Darboux Theorm

1. 定理内容

Darboux定理:对任意在[a,b][a,b]上有界的函数 f(x)f(x),恒有:

lim⁡λ→0sˉ(P)=Llim⁡λ→0s‾(P)=l\lim_{\lambda\to0}\bar{s}(P)=L\quad\lim_{\lambda\to0}\underline{s}(P)=l

  1. PP是[a,b][a,b]上的任意划分,P:a=x0<x1<x2<⋯<xn−1<xn=bP:a=x_0<x_1<x_2<\cdots<x_{n-1}<x_n=b;
  2. λ=max⁡1≤i≤nΔxi\displaystyle\lambda=\max_{1\le i\le n}\Delta x_i
  3. L=inf⁡{s‾(P)∣s‾(P)∈S‾}L=\inf\{\overline{s}(P)|\overline{s}(P)\in\overline{S}\}
  4. S‾\overline{S}是一切可能划分的得到的Darboux大和的集合

这里的达布定理不是导数里边的那个达布定理, 导数中的Darboux Theorem表述如下:

Let I be a closed intenva,f:I→R be a real-valued differentiable function. Then f′ has the intermediate value property. If a and b arepoints in I with a<b,then for every y between f′(a) and f′(b), there exists an x in [a,b] such that f′(x)=y.\begin{aligned}&\text{Let }I\text{ be a closed intenva},f{:}I\to\mathbb{R}\text{ be a real-valued differentiable function. Then }f^{\prime}\text{ has the intermediate value property. If }a\mathrm{~and~}b\mathrm{~are} \\&\text{points in }I\mathrm{~with~}a<b,\text{then for every }y\mathrm{~between~}f^{\prime}(a)\mathrm{~and~}f^{\prime}(b)\text{, there exists an }x\mathrm{~in~}[a,b]\text{ such that }f^{\prime}(x)=y.\end{aligned}

graph TD;
    A-->B;
    A-->C;
    B-->D;
    C-->D;

2. 思路分析

我们这里仅讨论上和的极限,下和的讨论也是完全类似的.

2.1 证明极限

想要证明一个极限,比如 lim⁡x→1x=1\lim\limits_{x\to 1}x=1 ,我们需要用ε−δ\varepsilon-\delta语言来规范的描述.

∀ε>0,∃δ>0,s.t∣x−1∣<δ时,有∣f(x)−1∣<ε\forall\varepsilon>0,\exists\delta>0,\mathrm{s.t}\left|x-1\right|<\delta\text{时,有}\left|f(x)-1\right|<\varepsilon

2.2 类比证明

把上面的证明过程类比到这个情况下即为:

1.  ∀ε>0,∃δ>0↓此时必然存在一个划分P满足这个区间的性质2.  s.t.∣λ−0∣<ε↓这里比较特殊,因为区间长度λ>0,所以就是λ<ε3.  ∣s‾(P)−L∣<ε↓这里比较特殊,因为大和不增的性质(下边会证明),所以s‾(P)−L>0>−ε,故只需证s‾(P)−L<ε\begin{array}{c} \boxed{ \begin{array}{c} 1.\;\forall\varepsilon>0,\exists \delta>0\\ \downarrow\\ \text{此时必然存在一个划分$P$满足这个区间的性质} \end{array}}\\[4em] \boxed{ \begin{array}{c} 2.\;{\rm s.t.}|\lambda-0|<\varepsilon \\ \downarrow\\ \text{这里比较特殊,因为区间长度$\lambda>0$,所以就是$\lambda<\varepsilon$} \end{array}}\\[4em] \boxed{ \begin{array}{c} 3.\;|\overline{s}(P)-L|<\varepsilon \\ \downarrow\\ \text{这里比较特殊,因为大和不增的性质(下边会证明),所以}\\ \overline{s}(P)-L>0>-\varepsilon,\text{故只需证}\overline{s}(P)-L<\varepsilon \end{array} } \end{array}

2.3 着手证明

现在着手分析怎么证明 S‾(P)−L<ε\overline{S}(P)-L<\varepsilon,利用确界原理,这里

S‾(P)>(b−a)⋅min⁡x∈[a,b]f(x)\overline{S}(P)>(b-a)\cdot\min_{x\in[a,b]}f(x)

