) \le \frac{2\varepsilon}{3} \lt \varepsilon.$$

Therefore by (2.45),

$$U(P_{n_0}, f, \alpha) - L(P_{n_0}, f, \alpha) \lt \varepsilon,$$

which implies that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Applying (2.43), (2.44), (2.47), and (2.48), we have

$$f(s) - \varepsilon \lt m_{k_0}^{n_0} = L(P_{n_0}, f, \alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha = \int_a^b f d\alpha$$

and

$$\int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P_{n_0}, f, \alpha) = M_{k_0}^{n_0} \lt f(s) + \varepsilon.$$

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

$$\int_a^b f d\alpha = f(s).$$
EX 2.46 비교판정법에 의한 절대수렴 Absolute Convergence by Comparison
한국어

$a_n$과 $b_n$을 $\mathbb{R}$의 수열이라 하자.

$$a_n \ge 0, \quad |b_n| \le a_n \qquad \forall n \in \mathbb{N},$$

이고 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴한다고 가정하자. 급수 $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$이 절대수렴함을, 즉 수열 $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$이 $k \to \infty$일 때 실수로 수렴함을 증명하라.

$A := \sum_{n=1}^{\infty} a_n \in \mathbb{R}$이라 하자. 각 $k \in \mathbb{N}$에 대해

$$S_k := \sum_{n=1}^{k} |b_n|, \qquad T_k := \sum_{n=1}^{k} a_n$$

이라 두자. 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해 $|b_n| \ge 0$이므로,

$$S_{k+1} - S_k = |b_{k+1}| \ge 0 \qquad \forall k \in \mathbb{N},$$

즉 수열 $\{S_k\}$는 단조증가한다. 더욱이 $|b_n| \le a_n$이고 $a_n \ge 0$이므로, $T_k$ 역시 단조증가하며 $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$이 수렴하여 $T_k \le A$이다. 따라서 각 $k \in \mathbb{N}$에 대해

$$S_k = \sum_{n=1}^{k} |b_n| \le \sum_{n=1}^{k} a_n = T_k \le A,$$

이다. 즉 $\{S_k\}$는 위로 유계이고, 집합 $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$은 공집합이 아니며 $A$를 상계로 가진다. 따라서 주의 1.49에 의해

$$S := \sup_{k \in \mathbb{N}} S_k$$

가 $\mathbb{R}$에서 존재하고, 임의의 $\varepsilon > 0$에 대해

$$S - \varepsilon \lt S_K$$

를 만족하는 $K \in \mathbb{N}$이 존재한다.

$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 위와 같이 $K \in \mathbb{N}$을 택하자. $\{S_k\}$가 단조증가하므로, 모든 $k \ge K$에 대해

$$S - \varepsilon \lt S_K \le S_k.$$

이다. 또한 $S$가 $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$의 상계이므로 $S_k \le S \lt S + \varepsilon$이다. 따라서 모든 $k \ge K$에 대해

$$|S_k - S| \lt \varepsilon.$$

이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로, $k \to \infty$일 때 $S_k \to S$, 즉 수열 $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$은 실수 $S$로 수렴한다. 그러므로 급수 $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$은 절대수렴한다.

English

Let $a_n$ and $b_n$ be sequences in $\mathbb{R}$. Assume that

$$a_n \ge 0, \quad |b_n| \le a_n \qquad \forall n \in \mathbb{N},$$

and $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges. Show that the series $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ absolutely converges, i.e. the sequence $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$ converges to a real number as $k \to \infty$.

Let $A := \sum_{n=1}^{\infty} a_n \in \mathbb{R}$. For each $k \in \mathbb{N}$, put

$$S_k := \sum_{n=1}^{k} |b_n|, \qquad T_k := \sum_{n=1}^{k} a_n$$

Since $|b_n| \ge 0$ for all $n \in \mathbb{N}$,

$$S_{k+1} - S_k = |b_{k+1}| \ge 0 \qquad \forall k \in \mathbb{N},$$

i.e. the sequence $\{S_k\}$ is monotonically increasing. Moreover, since $|b_n| \le a_n$ and $a_n \ge 0$, $T_k$ is also monotonically increasing and, since $\sum_{n=1}^{\infty} a_n$ converges, $T_k \le A$. Thus for each $k \in \mathbb{N}$,

$$S_k = \sum_{n=1}^{k} |b_n| \le \sum_{n=1}^{k} a_n = T_k \le A,$$

i.e. $\{S_k\}$ is bounded above, and the set $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$ is nonempty and has $A$ as an upper bound. Thus by Remark 1.49,

$$S := \sup_{k \in \mathbb{N}} S_k$$

exists in $\mathbb{R}$, and for any $\varepsilon > 0$, there exists a $K \in \mathbb{N}$ such that

$$S - \varepsilon \lt S_K.$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Take $K \in \mathbb{N}$ as above. Since $\{S_k\}$ is monotonically increasing, for all $k \ge K$,

$$S - \varepsilon \lt S_K \le S_k.$$

Also since $S$ is an upper bound of $\{S_k : k \in \mathbb{N}\}$, $S_k \le S \lt S + \varepsilon$. Thus for all $k \ge K$,

$$|S_k - S| \lt \varepsilon.$$

Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, $S_k \to S$ as $k \to \infty$, i.e. the sequence $\sum_{n=1}^{k} |b_n|$ converges to the real number $S$. Therefore the series $\sum_{n=1}^{\infty} b_n$ absolutely converges.

THM 2.47 단위계단들의 급수에 대한 적분 Integration against a Series of Unit Steps
한국어

$c_n$을 음이 아닌 수열, $s_n$을 $(a, b)$ 안의 서로 다른 점들로 이루어진 수열이라 하고,

$$\alpha(x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(x - s_n),$$

즉 모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해 $c_n \ge 0$, $s_n \in (a, b)$이고 모든 $j \ne k$에 대해 $s_j \ne s_k$라 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $\sum_{n=1}^{\infty} c_n$이 수렴한다고 가정하자. 그러면

$$\int_a^b f d\alpha = \sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n).$$

각 $x \in [a, b]$에 대해 모든 $n \in \mathbb{N}$에서 $c_n I(x - s_n) \le c_n$이므로 $\alpha(x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(x - s_n)$은 잘 정의된다. 마찬가지로,

$$|c_n f(s_n)| \le M c_n,$$

이고, 여기서

$$M := \sup_{x \in [a,b]} |f(x)| \lt \infty$$

인데 이는 $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이고 $[a, b]$가 콤팩트 집합이기 때문이므로, $\sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n)$ 역시 잘 정의된다. 더욱이 각 $c_n I(x - s_n)$이 단조증가이므로 $\alpha$ 또한 단조증가이다. 따라서 $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이므로, $f$는 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자.

$$\sum_{n=N+1}^{\infty} c_n := \sum_{n=1}^{\infty} c_n - \sum_{n=1}^{N} c_n \lt \varepsilon. \tag{2.49}$$

을 만족하도록 $N \in \mathbb{N}$을 택하자.

$$\alpha_1(x) := \sum_{n=1}^{N} c_n I(x - s_n), \quad \text{and} \quad \alpha_2(x) := \alpha(x) - \alpha_1(x) = \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n I(x - s_n).$$

이라 두자. 자명하게 $\alpha_1$과 $\alpha_2$ 모두 $[a, b]$ 위에서 단조증가이다. 따라서 $f$가 $[a, b]$ 위에서 연속이므로, $f$는 $[a, b]$ 위에서 각각 $\alpha_1$과 $\alpha_2$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 다음을 관찰하자.

$$\alpha(b) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(b - s_n) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n,$$
$$\alpha_1(b) = \sum_{n=1}^{N} c_n I(b - s_n) = \sum_{n=1}^{N} c_n$$
$$\alpha(a) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(a - s_n) = 0, \quad \alpha_1(a) = 0,$$

이고 (2.49)에 의해

$$\alpha_2(b) - \alpha_2(a) = \alpha(b) - \alpha_1(b) - \alpha(a) + \alpha_1(a) = \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n \lt \varepsilon.$$

이다. 따라서 정리 2.37(iv)를 적용하면,

$$\left|\int_a^b f d\alpha_2\right| \le M(\alpha_2(b) - \alpha_2(a)) \lt M\varepsilon. \tag{2.50}$$

한편 정리 2.40과 정리 2.45에 의해,

$$\begin{aligned} \int_a^b f d\alpha_1 &= \int_a^b f d\left(\sum_{n=1}^{N} c_n I(x - s_n)\right) \\ &= \sum_{n=1}^{N} c_n \int_a^b f d\left(I(x - s_n)\right) \\ &= \sum_{n=1}^{N} c_n f(s_n). \end{aligned}$$

따라서 (2.50)을 상기하고 정리 2.40과 정리 2.45를 다시 적용하면,

$$\begin{aligned} \left|\int_a^b f d\alpha - \sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n)\right| &= \left|\int_a^b f d\alpha_1 + \int_a^b f d\alpha_2 - \sum_{n=1}^{N} c_n f(s_n) - \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n f(s_n)\right| \\ &= \left|\int_a^b f d\alpha_2 - \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n f(s_n)\right| \le 2M\varepsilon. \end{aligned}$$

이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로,

$$\int_a^b f d\alpha = \sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n).$$
English

Let $c_n$ be a nonnegative sequence, $s_n$ be a sequence of distinct points in $(a, b)$, and

$$\alpha(x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(x - s_n),$$

i.e. $c_n \ge 0$, $s_n \in (a, b)$ for all $n \in \mathbb{N}$ and $s_j \ne s_k$ for all $j \ne k$. Assume that $f$ is continuous on $[a, b]$ and $\sum_{n=1}^{\infty} c_n$ converges. Then

$$\int_a^b f d\alpha = \sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n).$$

