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연속이 아닌 함수의 적분

6.6 연속이 아닌 함수의 적분

앞서 예제 6.1.14에서 연속인 함수가 적분 가능함을 보였다. 그러나 수학의 다양한 응용 분야에서 마주치는 함 수는 연속인 것보다 불연속인 것이 더 많다. 따라서 불연속 함수의 적분 가능성에 대하여 논의하는 것은 의미 가 있다.

함수  가  에서 유계이고 ∈  에서만 불연속이라고 하자. 이제  가  에서 적분 가능함을 보 일 것이다.

양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 그리고  에서 의 상한을

이라고 하자. 그러면 충분히 작은 양수

에 대하여 

  이 성립한다. 더욱이 는       ⊆  가 성립할 정도로 작은 것이라고 할 수 있다.

함수  는    에서 연속이므로    의 분할

 ⋯ 

가 존재하여



 



  

을 만족시킨다. 또한  는    에서 연속이므로    의 분할

   ⋯ 

이 존재하여



 



  

을 만족시킨다.

 ⋯     ⋯ 

이라고 하면

는  의 분할이고    ,      이므로



 



 

  

 

  

  

       

    

 

 

 

⋅  

  

 

 

  

이 성립한다. 따라서 리만 판정법에 의하여  는  에서 적분 가능하다.

수학적 귀납법을 이용하면 위와 같은 논법으로  에서  의 불연속점의 개수가 유한인 경우  가  에 서 적분 가능함이 증명된다.

구간  에서  의 불연속점의 개수가 유한이면  는  에서 적분 가능하다.

이것을 더욱 일반화할 수 있다. 먼저 측도가 인 집합의 개념을 도입한다.

정의 6.6.1 측도 0(masure zero)

집합

측도가 이라는 것이라는 것은 임의의 양수 에 대하여 열린구간들의 가산집합

가 존재하

여 구간

들의 길이의 합이 보다 작으면서

의 덮개가 되는 것이다.

직관적으로 측도가 이라는 것은 무시할 수 있을 정도로 작은 크기라는 것을 의미한다.

참고

6.6.2 측도가 인 집합의 부분집합의 측도는 이다.

증명 

가 측도 인 집합이고

라고 하자. 그리고 양수 이 임의로 주어졌다고 하자.

가 측도 인 집 합이므로

를 덮으면서 길이의 합이  미만인 구간들의 가산집합

가 존재한다. 이때

덮으므로

는 측도가 인 집합이다. ■

참고

6.6.3 가산집합은 측도가 인 집합이다.

증명 

가 가부번집합이라고 하자. 즉

 ∈ℕ

이라고 하자. 그리고 양수 이 임의로 주어졌다고 하 자.

         

이라고 하면

의 길이는    이므로

들의 길이의 합은 

이다. 또한 

이다. 따라서

를 덮으면서 길이의 합이  미만인 구간들의 가산집합이다. 즉

의 측도는 이다. 한편 유한집합은 가부번집합의 부분집합이므로 측도가 인 집합이다. ■

참고

6.6.4 

 ∈ℕ

가 측도가 인 집합의 모임이면

  

의 측도도 이다.

증명

양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 각 에 대하여 길이의 합이     미만이면서

를 덮는 구간들 의 모임

 

가 존재한다. 이때

  ∈ℕ ∈ℕ

은 길이의 합이  이하이고

를 덮는 구간들

의 모임이므로

는 측도가 인 집합이다. ■

이제 불연속점의 개수와 리만 적분 가능성의 관계를 설명하는 다음 정리를 살펴보자.

정리 6.6.5 리만 적분 가능성에 대한 르베그의 정리

함수  가  에서 유계라고 하자. 이때  가  에서 리만 적분 가능할 필요충분조건은  에서

가 불연속점인 점들의 집합의 측도가 인 것이다.

르베그의 정리를 이용하면 함수의 적분 가능성을 매우 쉽게 판별할 수 있다.

보기

6.6.6

는  에서 적분 불가능하다. 왜냐하면 는  의 모든 점에서 불연속인데,  

은 측도가 인 집합이 아니기 때문이다. □

보기

6.6.7 

∈ℕ

,

  이라고 하자. 그리고 함수  

→ ℝ를

   

if  ∈if  ∉

로 정의하자. 그러면  는

∪의 점에서만 불연속이다. 그런데

∪은 가산집합으로서 측도가 인

집합이므로  는

에서 적분 가능하다. □

이제 르베그의 정리를 증명하자. 먼저 진동의 개념을 도입하고 보조정리 세 개를 증명한 뒤 르베그의 정리를 증명하겠다.

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6.6 연속이 아닌 함수의 적분

정의 6.6.8 진동

함수  가  에서 유계라고 하자.

(ⅰ) 구간

와  가 서로소가 아닐 때,

에서  의 진동(oscillation)을 다음과 같이 정의한다.

 ≔ sup       ∈

∩   ∈

∩  

(ⅱ) 점 ∈  에서  의 진동을 다음과 같이 정의한다.

 ≔

lim

 →  

     

직관적으로 구간에서 함수의 진동이란 구간에서 함숫값의 최대 변화량이며, 점에서 함수의 진동이란 가 주어 진 점을 지나는 순간  의 변화량이다. [즉 에서 의 진동이란 에서 의 상극한과 하극한의 차이다.]

참고

6.6.9 함수  가  에서 유계이면  의 임의의 점 에서  의 진동 

가 음이 아닌 유한값 으로서 존재한다.

증명

∈  라고 하자. 그리고 구간

에 대하여

≔sup   ∈

∩  , ≔ inf   ∈

∩  

라고 하자. sup    inf  이므로 다음을 얻는다.

 

 ≥  (18) 일반성을 잃지 않고 ∈  라고 하고,       ⊆  인 양수 을 택하자.   인 양수 에 대하여  ≔      라고 하자. 그러면 는  에서 증가하므로 에 서 우극한을 가진다. 그런데 (18)에 의하여  ≥ 이다. 따라서 는 음이 아닌 유한값으로 존재

한다. ■

보조정리

6.6.10* 함수  가  에서 유계라고 하자. 이때 임의의 양수 에 대하여

∈     ≥ 

은 콤팩트집합이다.

증명

정의에 의하여

는 유계이다. 이제 결론에 반하여

가 콤팩트집합이 아니라고 가정하자. 그러면 하이네 -보렐 정리에 의하여

는 닫힌집합이 아니다. 즉 모든 항이

에 속하지만

밖의 점 에 수렴하는 수 열

이 존재한다.   이므로 양수 이 존재하여 다음 부등식을 만족시킨다.

        (19)

→ 이므로 자연수

이 존재하여

 

  

⊆      

을 만족시킨다. 그러면 (19)에 의하여      이 성립한다. 즉   인

데 이것은 

라는 사실에 모순이다. ■

보조정리

6.6.11* 

가 유계인 닫힌구간이고 함수  가

에서 유계이며 이 양수라고 하자. 만약 임의의 ∈

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