所以S‾(P)\overline{S}(P)有下确界,记为LL,接着我们做变换

S‾(P)−L=S‾(P)−S‾(P′)+S‾(P′)−L\overline{S}(P)-L=\overline{S}(P)-\overline{S}(P^{'})+\overline{S}(P^{'})-L

此时后边的 S‾(P′)−L\overline{S}(P^{\prime})-L 正是确界的性质

  • 其实也不能说这个思路每个人都能够想的到,但是毕竟是学习数学分析的人,这还算得上是常规套路
  • 你们以前应该用的很多这种方法吧,比如单调有界原理的证明里边

现在由确界原理可以知道

∀ε>0,0<S‾(P′)−L<ε2\forall\varepsilon>0,0<\overline{S}(P^{'})-L<\frac{\varepsilon}{2}

因而现在我们只要能够解决

S‾(P)−S‾(P′)<ε2\overline{S}(P)-\overline{S}(P^{'})<\frac\varepsilon2

  • 在这里取ε2\frac{\varepsilon}{2}主要是为了美观,你可以取为其它的合理的值
  • 这也是为什么我要把 S‾(P)−L\overline{S}(P)-L 拆开:不然这么好一个确界性质摆在那里不用就太可惜了吧.其实下边我们还要充分
    运用 S‾(P)\overline{S}(P) 的相关性质,因为λ<ε\lambda<\varepsilon就是一个我们证明能够用到的条件, 这里你可以认为λ\lambda与PP是对应的.

2.4 证明目标

现在我们就只需要证明

S‾(P)−S‾(P′)<ε2\overline{S}(P)-\overline{S}(P^{'})<\frac\varepsilon2

你可以想一想我们还有一个满足 λ<δ\lambda<\delta 所对应的划分PP还没有使用,现在就要开始使用划分PP的相关性质了.但是因为S‾(P)\overline{S}(P)和S‾(P′)\overline{S}(P')中的两个划分并没有很强的联系,所以我们又可以又一个常规的操作:把划分P′P'插入到划分PP中,
得到(构造)划分P∗P^*, 此时即可以利用到大和不增的性质:

S‾(P∗)<S‾(P),S‾(P∗)<S‾(P′)\overline{S}(P^*)<\overline{S}(P),\quad\overline{S}(P^*)<\overline{S}(P^{^{\prime}})

现在把

S‾(P∗)<S‾(P),S‾(P∗)<S‾(P′)\overline{S}(P^*)<\overline{S}(P),\quad\overline{S}(P^*)<\overline{S}(P^{^{\prime}})

这两个东西塞到

S‾(P)−S‾(P′)<ε2\overline{S}(P)-\overline{S}(P^{^{\prime}})<\frac\varepsilon2

里边了,于是即证明:

S‾(P)−S‾(P∗)<ε2\overline{S}(P)-\overline{S}(P^{*})<\frac\varepsilon2

这里能够塞进去是因为前面有大和不增的性质,即:

S‾(P)−S‾(P∗)+S‾(P∗)−S‾(P′)<ε2\overline{S}(P)-\overline{S}(P^*)+\overline{S}(P^*)-\overline{S}(P^{^{\prime}})<\frac\varepsilon2

现在就只需要找到这样的δ\delta满足当λ<δ\lambda<\delta时, 满足如下的性质:

S‾(P)−S‾(P∗)<ε2\overline{S}(P)-\overline{S}(P^*) <\frac\varepsilon2

由于我们不知道划分P′P'是怎么插入划分PP中的,所以我们边取以一种比较特殊的插入方式,将x1,x2,⋯ ,xp−1x_1,x_2,\cdots,x_{p-1}这(P−1)(P-1)个点插入每个区间(xi−1,xi)(x_{i-1},x_i)中.