For each $x \in [a, b]$, $c_n I(x - s_n) \le c_n$ for all $n \in \mathbb{N}$ and thus $\alpha(x) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(x - s_n)$ is well-defined. Similarly, $\sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n)$ is well-defined since

$$|c_n f(s_n)| \le M c_n,$$

where

$$M := \sup_{x \in [a,b]} |f(x)| \lt \infty$$

since $f$ is continuous on $[a, b]$ and $[a, b]$ is a compact set. Moreover, since each $c_n I(x - s_n)$ is monotonically increasing, $\alpha$ is also monotonically increasing. Thus since $f$ is continuous on $[a, b]$, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Let $\varepsilon > 0$ be given. Choose a $N \in \mathbb{N}$ so that

$$\sum_{n=N+1}^{\infty} c_n := \sum_{n=1}^{\infty} c_n - \sum_{n=1}^{N} c_n \lt \varepsilon. \tag{2.49}$$

Put

$$\alpha_1(x) := \sum_{n=1}^{N} c_n I(x - s_n), \quad \text{and} \quad \alpha_2(x) := \alpha(x) - \alpha_1(x) = \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n I(x - s_n).$$

Obviously both $\alpha_1$ and $\alpha_2$ are monotonically increasing on $[a, b]$. Thus $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha_1$ and $\alpha_2$ on $[a, b]$, respectively since $f$ is continuous on $[a, b]$. Observe that

$$\alpha(b) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(b - s_n) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n,$$
$$\alpha_1(b) = \sum_{n=1}^{N} c_n I(b - s_n) = \sum_{n=1}^{N} c_n$$
$$\alpha(a) = \sum_{n=1}^{\infty} c_n I(a - s_n) = 0, \quad \alpha_1(a) = 0,$$

and by (2.49)

$$\alpha_2(b) - \alpha_2(a) = \alpha(b) - \alpha_1(b) - \alpha(a) + \alpha_1(a) = \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n \lt \varepsilon.$$

Thus applying Theorem 2.37(iv), we have

$$\left|\int_a^b f d\alpha_2\right| \le M(\alpha_2(b) - \alpha_2(a)) \lt M\varepsilon. \tag{2.50}$$

On the other hand, by Theorem 2.40 and Theorem 2.45,

$$\begin{aligned} \int_a^b f d\alpha_1 &= \int_a^b f d\left(\sum_{n=1}^{N} c_n I(x - s_n)\right) \\ &= \sum_{n=1}^{N} c_n \int_a^b f d\left(I(x - s_n)\right) \\ &= \sum_{n=1}^{N} c_n f(s_n). \end{aligned}$$

Therefore recalling (2.50) and applying Theorem 2.40 and Theorem 2.45 again, we have

$$\begin{aligned} \left|\int_a^b f d\alpha - \sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n)\right| &= \left|\int_a^b f d\alpha_1 + \int_a^b f d\alpha_2 - \sum_{n=1}^{N} c_n f(s_n) - \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n f(s_n)\right| \\ &= \left|\int_a^b f d\alpha_2 - \sum_{n=N+1}^{\infty} c_n f(s_n)\right| \le 2M\varepsilon. \end{aligned}$$

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

$$\int_a^b f d\alpha = \sum_{n=1}^{\infty} c_n f(s_n).$$
LEM 2.48 세분에 대한 하한으로서의 상적분 The Upper Integral as an Infimum over Refinements
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수, $\alpha$가 단조증가함수, $P$가 $[a, b]$의 분할이라 하자. 그러면

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha) := \inf\{U(P^*, f, \alpha) : P^* \text{ is a refinement of } P\}.$$

자명하게

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha \le \inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha).$$

이다. 한편 $P_1$을 $[a, b]$의 분할이라 하자. 그러면 $P_1 \cup P$는 $P$의 세분이 되고

$$\inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha) \le U(P_1 \cup P, f, \alpha) \le U(P_1, f, \alpha).$$

이다. $P_1$이 $[a, b]$의 임의의 분할이므로,

$$\inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha) \le \overline{\int_a^b} f d\alpha.$$
English

Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$, $\alpha$ be a monotonically increasing function, and $P$ be a partition of $[a, b]$. Then

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha) := \inf\{U(P^*, f, \alpha) : P^* \text{ is a refinement of } P\}.$$

Obviously,

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha \le \inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha).$$

On the other hand, let $P_1$ be a partition of $[a, b]$. Then $P_1 \cup P$ becomes a refinement of $P$ and

$$\inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha) \le U(P_1 \cup P, f, \alpha) \le U(P_1, f, \alpha).$$

Since $P_1$ is an arbitrary partition of $[a, b]$, we have

$$\inf_{P^* \supset P} U(P^*, f, \alpha) \le \overline{\int_a^b} f d\alpha.$$
LEM 2.49 미분가능한 적분자에 대한 상·하적분 Upper and Lower Integrals with a Differentiable Integrator
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$가 단조증가함수라 하자. $\alpha$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하고 그 도함수 $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면

  1. $$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx$$
  2. $$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx.$$

증명이 유사하므로 (i)만 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하므로,

$$U(P, \alpha') - L(P, \alpha') \lt \varepsilon \tag{2.51}$$

을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다. 평균값 정리에 의해, 각 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해

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

를 만족하는 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재한다. 더욱이

$$M_i^{\alpha'} = \sup_{x \in [x_{i-1}, x_i]} \alpha'(x) \quad \text{and} \quad m_i^{\alpha'} = \inf_{x \in [x_{i-1}, x_i]} \alpha'(x)$$

라 두자. 그러면 (2.51)에 의해, 모든 $i$와 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해

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

이다. 따라서

$$M := \sup_{x \in [a, b]} |f(x)|,$$

라 두면, 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해

$$\begin{aligned} \left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| &= \left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(t_i)\Delta x_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| \\ &\le \sum_{i=1}^{n} |f(s_i)||\alpha'(t_i) - \alpha'(s_i)|\Delta x_i \\ &\le M \sum_{i=1}^{n} |\alpha'(t_i) - \alpha'(s_i)|\Delta x_i \lt M\varepsilon. \end{aligned} \tag{2.52}$$

이다. 특히 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해

$$\begin{aligned} \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i &\le \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i + M\varepsilon \\ &\le U(P, f\alpha') + M\varepsilon. \end{aligned} \tag{2.53}$$

이다. 따라서

$$U(P, f, \alpha) \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon \tag{2.54}$$

이다. 마찬가지로,

$$U(P, f\alpha') \le U(P, f, \alpha) + M\varepsilon. \tag{2.55}$$

$P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해서도 (2.54)와 (2.55)가 성립함을 유의하자. 왜냐하면

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

이기 때문이다. 다시 말해

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P^*, f, \alpha) \le U(P^*, f\alpha') + M\varepsilon$$

이다. 마찬가지로,

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx \le U(P^*, f\alpha') \le U(P^*, f, \alpha) + M\varepsilon.$$

이 $P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해 성립한다. 마지막으로 보조정리 2.48에 의해,

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f\alpha' dx + M\varepsilon$$

이다. 마찬가지로,

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx \le \overline{\int_a^b} f d\alpha + M\varepsilon.$$

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

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx = \overline{\int_a^b} f d\alpha.$$
English

Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function. Assume that $\alpha$ is differentiable on $[a, b]$ and its derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Then

  1. $$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx$$
  2. $$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx.$$

Because of similarity of the proof, we only prove (i). Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$, there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that

$$U(P, \alpha') - L(P, \alpha') \lt \varepsilon \tag{2.51}$$

By the mean-value theorem, for each $i \in \{1, \ldots, n\}$, there exists $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ such that

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

Moreover, set

$$M_i^{\alpha'} = \sup_{x \in [x_{i-1}, x_i]} \alpha'(x) \quad \text{and} \quad m_i^{\alpha'} = \inf_{x \in [x_{i-1}, x_i]} \alpha'(x)$$

Then due to (2.51), for all $i$ and $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,

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

Thus putting

$$M := \sup_{x \in [a,,b]} |f(x)|,$$

for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$ we have

$$\begin{aligned} \left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| &= \left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(t_i)\Delta x_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| \\ &\le \sum_{i=1}^{n} |f(s_i)||\alpha'(t_i) - \alpha'(s_i)|\Delta x_i \\ &\le M \sum_{i=1}^{n} |\alpha'(t_i) - \alpha'(s_i)|\Delta x_i \lt M\varepsilon. \end{aligned} \tag{2.52}$$

In particular, for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,

$$\begin{aligned} \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i &\le \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i + M\varepsilon \\ &\le U(P, f\alpha') + M\varepsilon. \end{aligned} \tag{2.53}$$

Thus

$$U(P, f, \alpha) \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon \tag{2.54}$$

Similarly,

$$U(P, f\alpha') \le U(P, f, \alpha) + M\varepsilon. \tag{2.55}$$

Note that for any refinement $P^*$ of $P$, (2.54) and (2.55) hold since

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

In other words, we have

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha \le U(P^*, f, \alpha) \le U(P^*, f\alpha') + M\varepsilon$$

Similarly,

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx \le U(P^*, f\alpha') \le U(P^*, f, \alpha) + M\varepsilon.$$

for all refinement $P^*$ of $P$. Finally by Lemma 2.48, we have

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha \le \overline{\int_a^b} f\alpha' dx + M\varepsilon$$

Similarly,

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx \le \overline{\int_a^b} f d\alpha + M\varepsilon.$$

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

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx = \overline{\int_a^b} f d\alpha.$$
EX 2.50 보조정리 2.49 (ii)의 증명 Proof of Lemma 2.49 (ii)
한국어

보조정리 2.49의 (ii)를 증명하라.

보조정리 2.48은 상적분에 대한 세분 하한 특성만을 다루므로, 먼저 하적분에 대한 대응 결과를 보인다. $P$를 $[a,b]$의 분할이라 하면,

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

임을 보이자(보조정리 2.48의 증명을 그대로 본뜬다). 명백히

$$\sup_{P^* \supset P} L(P^*, f, \alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha$$

이다($P$의 세분 $P^*$ 역시 $[a,b]$의 분할이므로, $L(P^*,f,\alpha)$는 하적분을 정의하는 상한에 참여하는 값이다). 한편 $P_1$을 $[a,b]$의 임의의 분할이라 하자. $P_1 \cup P$는 $P$의 세분이면서 동시에 $P_1$의 세분이므로, 정리 2.15에 의해

$$L(P_1, f, \alpha) \le L(P_1 \cup P, f, \alpha) \le \sup_{P^* \supset P} L(P^*, f, \alpha)$$

이다. $P_1$이 $[a,b]$의 임의의 분할이므로,

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \sup_{P_1} L(P_1, f, \alpha) \le \sup_{P^* \supset P} L(P^*, f, \alpha)$$

이다. 두 부등식을 합치면 원하는 등식을 얻는다.

이제 (ii)를 증명한다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하므로,

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

을 만족하는 $[a,b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다. 평균값 정리에 의해, 각 $i \in \{1, \ldots, n\}$에 대해

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

를 만족하는 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재한다. (i)의 증명과 마찬가지로

$$M := \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|$$

라 두면, 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해

$$\left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| \le M\sum_{i=1}^{n} |\alpha'(t_i) - \alpha'(s_i)|\Delta x_i \lt M\varepsilon$$

이다(이는 (2.52)와 동일한 부등식이다). 특히 모든 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i \ge \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i - M\varepsilon \ge L(P, f\alpha') - M\varepsilon,$$

이다. 좌변에서 각 $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해 하한을 취하면,

$$\inf_{s_i} \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} \left(\inf_{s_i} f(s_i)\right) \Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i = L(P, f, \alpha)$$

이다(각 $\Delta\alpha_i \ge 0$이고 $s_i$들이 서로 독립적으로 움직이므로, 하한이 각 항에 분배된다). 이 값은 우변의 상수 $L(P,f\alpha') - M\varepsilon$ 이상이므로,

$$L(P, f, \alpha) \ge L(P, f\alpha') - M\varepsilon.$$

이다. 같은 방법으로,

$$L(P, f\alpha') \ge L(P, f, \alpha) - M\varepsilon.$$

이다. $P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해서도 위 두 부등식이 성립함을 유의하자. 왜냐하면

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

이기 때문이다(정리 2.15와 따름정리 2.16에 의해 세분은 하합을 늘리고 상합을 줄이므로, 그 차는 세분에 대해 감소한다). 즉 $P$의 임의의 세분 $P^*$에 대해

$$L(P^*, f, \alpha) \ge L(P^*, f\alpha') - M\varepsilon, \qquad L(P^*, f\alpha') \ge L(P^*, f, \alpha) - M\varepsilon$$

이 성립한다. 이 부등식들에서 $P^*$에 대해 $P$의 세분 전체에 대한 상한을 취하고 위에서 보인 하적분의 세분 특성화를 적용하면,

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \ge \underline{\int_a^b} f\alpha' dx - M\varepsilon, \qquad \underline{\int_a^b} f\alpha' dx \ge \underline{\int_a^b} f d\alpha - M\varepsilon$$

을 얻는다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로,

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx.$$
English

Prove (ii) in Lemma 2.49.

Since Lemma 2.48 only gives the infimum-over-refinements characterization for the upper integral, we first establish the corresponding fact for the lower integral. Let $P$ be a partition of $[a,b]$. We claim

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

(this mirrors the proof of Lemma 2.48). Obviously

$$\sup_{P^* \supset P} L(P^*, f, \alpha) \le \underline{\int_a^b} f d\alpha$$

since every refinement $P^*$ of $P$ is itself a partition of $[a,b]$, and $L(P^*,f,\alpha)$ is one of the values whose supremum defines the lower integral. On the other hand, let $P_1$ be an arbitrary partition of $[a,b]$. Then $P_1 \cup P$ is a refinement of $P$ and also a refinement of $P_1$, so by Theorem 2.15,

$$L(P_1, f, \alpha) \le L(P_1 \cup P, f, \alpha) \le \sup_{P^* \supset P} L(P^*, f, \alpha)$$

Since $P_1$ is an arbitrary partition of $[a,b]$,

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \sup_{P_1} L(P_1, f, \alpha) \le \sup_{P^* \supset P} L(P^*, f, \alpha)$$

Combining the two inequalities gives the claimed equality.

Now we prove (ii). Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a,b]$ such that

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

By the mean-value theorem, for each $i \in \{1, \ldots, n\}$, there exists $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ such that

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

As in the proof of (i), setting

$$M := \sup_{x \in [a,b]} |f(x)|,$$

we have, for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,

$$\left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| \le M\sum_{i=1}^{n} |\alpha'(t_i) - \alpha'(s_i)|\Delta x_i \lt M\varepsilon$$

(this is exactly (2.52)). In particular, for all $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$,

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i \ge \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i - M\varepsilon \ge L(P, f\alpha') - M\varepsilon.$$

Taking the infimum over each $s_i \in [x_{i-1}, x_i]$ on the left,

$$\inf_{s_i} \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} \left(\inf_{s_i} f(s_i)\right) \Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} m_i \Delta\alpha_i = L(P, f, \alpha)$$

(since $\Delta\alpha_i \ge 0$ and the $s_i$ vary independently, the infimum distributes across the terms). This value is at least the constant $L(P,f\alpha') - M\varepsilon$ on the right, so

$$L(P, f, \alpha) \ge L(P, f\alpha') - M\varepsilon.$$

Similarly,

$$L(P, f\alpha') \ge L(P, f, \alpha) - M\varepsilon.$$

Note that both inequalities also hold for any refinement $P^*$ of $P$, since

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

(by Theorem 2.15 and Corollary 2.16, refinement increases the lower sum and decreases the upper sum, so their difference only shrinks under refinement). That is, for any refinement $P^*$ of $P$,

$$L(P^*, f, \alpha) \ge L(P^*, f\alpha') - M\varepsilon, \qquad L(P^*, f\alpha') \ge L(P^*, f, \alpha) - M\varepsilon$$

Taking the supremum over refinements $P^*$ of $P$ and applying the lower-integral characterization shown above, we obtain

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha \ge \underline{\int_a^b} f\alpha' dx - M\varepsilon, \qquad \underline{\int_a^b} f\alpha' dx \ge \underline{\int_a^b} f d\alpha - M\varepsilon$$

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

$$\underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx.$$
EX 2.51 (2.53)에서 (2.54)로 From (2.53) to (2.54)
한국어

(2.53)이 (2.54)를 함의함을 증명하라.

(2.53)에 의해, $[a,b]$의 분할 $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$에 대해 임의의 선택 $s_1 \in [x_0,x_1], \ldots, s_n \in [x_{n-1},x_n]$마다

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon$$

이 성립한다. 여기서 우변은 $s_1,\ldots,s_n$의 선택과 무관한 상수이고, 각 구간 $[x_{i-1},x_i]$에서의 선택 $s_i$는 서로 독립적이다. 이를 이용하여 좌변의 상한이 각 항별로 분배됨을 보인다.

$\varepsilon' > 0$이 주어졌다고 하자. 각 $i = 1,\ldots,n$에 대해 $M_i := \sup_{x \in [x_{i-1},x_i]} f(x)$라 두자. $\Delta\alpha_i > 0$이면, 주의 1.49의 $\varepsilon$-특성화에 의해

$$f(s_i^*) \gt M_i - \frac{\varepsilon'}{n\Delta\alpha_i}$$

를 만족하는 $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$가 존재하고, 이때

$$f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \frac{\varepsilon'}{n}$$

이다. $\Delta\alpha_i = 0$이면 $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$를 임의로 택하더라도

$$f(s_i^*)\Delta\alpha_i = 0 = M_i\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \frac{\varepsilon'}{n}$$

이 자명하게 성립한다. 두 경우 모두 $f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \varepsilon'/n$이므로, $i = 1,\ldots,n$에 대해 더하면

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt \sum_{i=1}^{n} M_i\Delta\alpha_i - \varepsilon' = U(P,f,\alpha) - \varepsilon'.$$

한편 $s_1^*,\ldots,s_n^*$은 각 구간에서의 선택이므로 (2.53)에 의해

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i^*)\Delta\alpha_i \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon$$

이다. 두 부등식을 결합하면

$$U(P,f,\alpha) - \varepsilon' \lt U(P, f\alpha') + M\varepsilon$$

$$U(P,f,\alpha) \lt U(P, f\alpha') + M\varepsilon + \varepsilon'$$

이 임의의 $\varepsilon' > 0$에 대해 성립한다. $\varepsilon' > 0$이 임의적이므로,

$$U(P,f,\alpha) \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon,$$

즉 (2.54)가 성립한다.

English

Prove that (2.53) implies (2.54).

By (2.53), for the partition $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$ of $[a,b]$, for every choice $s_1 \in [x_0,x_1], \ldots, s_n \in [x_{n-1},x_n]$,

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon$$

holds. Here the right side is a constant independent of the choice of $s_1,\ldots,s_n$, and the choice $s_i$ on each interval $[x_{i-1},x_i]$ is independent of the others. We use this to show that the supremum on the left distributes term by term.

Let $\varepsilon' > 0$ be given. For each $i = 1,\ldots,n$, put $M_i := \sup_{x \in [x_{i-1},x_i]} f(x)$. If $\Delta\alpha_i > 0$, then by the $\varepsilon$-characterization of Remark 1.49, there exists $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$ such that

$$f(s_i^*) \gt M_i - \frac{\varepsilon'}{n\Delta\alpha_i},$$

and hence

$$f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \frac{\varepsilon'}{n}.$$

If $\Delta\alpha_i = 0$, then for any choice of $s_i^* \in [x_{i-1},x_i]$,

$$f(s_i^*)\Delta\alpha_i = 0 = M_i\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \frac{\varepsilon'}{n}$$

trivially holds. In either case $f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt M_i\Delta\alpha_i - \varepsilon'/n$, so summing over $i = 1,\ldots,n$,

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i^*)\Delta\alpha_i \gt \sum_{i=1}^{n} M_i\Delta\alpha_i - \varepsilon' = U(P,f,\alpha) - \varepsilon'.$$

On the other hand, since $s_1^*,\ldots,s_n^*$ is a choice on each interval, (2.53) gives

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i^*)\Delta\alpha_i \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon.$$

Combining the two inequalities,

$$U(P,f,\alpha) - \varepsilon' \lt U(P, f\alpha') + M\varepsilon,$$

that is,

$$U(P,f,\alpha) \lt U(P, f\alpha') + M\varepsilon + \varepsilon'$$

for every $\varepsilon' > 0$. Since $\varepsilon' > 0$ is arbitrary,

$$U(P,f,\alpha) \le U(P, f\alpha') + M\varepsilon,$$

which is (2.54).