  • S‾(P∗)−S‾(P∗)\overline{S}(P^*)-\overline{S}(P^*)二者的差可以看成是一个关于δ\delta的表达式,我们需要反求出ε\varepsilon,即可完成最终的证明
  • 此时x0x_0与xpx_p就会和两个端点重合,且每个(xi−1,xi)(x_{i-1},x_i)里只有一个点

他们二者的差可以看作是(P−1)(P-1)个区间上差的求和,现在我们考虑[xi−1,xi][x_{i-1},x_i]这个区间。这个区间插入了点 xjx_j ,令Mi′,Mi′′M_i',M_i''分别为区间[xi−1,xj],[xj,xi][x_{i-1},x_j], [x_j,x_i]上的函数f(x)f(x)的上确界.令MiM_i为未插入xjx_j时的f(x)f(x)的上确界。于是S‾(P)−S‾(P∗)\overline{S}(P)-\overline{S}(P^*)可以表示为:

Δi=Mi(xi−xi−1)−[Mi′(xj′−xi−1)+Mi′′(xi−xj′)]=Mi(xi−xj′+xj′−xi−1)−[Mi′(xj′−xi−1)+Mi′′(xi−xj′)]=(Mi−Mi′)(xi−xj′)+(Mi−Mi′′)(xj′−xi−1)≤(Mi−mi)(xi−xj′)+(Mi−mi)(xj′−xi−)≤(M−m)(xi−xj′)+(M−m)(xj′−xi−)≤(M−m)(xi−xi−1)\begin{align*}\Delta_{i} &= M_i(x_{i}-x_{i-1})-[{M_i}^{'}(x_{j^{'}}-x_{i-1})+{M_i}^{''}(x_{i}-x_{j^{'}})] \\[5pt] &= M_i(x_{i}-x_{j^{'}}+x_{j^{'}}-x_{i-1})-[{M_i}^{'}(x_{j^{'}}-x_{i-1})+{M_i}^{''}(x_{i}-x_{j^{'}})]\\[5pt] &= (M_i-{M_i}^{'})(x_{i}-x_{j^{'}})+(M_i-{M_i}^{''})(x_{j^{'}}-x_{i-1})\\[5pt] &\le (M_i-m_i)(x_{i}-x_{j^{'}})+(M_i-m_i)(x_{j^{'}}-x_{i-})\\[5pt] &\le (M-m)(x_{i}-x_{j^{'}})+(M-m)(x_{j^{'}}-x_{i-})\\[5pt] &\le (M-m)(x_{i}-x_{i-1}) \end{align*}

于是就有

(P−1)(M−m)(xi−xi−1)<ε(P-1)(M-m)(x_i-x_{i-1}) < \varepsilon

注意:我们前边假设的划分PP满足

λ=max⁡1≤i≤n(Δxi)<δ.\lambda=\max_{1\leq i\leq n}(\Delta x_i)<\delta.

所以我们有

(P−1)(M−m)(xi−xi−1)<(P−1)(M−m)δ(P-1)(M-m)(x_i-x_{i-1})<(P-1)(M-m)\delta

现在我们要令

S‾(P)−S‾(P∗)\overline{S}(P)-\overline{S}(P^*)

即(P−1)(M−m)δ(P-1)(M-m)\delta, 解得

δ=ε2(P−1)(M−m)\delta=\frac\varepsilon{2(P-1)(M-m)}

这就是我们要寻找的δ\delta

2.5 思路完善

由于由于我们采取了一种比较特殊的插入方式,将x1,x2,⋯x_1,x_2,\cdots,xP−1x_{P-1} 这(P−1)(P-1) 个点插入每个区间 (xi−1,xi)(x_{i-1},x_i) 中.
接下来我们用 δ\delta 的范围的限制来实现我们的这种插值方法。只需要 Δxi<Δxj′\Delta x_i<\Delta x_{j^{\prime}} 即可.

如果同一个小区间 (xi−1,xi)(x_{i-1},x_i) 内插入了两个点 xj′,xj−1′x_{j^{\prime}},x_{j-1^{\prime}} ,那么Δxj′<Δxi\Delta x_{j^{\prime}}<\Delta x_i 了,于是就产生了矛盾。

这时我们只需要取

δ=min⁡{Δx1′,Δx2′,Δxj3′,…,Δxp′,ε2(P−1)(M−m)}\delta=\min\{\Delta x_{1^{^{\prime}}},\Delta x_{2^{^{\prime}}},\Delta x_{j3^{^{\prime}}},\ldots,\Delta x_{p^{^{\prime}}},\frac\varepsilon{2(P-1)(M-m)}\}

目的实现

3. 完整证明

请参见陈纪修-数学分析-第三版238页.


Darboux Theorm
https://zongpingding.github.io/2024/03/26/darboux_theorem/
Author
Eureka
Posted on
March 26, 2024
Licensed under