EX 2.52 (2.52)를 이용한 (2.55)의 증명 Proof of (2.55) Using (2.52)
한국어

(2.52)를 이용하여 (2.55)를 증명하라.

(2.52)에 의해, $[a,b]$의 분할 $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$과 임의의 선택 $s_1 \in [x_0,x_1],\ldots,s_n \in [x_{n-1},x_n]$에 대해

$$\left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| \lt M\varepsilon$$

이 성립한다. 특히

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i \le \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i + M\varepsilon$$

이다. 또한 정의에 의해 각 $i$에 대해 $f(s_i) \le M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$이고 $\Delta\alpha_i \ge 0$이므로,

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

이다. 따라서 모든 $s_1,\ldots,s_n$에 대해

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i \le U(P,f,\alpha) + M\varepsilon$$

이 성립한다. 우변은 $s_1,\ldots,s_n$의 선택과 무관한 상수이고, 연습문제 2.51에서와 마찬가지로 각 $s_i$는 서로 독립적으로 자신의 구간에서 움직일 수 있다. 각 $i = 1,\ldots,n$에 대해

$$M_i^{f\alpha'} := \sup_{x \in [x_{i-1},x_i]} f(x)\alpha'(x)$$

라 두자. 연습문제 2.51의 논법을 그대로 적용하면($\varepsilon' > 0$을 고정하고, 각 $i$에 대해 $\Delta x_i > 0$이면 주의 1.49의 $\varepsilon$-특성화로 $f(s_i^*)\alpha'(s_i^*)\Delta x_i > M_i^{f\alpha'}\Delta x_i - \varepsilon'/n$을 만족하는 $s_i^*$를 택하고, $\Delta x_i = 0$이면 아무 $s_i^*$나 택하여 $i=1,\ldots,n$에 대해 더한 뒤 $\varepsilon' \to 0$으로 보내면),

$$U(P,f\alpha') = \sum_{i=1}^{n} M_i^{f\alpha'}\Delta x_i \le U(P,f,\alpha) + M\varepsilon$$

즉 (2.55)를 얻는다.

English

Prove (2.55) by using (2.52).

By (2.52), for the partition $P = \{x_0,\ldots,x_n\}$ of $[a,b]$ and every choice $s_1 \in [x_0,x_1],\ldots,s_n \in [x_{n-1},x_n]$,

$$\left|\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i - \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i\right| \lt M\varepsilon$$

holds. In particular,

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i \le \sum_{i=1}^{n} f(s_i)\Delta\alpha_i + M\varepsilon.$$

Also, by definition $f(s_i) \le M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$ for each $i$, and $\Delta\alpha_i \ge 0$, so

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

Thus for all $s_1,\ldots,s_n$,

$$\sum_{i=1}^{n} f(s_i)\alpha'(s_i)\Delta x_i \le U(P,f,\alpha) + M\varepsilon$$

holds. The right side is a constant independent of the choice of $s_1,\ldots,s_n$, and as in Exercise 2.51, each $s_i$ can be chosen independently on its own interval. For each $i = 1,\ldots,n$, put

$$M_i^{f\alpha'} := \sup_{x \in [x_{i-1},x_i]} f(x)\alpha'(x).$$

Applying the same argument as in Exercise 2.51 (fix $\varepsilon' > 0$; for each $i$ with $\Delta x_i > 0$, use the $\varepsilon$-characterization of Remark 1.49 to choose $s_i^*$ with $f(s_i^*)\alpha'(s_i^*)\Delta x_i > M_i^{f\alpha'}\Delta x_i - \varepsilon'/n$, and any $s_i^*$ when $\Delta x_i = 0$; sum over $i = 1,\ldots,n$ and let $\varepsilon' \to 0$), we obtain

$$U(P,f\alpha') = \sum_{i=1}^{n} M_i^{f\alpha'}\Delta x_i \le U(P,f,\alpha) + M\varepsilon,$$

which is (2.55).

THM 2.53 미분가능한 적분자에 대한 리만-스틸체스 적분가능성 판정 Riemann-Stieltjes Integrability Criterion for a Differentiable Integrator
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$가 단조증가함수라 하자. $\alpha$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하고 그 도함수 $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면 $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 것과 $f\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능한 것은 동치이다.

English

Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing function. Assume that $\alpha$ is differentiable on $[a, b]$ and its derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Then $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ if and only if $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$.

COR 2.54 적분자의 도함수를 통한 계산 Evaluation through the Derivative of the Integrator
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$가 $[a, b]$ 위에서 단조증가하며 미분가능한 함수로서 그 도함수 $\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하거나 $f\alpha'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면

$$\int_a^b f d\alpha = \int_a^b f\alpha' dx =: \int_a^b f(x)\alpha'(x)dx.$$
English

Let $f$ be a bounded function on $[a, b]$ and $\alpha$ be a monotonically increasing differentiable function on $[a, b]$ whose derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Assume that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$ or $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a, b]$. Then

$$\int_a^b f d\alpha = \int_a^b f\alpha' dx =: \int_a^b f(x)\alpha'(x)dx.$$
EX 2.55 정리 2.53의 증명 Proof of Theorem 2.53
한국어

정리 2.53을 증명하라.

정리 2.53의 가정은 보조정리 2.49의 가정과 동일하다: $f$는 $[a,b]$ 위의 유계함수이고, $\alpha$는 $[a,b]$ 위에서 단조증가하며 미분가능한 함수로서 그 도함수 $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하다. 따라서 보조정리 2.49의 (i)와 (ii)에 의해

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx, \qquad \underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx$$

이다. 또한 $f$는 $[a,b]$ 위의 유계함수이고, $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하므로 연습문제 2.10에 의해 $\alpha'$ 역시 $[a,b]$ 위에서 유계이어서 $f\alpha'$도 $[a,b]$ 위의 유계함수이다. 적분자 $\alpha$는 단조증가함수이고 항등함수 $x \mapsto x$ 또한 단조증가함수이므로, 따름정리 2.18에 의해 위 네 값은 모두 $\mathbb{R}$에서 존재한다. 따라서 정의 2.12에 의해, $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 것과

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

인 것은 동치이다. 위에서 보인 등식에 의해 이는 다시

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

인 것과 동치이고, 정의 2.6에 의해 이는 $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능한 것과 동치이다. 그러므로 $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 것과 $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능한 것은 동치이다.

English

Prove Theorem 2.53.

The hypotheses of Theorem 2.53 coincide with those of Lemma 2.49: $f$ is a bounded function on $[a,b]$, and $\alpha$ is a monotonically increasing differentiable function on $[a,b]$ whose derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$. Thus by Lemma 2.49 (i) and (ii),

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx, \qquad \underline{\int_a^b} f d\alpha = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx$$

Also, $f$ is a bounded function on $[a,b]$, and since $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, Exercise 2.10 makes $\alpha'$ bounded on $[a,b]$, so $f\alpha'$ is a bounded function on $[a,b]$ as well. Since the integrator $\alpha$ is monotonically increasing and so is the identity $x \mapsto x$, by Corollary 2.18 all four of the above values exist in $\mathbb{R}$. Thus by Definition 2.12, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ if and only if

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

By the equalities shown above, this is equivalent to

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx = \underline{\int_a^b} f\alpha' dx,$$

which by Definition 2.6 is equivalent to $f\alpha'$ being Riemann integrable on $[a,b]$. Therefore $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ if and only if $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$.

EX 2.56 따름정리 2.54의 증명 Proof of Corollary 2.54
한국어

따름정리 2.54를 증명하라.

가정에 의해 $f$는 $[a,b]$ 위의 유계함수이고 $\alpha$는 $[a,b]$ 위에서 단조증가하며 미분가능한 함수로서 그 도함수 $\alpha'$이 $[a,b]$ 위에서 리만 적분가능하다. 즉 정리 2.53의 가정이 성립한다. $f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하거나 $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능하다고 가정하였으므로, 정리 2.53에 의해 두 성질이 모두 성립한다. 즉 $f$는 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고 $f\alpha'$은 $[a,b]$에서 리만 적분가능하다.

정의 2.12에 의해

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

이고, 보조정리 2.49(i)에 의해

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx$$

이며, $f\alpha'$이 $[a,b]$에서 리만 적분가능하므로 정의 2.6에 의해

$$\overline{\int_a^b} f\alpha' dx = \int_a^b f\alpha' dx$$

이다. 세 등식을 결합하면

$$\int_a^b f d\alpha = \int_a^b f\alpha' dx =: \int_a^b f(x)\alpha'(x)dx.$$

를 얻는다.

English

Prove Corollary 2.54.

By hypothesis, $f$ is a bounded function on $[a,b]$ and $\alpha$ is a monotonically increasing differentiable function on $[a,b]$ whose derivative $\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, i.e. the hypotheses of Theorem 2.53 hold. Since we assumed that $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ or $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, by Theorem 2.53 both properties hold: $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$ and $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$.

By Definition 2.12,

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

by Lemma 2.49(i),

$$\overline{\int_a^b} f d\alpha = \overline{\int_a^b} f\alpha' dx,$$

and since $f\alpha'$ is Riemann integrable on $[a,b]$, by Definition 2.6,

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

Combining the three equalities, we obtain

$$\int_a^b f d\alpha = \int_a^b f\alpha' dx =: \int_a^b f(x)\alpha'(x)dx.$$
THM 2.57 순증가 연속 치환에 대한 불변성 Invariance under a Strictly Increasing Continuous Substitution
한국어

$\varphi$가 구간 $[A, B]$를 $[a, b]$ 위로 대응시키는 순증가 연속함수이고, $\alpha$가 $[a, b]$ 위의 단조증가함수이며, $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능한 함수라 하자.

$$\beta(y) = \alpha(\varphi(y)) \quad \text{and} \quad g(y) = f(\varphi(y)) \qquad (y \in [A, B]).$$

라 정의하자. 그러면 $g$는 $[A, B]$ 위에서 $\beta$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고

$$\int_A^B g d\beta = \int_a^b f d\alpha.$$

$\varphi$가 순증가이므로 $\varphi$는 $[A, B]$에서 $[a, b]$ 위로의 일대일대응임을 유의하자. 따라서 $[a, b]$에서 $[A, B]$ 위로의 역함수 $\varphi^{-1}$이 존재한다. $[a, b]$의 임의의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$에 대해, 다음을 만족하는 $[A, B]$의 대응하는 분할 $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$이 존재한다.

$$y_i = \varphi^{-1}(x_i) \quad \text{and} \quad x_i = \varphi(y_i) \qquad \forall i \in \{0, 1, \ldots, n\}.$$

마찬가지로, $[A, B]$의 임의의 분할 $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$에 대해, 다음을 만족하는 $[a, b]$의 대응하는 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다.

$$y_i = \varphi^{-1}(x_i) \quad \text{and} \quad x_i = \varphi(y_i) \qquad \forall i \in \{0, 1, \ldots, n\}.$$

$P = \{x_0, \ldots, x_n\}$을 $[a, b]$의 분할, $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$을 대응하는 $[A, B]$의 분할이라 하자. $i = 1, \ldots, n$에 대해

$$M_i^f := \sup_{x \in [x_{i-1}, x_i]} f(x), \quad M_i^g := \sup_{y \in [y_{i-1}, y_i]} g(y),$$
$$m_i^f := \inf_{x \in [x_{i-1}, x_i]} f(x), \quad m_i^g := \inf_{y \in [y_{i-1}, y_i]} g(y).$$

라 두자. 각 $i$에 대해

$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i) - \alpha(x_{i-1}) = \alpha(\varphi(y_i)) - \alpha(\varphi(y_{i-1})) = \beta(y_i) - \beta(y_{i-1}) = \Delta\beta_i.$$

임을 관찰하자. 더욱이 모든 $i = 1, \ldots, n$과 $x \in [x_{i-1}, x_i]$에 대해

$$\varphi^{-1}(x) \in [y_{i-1}, y_i]$$

이고

$$f(x) = f(\varphi(\varphi^{-1}(x))) = g(\varphi^{-1}(x)),$$

이므로,

$$M_i^f = M_i^g, \quad \text{and} \quad m_i^f = m_i^g.$$

를 얻는다. 따라서

$$U(P, f, \alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i^f \Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} M_i^g \Delta\beta_i = U(Q, g, \beta)$$

이고

$$L(P, f, \alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i^f \Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} m_i^g \Delta\beta_i = L(Q, g, \beta).$$

이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만 적분가능하므로,

$$U(P_0, f, \alpha) - L(P_0, f, \alpha) \lt \varepsilon.$$

을 만족하는 분할 $P_0$가 존재한다. $[A, B]$의 대응하는 분할 $Q_0$를 생각하면,

$$U(Q_0, g, \beta) - L(Q_0, g, \beta) = U(P_0, f, \alpha) - L(P_0, f, \alpha) \lt \varepsilon.$$

이다. 따라서 $g$는 $[A, B]$ 위에서 $\beta$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 더욱이,

$$\begin{aligned} \int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha &:= \inf\{U(P, f, \alpha) : P \text{ is a partition of } [a,b]\} \\ &= \inf\{U(Q, g, \beta) : P \text{ is a partition of } [a,b]\} \\ &= \inf\{U(Q, g, \beta) : Q \text{ is a partition of } [A,B]\} \\ &= \overline{\int_A^B} g d\beta = \int_A^B g d\beta. \end{aligned}$$
English

Let $\varphi$ be a strictly increasing continuous function that maps an interval $[A, B]$ onto $[a, b]$, $\alpha$ be a monotonically increasing function on $[a, b]$, and $f$ be a Riemann-Stieltjes integrable function with respect to $\alpha$ on $[a, b]$. Define

$$\beta(y) = \alpha(\varphi(y)) \quad \text{and} \quad g(y) = f(\varphi(y)) \qquad (y \in [A, B]).$$

Then $g$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\beta$ on $[A, B]$ and

$$\int_A^B g d\beta = \int_a^b f d\alpha.$$

Note that $\varphi$ is 1-1 function from $[A, B]$ onto $[a, b]$ since $\varphi$ is strictly increasing. Thus there exists the inverse function $\varphi^{-1}$ from $[a, b]$ onto $[A, B]$. For any partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$, there exists a corresponding partition $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$ of $[A, B]$ such that

$$y_i = \varphi^{-1}(x_i) \quad \text{and} \quad x_i = \varphi(y_i) \qquad \forall i \in \{0, 1, \ldots, n\}.$$

Similarly, for any partition $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$ of $[A, B]$, there exists a corresponding partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that

$$y_i = \varphi^{-1}(x_i) \quad \text{and} \quad x_i = \varphi(y_i) \qquad \forall i \in \{0, 1, \ldots, n\}.$$

Let $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ be a partition of $[a, b]$ and $Q = \{y_0, \ldots, y_n\}$ be the corresponding partition of $[A, B]$. For $i = 1, \ldots, n$, set

$$M_i^f := \sup_{x \in [x_{i-1}, x_i]} f(x), \quad M_i^g := \sup_{y \in [y_{i-1}, y_i]} g(y),$$
$$m_i^f := \inf_{x \in [x_{i-1}, x_i]} f(x), \quad m_i^g := \inf_{y \in [y_{i-1}, y_i]} g(y).$$

Observe that for each $i$,

$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i) - \alpha(x_{i-1}) = \alpha(\varphi(y_i)) - \alpha(\varphi(y_{i-1})) = \beta(y_i) - \beta(y_{i-1}) = \Delta\beta_i.$$

Moreover for all $i = 1, \ldots, n$ and $x \in [x_{i-1}, x_i]$,

$$\varphi^{-1}(x) \in [y_{i-1}, y_i]$$

and

$$f(x) = f(\varphi(\varphi^{-1}(x))) = g(\varphi^{-1}(x)),$$

which lead to

$$M_i^f = M_i^g, \quad \text{and} \quad m_i^f = m_i^g.$$

Therefore

$$U(P, f, \alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i^f \Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} M_i^g \Delta\beta_i = U(Q, g, \beta)$$

and

$$L(P, f, \alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i^f \Delta\alpha_i = \sum_{i=1}^{n} m_i^g \Delta\beta_i = L(Q, g, \beta).$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is Riemann-integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, there exists a partition $P_0$ such that

$$U(P_0, f, \alpha) - L(P_0, f, \alpha) \lt \varepsilon.$$

Considering the corresponding partition $Q_0$ of $[A, B]$, we have

$$U(Q_0, g, \beta) - L(Q_0, g, \beta) = U(P_0, f, \alpha) - L(P_0, f, \alpha) \lt \varepsilon.$$

Thus $g$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\beta$ on $[A, B]$. Moreover,

$$\begin{aligned} \int_a^b f d\alpha = \overline{\int_a^b} f d\alpha &:= \inf\{U(P, f, \alpha) : P \text{ is a partition of } [a,b]\} \\ &= \inf\{U(Q, g, \beta) : P \text{ is a partition of } [a,b]\} \\ &= \inf\{U(Q, g, \beta) : Q \text{ is a partition of } [A,B]\} \\ &= \overline{\int_A^B} g d\beta = \int_A^B g d\beta. \end{aligned}$$
COR 2.58 변수변환 Change of variable
한국어

$\varphi$가 구간 $[A, B]$를 $[a, b]$ 위로 대응시키는 순증가 미분가능함수이고, $f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자. $\varphi'$이 $[A, B]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면

$$\int_a^b f(x)dx = \int_A^B f(\varphi(y))\varphi'(y)dy.$$

$\alpha(x) = x$라 두고

$$\beta(y) = \alpha(\varphi(y)) \quad \text{and} \quad g(y) = f(\varphi(y)) \qquad (y \in [a, b]).$$

를 상기하자. 그러면 $\beta(y) = \varphi(y)$이고, 정리 2.57에 의해,

$$\int_A^B f(\varphi(y))d\varphi(y) = \int_A^B g d\beta = \int_a^b f d\alpha = \int_a^b f dx.$$

이다. 마지막으로 따름정리 2.54를 적용하면,

$$\int_A^B f(\varphi(y))\varphi'(y)dy = \int_a^b f dx.$$
English

Let $\varphi$ be a strictly increasing differentiable function that maps an interval $[A, B]$ onto $[a, b]$, and $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Assume that $\varphi'$ is Riemann integrable on $[A, B]$. Then

$$\int_a^b f(x)dx = \int_A^B f(\varphi(y))\varphi'(y)dy.$$

Set $\alpha(x) = x$ and recall

$$\beta(y) = \alpha(\varphi(y)) \quad \text{and} \quad g(y) = f(\varphi(y)) \qquad (y \in [a, b]).$$

Then $\beta(y) = \varphi(y)$ and by Theorem 2.57,

$$\int_A^B f(\varphi(y))d\varphi(y) = \int_A^B g d\beta = \int_a^b f d\alpha = \int_a^b f dx.$$

Finally applying Corollary 2.54, we have

$$\int_A^B f(\varphi(y))\varphi'(y)dy = \int_a^b f dx.$$
THM 2.59 부정적분의 연속성 Continuity of the Indefinite Integral
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자.

$$F(x) = \int_a^x f(t)dt \qquad (a \le x \le b).$$

라 정의하자. 그러면 $F$는 $[a, b]$ 위에서 연속이다.

$f$가 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하므로, $f$는 $[a, b]$ 위에서 유계이다. 따라서

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

을 만족하는 양의 상수 $M$이 존재한다. $a \le x \le y \le b$라 하자. 그러면 정리 2.37에 의해,

$$|F(y) - F(x)| = \left|\int_a^y f(t)dt - \int_a^x f(t)dt\right| = \left|\int_x^y f(t)dt\right| \le M(y - x). \tag{2.56}$$

이다. $\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $\delta = \frac{\varepsilon}{M}$이라 두자. $|x - y| \lt \delta$이면, (2.56)에 의해

$$|F(x) - F(y)| \le M|x - y| \lt M\delta = \varepsilon.$$

이다. 그러므로 $F$는 $[a, b]$ 위에서 균등연속이다.

English

Let $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Define

$$F(x) = \int_a^x f(t)dt \qquad (a \le x \le b).$$

Then $F$ is continuous on $[a, b]$.

Since $f$ is Riemann integrable on $[a, b]$, $f$ is bounded on $[a, b]$. Thus there exists a positive constant $M$ such that

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

Let $a \le x \le y \le b$. Then by Theorem 2.37,

$$|F(y) - F(x)| = \left|\int_a^y f(t)dt - \int_a^x f(t)dt\right| = \left|\int_x^y f(t)dt\right| \le M(y - x). \tag{2.56}$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Take $\delta = \frac{\varepsilon}{M}$. If $|x - y| \lt \delta$, then by (2.56)

$$|F(x) - F(y)| \le M|x - y| \lt M\delta = \varepsilon.$$

Therefore $F$ is uniformly continuous on $[a, b]$.

EX 2.60 리만-스틸체스 적분가능 함수의 유계성 Boundedness of Riemann-Stieltjes Integrable Functions
한국어

연습문제 2.10에 의해, $f$가 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하면 $f$는 유계이다. $f$가 $[a, b]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면 $f$가 유계임을 증명하거나 반증하라.

역주. 정의 2.11은 명시적으로 "$f$가 $[a,b]$ 위의 유계함수"라는 가정 아래 $U(P,f,\alpha)$, $L(P,f,\alpha)$를 정의한다. 아래 반례에서는 $f$가 유계가 아니므로, $M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$가 $+\infty$일 수 있는 구간이 생기고, 그 구간에서 $\Delta\alpha_i = 0$이면 곱 $M_i\Delta\alpha_i$는 액면 그대로는 "$\infty \times 0$" 꼴로 정의되지 않는다. 이하에서는 $\Delta\alpha_i = 0$인 구간에서는 $M_i$가 유한이든 $+\infty$이든, 또 $m_i$가 유한이든 $-\infty$이든 관계없이 $M_i\Delta\alpha_i := 0$(마찬가지로 $m_i\Delta\alpha_i := 0$)으로 읽는 자연스러운 관례를 채택하여 $U(P,f,\alpha)$, $L(P,f,\alpha)$를 계산한다. 정의 2.12 자체는 유계성을 따로 요구하지 않고 "$[a,b]$ 위의 함수 $f$"에 대해 적분가능성을 규정하므로, 이 관례 아래에서 정의 2.12의 적분가능성(상·하적분이 $\mathbb{R}$에 존재하고 서로 같음)을 직접 확인할 수 있다. 이는 연습문제 2.10의 논증—$\alpha(x)=x$처럼 $\alpha$가 순증가하여 모든 $\Delta\alpha_i > 0$인 경우, $f$가 유계가 아니면 어떤 구간에서 $M_i\Delta\alpha_i$가 임의로 커져 상합이 발산한다는 논증—이 $\alpha$가 (일부 구간에서) 상수여서 $\Delta\alpha_i = 0$이 되는 경우에는 더 이상 적용되지 않음을 정확히 겨냥한 것이다. (만약 정의 2.11의 유계 가정을 문항 전체에 대한 전제로 엄격하게 읽는다면, "리만-스틸체스 적분가능한 $f$"라는 말 자체가 이미 유계인 $f$만을 가리키므로 주장은 자명하게 참이 된다. 아래 논증은 정의 2.11의 상·하합 공식을 유계가 아닌 $f$에도 위와 같이 자연스럽게 확장하여 읽는 방식을 따른다.)

주장은 반증된다. $[a,b] = [0,1]$이라 하고,

$$\alpha(x) := 0 \qquad (x \in [0,1])$$

라 하자. 모든 $x, y \in [0,1]$에 대해 $x \lt y$이면 $\alpha(x) = 0 \le 0 = \alpha(y)$이므로, 정의 1.43(i)에 의해 $\alpha$는 $[0,1]$ 위에서 단조증가한다.

$$f(x) := \begin{cases} \dfrac{1}{x} & (x \in (0,1]) \\ 0 & (x = 0) \end{cases}$$

이라 하자. $x_k := 1/k \to 0^+$ ($k \to \infty$)일 때 $f(x_k) = k \to \infty$이므로, $f$는 $[0,1]$ 위에서 유계가 아니다.

$P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$을 $[0,1]$의 임의의 분할이라 하자. $\alpha$가 상수함수이므로, 모든 $i \in \{1,\ldots,n\}$에 대해

$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i) - \alpha(x_{i-1}) = 0 - 0 = 0$$

이다. 위 역주의 관례에 의해, $M_i\Delta\alpha_i = 0$이고 $m_i\Delta\alpha_i = 0$이 모든 $i$에 대해 성립하므로(예컨대 $x_1 > 0$인 분할에서 첫째 구간 $[x_0,x_1] = [0,x_1]$을 보면 $M_1 = \sup_{x\in[0,x_1]} f(x) = +\infty$이지만, 이 역시 $\Delta\alpha_1 = 0$과 곱해져 $0$으로 읽는다),

$$U(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i\Delta\alpha_i = 0, \qquad L(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i\Delta\alpha_i = 0$$

이다. $P$가 $[0,1]$의 임의의 분할이었으므로,

$$\overline{\int_0^1} f d\alpha = \inf_{P} U(P,f,\alpha) = 0, \qquad \underline{\int_0^1} f d\alpha = \sup_{P} L(P,f,\alpha) = 0$$

이며, 두 값 모두 $\mathbb{R}$에 존재하고 서로 같다. 따라서 정의 2.12에 의해 $f$는 $[0,1]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하고

$$\int_0^1 f d\alpha = 0$$

이다. 그러나 $f$는 $[0,1]$ 위에서 유계가 아니다. 그러므로 "$f$가 $[a,b]$에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하면 $f$는 유계이다"라는 주장은 (위 역주의 관례 아래) 거짓이며, 반증되었다.

English

Due to Exercise 2.10, if $f$ is Riemann integrable on $[a, b]$, then $f$ is bounded. Prove or disprove that if $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a, b]$, then $f$ is bounded.

Note. Definition 2.11 explicitly sets up $U(P,f,\alpha)$ and $L(P,f,\alpha)$ under the hypothesis that $f$ is a bounded function on $[a,b]$. In the counterexample below, $f$ is unbounded, so there can be an interval on which $M_i = \sup_{x\in[x_{i-1},x_i]} f(x)$ equals $+\infty$; on such an interval, if $\Delta\alpha_i = 0$, the product $M_i\Delta\alpha_i$ is, on its face, of the undefined form "$\infty \times 0$". Below we adopt the natural convention that, on any interval with $\Delta\alpha_i = 0$, we read $M_i\Delta\alpha_i := 0$ (likewise $m_i\Delta\alpha_i := 0$), regardless of whether $M_i$ is finite or $+\infty$ and whether $m_i$ is finite or $-\infty$, and compute $U(P,f,\alpha)$, $L(P,f,\alpha)$ accordingly. Definition 2.12 imposes no boundedness of its own and states integrability for "a function $f$ on $[a,b]$", so under this convention we can directly check the integrability condition of Definition 2.12 (the upper and lower integrals exist in $\mathbb{R}$ and are equal). This precisely targets the point at which the argument of Exercise 2.10 — that if $\alpha$ is strictly increasing, e.g. $\alpha(x) = x$, so that every $\Delta\alpha_i > 0$, then an unbounded $f$ forces $M_i\Delta\alpha_i$ to grow arbitrarily large on some interval, so the upper sum diverges — no longer applies once $\alpha$ is (locally) constant, so $\Delta\alpha_i = 0$. (If instead one reads the boundedness hypothesis of Definition 2.11 as a blanket precondition for the entire problem, then the phrase "Riemann-Stieltjes integrable $f$" already refers only to bounded $f$, and the claim is trivially true. The argument below instead follows the reading that extends the upper/lower sum formulas of Definition 2.11 to unbounded $f$ in the natural way described above.)

The claim is disproved. Let $[a,b] = [0,1]$ and

$$\alpha(x) := 0 \qquad (x \in [0,1]).$$

For all $x, y \in [0,1]$ with $x \lt y$, $\alpha(x) = 0 \le 0 = \alpha(y)$, so by Definition 1.43(i), $\alpha$ is monotonically increasing on $[0,1]$.

$$f(x) := \begin{cases} \dfrac{1}{x} & (x \in (0,1]) \\ 0 & (x = 0) \end{cases}$$

Since $f(x_k) = k \to \infty$ for $x_k := 1/k \to 0^+$ as $k \to \infty$, $f$ is unbounded on $[0,1]$.

Let $P = \{x_0, x_1, \ldots, x_n\}$ be an arbitrary partition of $[0,1]$. Since $\alpha$ is a constant function, for all $i \in \{1,\ldots,n\}$,

$$\Delta\alpha_i = \alpha(x_i) - \alpha(x_{i-1}) = 0 - 0 = 0.$$

By the convention in the note above, $M_i\Delta\alpha_i = 0$ and $m_i\Delta\alpha_i = 0$ for all $i$ (for instance, in a partition with $x_1 > 0$ the first interval $[x_0,x_1] = [0,x_1]$ has $M_1 = \sup_{x\in[0,x_1]} f(x) = +\infty$, but this too is read as $0$ once multiplied by $\Delta\alpha_1 = 0$), so

$$U(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} M_i\Delta\alpha_i = 0, \qquad L(P,f,\alpha) = \sum_{i=1}^{n} m_i\Delta\alpha_i = 0.$$

Since $P$ was an arbitrary partition of $[0,1]$,

$$\overline{\int_0^1} f d\alpha = \inf_{P} U(P,f,\alpha) = 0, \qquad \underline{\int_0^1} f d\alpha = \sup_{P} L(P,f,\alpha) = 0,$$

and both values exist in $\mathbb{R}$ and are equal. Thus by Definition 2.12, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[0,1]$ and

$$\int_0^1 f d\alpha = 0.$$

But $f$ is unbounded on $[0,1]$. Therefore the claim "if $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,b]$, then $f$ is bounded" is false (under the convention in the note above), and it is disproved.

THM 2.61 연속점에서의 부정적분의 미분가능성 Differentiability of the Indefinite Integral at a Point of Continuity
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자.

$$F(x) = \int_a^x f(t)dt \qquad (a \le x \le b).$$

라 정의하자. $f$가 $x_0 \in [a, b]$에서 연속이라 가정하자. 그러면 $F$는 $x_0$에서 미분가능하고

$$F'(x_0) = f(x_0).$$

$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. $f$가 $x_0$에서 연속이므로,

$$|f(x) - f(x_0)| \lt \frac{\varepsilon}{2} \tag{2.57}$$

이 모든 $x \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a, b]$에 대해 성립하도록 하는 $\delta > 0$이 존재한다. 리만-스틸체스 적분의 선형성에 의해, 모든 $a \le x \lt x_0 \lt y \le b$에 대해

$$f(x_0) = f(x_0)\frac{y - x_0}{y - x_0} = f(x_0)\frac{\int_{x_0}^{y} 1dt}{y - x_0} = \frac{1}{y - x_0}\int_{x_0}^{y} f(x_0)dt$$

이고

$$f(x_0) = f(x_0)\frac{x_0 - x}{x_0 - x} = f(x_0)\frac{\int_{x}^{x_0} 1dt}{x_0 - x} = \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} f(x_0)dt$$

임을 유의하자. 따라서 선형성을 다시 적용하면, $y \in (x_0, x_0 + \delta) \cap [a, b]$일 때

$$\begin{aligned} \left|\frac{F(y) - F(x_0)}{y - x_0} - f(x_0)\right| &= \left|\frac{\int_{x_0}^{y} f(t)dt}{y - x_0} - \frac{1}{y - x_0}\int_{x_0}^{y} f(x_0)dt\right| \\ &= \left|\frac{1}{y - x_0}\int_{x_0}^{y} (f(t) - f(x_0))dt\right|. \end{aligned}$$

이다. 따라서 (2.57)과 정리 2.37(iv)에 의해,

$$\left|\frac{F(y) - F(x_0)}{y - x_0} - f(x_0)\right| \le \frac{1}{y - x_0}\frac{\varepsilon}{2}(y - x_0) = \frac{\varepsilon}{2} \lt \varepsilon.$$

이다. 마찬가지로, 모든 $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a, b]$에 대해

$$\left|\frac{F(x) - F(x_0)}{x - x_0} - f(x_0)\right| \lt \varepsilon. \tag{2.58}$$

이다. 따라서 $F$는 $x_0$에서 미분가능하고

$$F'(x_0) = f(x_0).$$
English

Let $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Define

$$F(x) = \int_a^x f(t)dt \qquad (a \le x \le b).$$

Assume that $f$ is continuous at $x_0 \in [a, b]$. Then $F$ is differentiable at $x_0$ and

$$F'(x_0) = f(x_0).$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Since $f$ is continuous at $x_0$, there exists a $\delta > 0$ such that

$$|f(x) - f(x_0)| \lt \frac{\varepsilon}{2} \tag{2.57}$$

for all $x \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a, b]$. Note that by the linear property of the Riemann-Stieltjes integral, for all $a \le x \lt x_0 \lt y \le b$

$$f(x_0) = f(x_0)\frac{y - x_0}{y - x_0} = f(x_0)\frac{\int_{x_0}^{y} 1dt}{y - x_0} = \frac{1}{y - x_0}\int_{x_0}^{y} f(x_0)dt$$

and

$$f(x_0) = f(x_0)\frac{x_0 - x}{x_0 - x} = f(x_0)\frac{\int_{x}^{x_0} 1dt}{x_0 - x} = \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} f(x_0)dt$$

Thus by the linear property again, if $y \in (x_0, x_0 + \delta) \cap [a, b]$, then

$$\begin{aligned} \left|\frac{F(y) - F(x_0)}{y - x_0} - f(x_0)\right| &= \left|\frac{\int_{x_0}^{y} f(t)dt}{y - x_0} - \frac{1}{y - x_0}\int_{x_0}^{y} f(x_0)dt\right| \\ &= \left|\frac{1}{y - x_0}\int_{x_0}^{y} (f(t) - f(x_0))dt\right|. \end{aligned}$$

Therefore by (2.57) and Theorem 2.37(iv), we have

$$\left|\frac{F(y) - F(x_0)}{y - x_0} - f(x_0)\right| \le \frac{1}{y - x_0}\frac{\varepsilon}{2}(y - x_0) = \frac{\varepsilon}{2} \lt \varepsilon.$$

Similarly, for all $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a, b]$, we have

$$\left|\frac{F(x) - F(x_0)}{x - x_0} - f(x_0)\right| \lt \varepsilon. \tag{2.58}$$

Thus $F$ is differentiable at $x_0$ and

$$F'(x_0) = f(x_0).$$
EX 2.62 (2.58)의 증명 Proof of (2.58)
한국어

(2.58)을 증명하라.

$x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$라 하자. 정리 2.37(iii)에 의해

$$F(x_0) - F(x) = \int_a^{x_0} f(t)dt - \int_a^{x} f(t)dt = \int_x^{x_0} f(t)dt$$

이다. 정리 2.61의 증명에서 이미 관찰한 바와 같이,

$$f(x_0) = f(x_0)\frac{x_0 - x}{x_0 - x} = f(x_0)\frac{\int_{x}^{x_0} 1dt}{x_0 - x} = \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} f(x_0)dt$$

이다. 따라서 리만 적분의 선형성(정리 2.37(i), (ii))을 다시 적용하면,

$$\begin{aligned} \frac{F(x) - F(x_0)}{x - x_0} - f(x_0) &= \frac{F(x_0) - F(x)}{x_0 - x} - f(x_0) \\ &= \frac{\int_x^{x_0} f(t)dt}{x_0 - x} - \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} f(x_0)dt \\ &= \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} (f(t) - f(x_0))dt. \end{aligned}$$

이다. $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$이고 $t \in [x, x_0]$이면 $t \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$이므로, (2.57)에 의해

$$|f(t) - f(x_0)| \lt \frac{\varepsilon}{2} \qquad \forall t \in [x, x_0]$$

이다. 따라서 정리 2.37(iv)에 의해(적분 구간을 $[x,x_0]$로, 적분자를 $\alpha(t) = t$로, $M = \varepsilon/2$로 두면),

$$\left|\int_{x}^{x_0} (f(t) - f(x_0))dt\right| \le \frac{\varepsilon}{2}(x_0 - x)$$

이다. 그러므로

$$\left|\frac{F(x) - F(x_0)}{x - x_0} - f(x_0)\right| = \frac{1}{x_0 - x}\left|\int_{x}^{x_0} (f(t) - f(x_0))dt\right| \le \frac{1}{x_0 - x}\cdot\frac{\varepsilon}{2}(x_0 - x) = \frac{\varepsilon}{2} \lt \varepsilon$$

이다. 이는 모든 $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$에 대해 성립하므로, (2.58)이 증명된다.

English

Prove (2.58).

Let $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$. By Theorem 2.37(iii),

$$F(x_0) - F(x) = \int_a^{x_0} f(t)dt - \int_a^{x} f(t)dt = \int_x^{x_0} f(t)dt.$$

As already observed in the proof of Theorem 2.61,

$$f(x_0) = f(x_0)\frac{x_0 - x}{x_0 - x} = f(x_0)\frac{\int_{x}^{x_0} 1dt}{x_0 - x} = \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} f(x_0)dt.$$

Thus applying the linear property of the Riemann integral (Theorem 2.37(i), (ii)) again,

$$\begin{aligned} \frac{F(x) - F(x_0)}{x - x_0} - f(x_0) &= \frac{F(x_0) - F(x)}{x_0 - x} - f(x_0) \\ &= \frac{\int_x^{x_0} f(t)dt}{x_0 - x} - \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} f(x_0)dt \\ &= \frac{1}{x_0 - x}\int_{x}^{x_0} (f(t) - f(x_0))dt. \end{aligned}$$

If $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$ and $t \in [x, x_0]$, then $t \in (x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$, so by (2.57),

$$|f(t) - f(x_0)| \lt \frac{\varepsilon}{2} \qquad \forall t \in [x, x_0].$$

Thus by Theorem 2.37(iv) (taking the interval of integration to be $[x,x_0]$, the integrator $\alpha(t) = t$, and $M = \varepsilon/2$),

$$\left|\int_{x}^{x_0} (f(t) - f(x_0))dt\right| \le \frac{\varepsilon}{2}(x_0 - x).$$

Therefore

$$\left|\frac{F(x) - F(x_0)}{x - x_0} - f(x_0)\right| = \frac{1}{x_0 - x}\left|\int_{x}^{x_0} (f(t) - f(x_0))dt\right| \le \frac{1}{x_0 - x}\cdot\frac{\varepsilon}{2}(x_0 - x) = \frac{\varepsilon}{2} \lt \varepsilon.$$

Since this holds for all $x \in (x_0 - \delta, x_0) \cap [a,b]$, (2.58) is proved.

EX 2.63 연속함수의 원시함수의 존재성 Existence of an Antiderivative of a Continuous Function
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 연속함수라 하자. 다음을 만족하는 $[a, b]$ 위의 미분가능함수 $F$가 존재함을 증명하거나 반증하라.

$$F'(x) = f(x) \qquad \forall x \in [a, b].$$

주장은 참이다. $f$가 $[a,b]$ 위에서 연속이라 하자.

$$F(x) := \int_a^x f(t)dt \qquad (a \le x \le b)$$

라 정의하자(단 $F(a) = 0$). 임의의 $x \in [a,b]$에 대해 $f$는 $[a,x]$ 위에서도 연속이고 항등함수 $\alpha(t) = t$는 $[a,x]$ 위에서 단조증가하므로, 정리 2.26에 의해 $f$는 $[a,x]$ 위에서 $\alpha$에 관하여 리만-스틸체스 적분가능하다. 주의 2.13에 의해 이는 $f$가 $[a,x]$ 위에서 리만 적분가능함과 동치이므로, $F(x)$는 모든 $x \in [a,b]$에 대해 잘 정의된다.

$f$는 $[a,b]$ 위에서 연속이므로, 특히 모든 $x_0 \in [a,b]$에서 연속이다. $f$가 $[a,b]$ 위의 리만 적분가능함수이므로(위에서 $x = b$인 경우로 확인하였다), 정리 2.61의 가정이 모든 $x_0 \in [a,b]$에서 성립한다. 따라서 정리 2.61에 의해, 모든 $x_0 \in [a,b]$에 대해 $F$는 $x_0$에서 미분가능하고

$$F'(x_0) = f(x_0)$$

이다. (정의 1.17에 의해, $x_0 = a$ 또는 $x_0 = b$일 때 $F'(x_0)$은 각각 우미분계수·좌미분계수를 뜻하는데, 정리 2.61의 증명은 애초에 $(x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$, $(x_0, x_0+\delta) \cap [a,b]$, $(x_0-\delta, x_0) \cap [a,b]$ 형태의 구간에서 논증을 진행하므로, $x_0$이 끝점일 때도 그대로 적용되어 해당 한쪽 미분계수를 준다.) 그러므로 $F$는 $[a,b]$ 위에서 미분가능하고 모든 $x \in [a,b]$에 대해 $F'(x) = f(x)$를 만족하며, 이러한 $F$가 존재함이 증명된다.

English

Let $f$ be a continuous function on $[a, b]$. Prove or disprove that there exists a differentiable function $F$ on $[a, b]$ such that

$$F'(x) = f(x) \qquad \forall x \in [a, b].$$

The claim is true. Let $f$ be continuous on $[a,b]$. Define

$$F(x) := \int_a^x f(t)dt \qquad (a \le x \le b)$$

(with $F(a) = 0$). For any $x \in [a,b]$, $f$ is also continuous on $[a,x]$, and the identity function $\alpha(t) = t$ is monotonically increasing on $[a,x]$, so by Theorem 2.26, $f$ is Riemann-Stieltjes integrable with respect to $\alpha$ on $[a,x]$. By Remark 2.13, this is equivalent to $f$ being Riemann integrable on $[a,x]$, so $F(x)$ is well-defined for every $x \in [a,b]$.

Since $f$ is continuous on $[a,b]$, it is in particular continuous at every $x_0 \in [a,b]$. Since $f$ is a Riemann integrable function on $[a,b]$ (as verified above with $x = b$), the hypotheses of Theorem 2.61 hold at every $x_0 \in [a,b]$. Thus by Theorem 2.61, for every $x_0 \in [a,b]$, $F$ is differentiable at $x_0$ and

$$F'(x_0) = f(x_0).$$

(By Definition 1.17, when $x_0 = a$ or $x_0 = b$, $F'(x_0)$ means the right- or left-hand derivative, respectively; but the proof of Theorem 2.61 works throughout with intervals of the form $(x_0 - \delta, x_0 + \delta) \cap [a,b]$, $(x_0, x_0+\delta) \cap [a,b]$, and $(x_0-\delta, x_0) \cap [a,b]$, so it applies unchanged when $x_0$ is an endpoint and yields exactly the corresponding one-sided derivative.) Therefore $F$ is differentiable on $[a,b]$ and satisfies $F'(x) = f(x)$ for all $x \in [a,b]$, so such an $F$ exists, as claimed.

THM 2.64 미적분학의 기본정리 The fundamental theorem of calculus
한국어

$f$가 $[a, b]$ 위의 리만 적분가능함수라 하자. 모든 $x \in [a, b]$에 대해 $F'(x) = f(x)$를 만족하는 $[a, b]$ 위의 미분가능함수 $F$가 존재한다고 가정하자. 그러면

$$\int_a^b f(x)dx = F(b) - F(a).$$

$\varepsilon > 0$이 주어졌다고 하자. 그러면

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

을 만족하는 $[a, b]$의 분할 $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$이 존재한다. 평균값 정리에 의해,

$$F(x_i) - F(x_{i-1}) = f(\tilde{t}_i)\Delta x_i \qquad (i = 1, \ldots, n).$$

를 만족하는 $\tilde{t}_i \in [x_{i-1}, x_i]$가 존재한다. 따라서

$$\sum_{i=1}^{n} f(\tilde{t}_i)\Delta x_i = F(x_n) - F(x_0) = F(b) - F(a).$$

이다. 정리 2.20(iii)에 의해, 모든 $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$에 대해

$$\left|\sum_{i=1}^{n} f(t_i)\Delta x_i - \int_a^b f dx\right| \lt \varepsilon.$$

이다. 특히

$$\left|F(b) - F(a) - \int_a^b f dx\right| = \left|\sum_{i=1}^{n} f(\tilde{t}_i)\Delta x_i - \int_a^b f dx\right| \lt \varepsilon.$$

이다. $\varepsilon > 0$이 임의의 양의 상수이므로, 정리가 증명된다.

English

Let $f$ be a Riemann integrable function on $[a, b]$. Assume that there exists a differentiable function $F$ on $[a, b]$ such that $F'(x) = f(x)$ for all $x \in [a, b]$. Then

$$\int_a^b f(x)dx = F(b) - F(a).$$

Let $\varepsilon > 0$ be given. Then there exists a partition $P = \{x_0, \ldots, x_n\}$ of $[a, b]$ such that

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

By the mean-value theorem, there exist $\tilde{t}_i \in [x_{i-1}, x_i]$ such that

$$F(x_i) - F(x_{i-1}) = f(\tilde{t}_i)\Delta x_i \qquad (i = 1, \ldots, n).$$

Thus

$$\sum_{i=1}^{n} f(\tilde{t}_i)\Delta x_i = F(x_n) - F(x_0) = F(b) - F(a).$$

Due to Theorem 2.20(iii), for all $t_i \in [x_{i-1}, x_i]$ $(i = 1, \ldots, n)$,

$$\left|\sum_{i=1}^{n} f(t_i)\Delta x_i - \int_a^b f dx\right| \lt \varepsilon.$$

In particular, we have

$$\left|F(b) - F(a) - \int_a^b f dx\right| = \left|\sum_{i=1}^{n} f(\tilde{t}_i)\Delta x_i - \int_a^b f dx\right| \lt \varepsilon.$$

Since $\varepsilon > 0$ is an arbitrary positive constant, the theorem is proved.

THM 2.65 부분적분 Integration by parts
한국어

$F$와 $G$가 $[a, b]$ 위의 미분가능함수라 하자. $F'$과 $G'$이 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하자. 그러면

$$\int_a^b F(x)G'(x)dx = F(b)G(b) - F(a)G(a) - \int_a^b F'(x)G(x)dx.$$

다음과 같이 두자.

$$H(x) = F(x)G(x).$$

그러면 곱의 미분법에 의해,

$$H'(x) = F'(x)G(x) + F(x)G'(x).$$

$G$와 $F$가 $[a, b]$ 위에서 미분가능하므로, 이들은 $[a, b]$ 위에서 연속이기도 하다. 따라서 정리 2.26에 의해 $G$와 $F$는 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다. $F'(x)$와 $G'(x)$가 $[a, b]$ 위에서 리만 적분가능하다고 가정하였으므로, 정리 2.42와 선형성에 의해 $F'(x)G(x)$, $F(x)G'(x)$, $H'(x)$는 리만 적분가능하다. 따라서 미적분학의 기본정리를 적용하면,

$$\int_a^b H'(x)dx = H(b) - H(a),$$

이고, 이는 다음과 동치이다.

$$\int_a^b (F'(x)G(x) + F(x)G'(x))dx = F(b)G(b) - F(a)G(a).$$

마지막으로 리만 적분의 선형성을 적용하면, 정리가 증명된다.

English

Let $F$ and $G$ be differentiable function on $[a, b]$. Assume that $F'$ and $G'$ are Riemann integrable on $[a, b]$. Then

$$\int_a^b F(x)G'(x)dx = F(b)G(b) - F(a)G(a) - \int_a^b F'(x)G(x)dx.$$

Set

$$H(x) = F(x)G(x).$$

Then by the product rule of differentiation,

$$H'(x) = F'(x)G(x) + F(x)G'(x).$$

Since $G$ and $F$ are differentiable on $[a, b]$, they are also continuous on $[a, b]$. Thus by Theorem 2.26, $G$ and $F$ are Riemann integrable on $[a, b]$. Since we assumed that $F'(x)$ and $G'(x)$ are Riemann integrable on $[a, b]$, $F'(x)G(x)$, $F(x)G'(x)$, $H'(x)$ are Riemann integrable by Theorem 2.42 and the linearity. Therefore applying the fundamental theorem of calculus,

$$\int_a^b H'(x)dx = H(b) - H(a),$$

which is equivalent to

$$\int_a^b (F'(x)G(x) + F(x)G'(x))dx = F(b)G(b) - F(a)G(a).$$

Finally applying the linear property of the Riemann integral, the theorem is proved.