一、直观图景:上下夹板是否合拢

把 ff 在点 xx 附近的图像想成被两块水平夹板夹住:上夹板是邻域内的上确界,下夹板是邻域内的下确界,两块夹板之间的距离就是局部振幅。

若邻域不断缩小时两块夹板最终合拢,那么附近所有函数值都被压进任意短的竖直区间中,特别地,f(y)f(y) 与 f(x)f(x) 的距离趋于 00。若夹板始终留有正距离,则无论邻域多小,函数值仍会发生固定幅度的跳动,函数在该点不连续。

二、点振幅及连续性判别

1. 定义

设 f:[a,b]→Rf:[a,b]\to\mathbb R 有界。对 x∈[a,b]x\in[a,b] 与 δ>0\delta>0,记

Bδ(x):=[a,b]∩(x−δ,x+δ),B_\delta(x):=[a,b]\cap(x-\delta,x+\delta),

并定义

Uδ(x):=sup⁡y∈Bδ(x)f(y),Lδ(x):=inf⁡y∈Bδ(x)f(y).U_\delta(x):=\sup_{y\in B_\delta(x)}f(y), \qquad L_\delta(x):=\inf_{y\in B_\delta(x)}f(y).

当 δ↓0\delta\downarrow0 时,Uδ(x)U_\delta(x) 单调不增,Lδ(x)L_\delta(x) 单调不减。定义 ff 在 xx 处的振幅为

ωf(x):=lim⁡δ↓0(Uδ(x)−Lδ(x)).\boxed{ \omega_f(x) := \lim_{\delta\downarrow0} \left(U_\delta(x)-L_\delta(x)\right) }.

等价地,

ωf(x)=inf⁡δ>0(sup⁡y∈Bδ(x)f(y)−inf⁡y∈Bδ(x)f(y)).\omega_f(x) = \inf_{\delta>0} \left( \sup_{y\in B_\delta(x)}f(y) - \inf_{y\in B_\delta(x)}f(y) \right).

2. 连续推出振幅为零

假设 ff 在 xx 连续。给定 ε>0\varepsilon>0,存在 δ>0\delta>0,使得

∣y−x∣<δ⟹∣f(y)−f(x)∣<ε2.|y-x|<\delta \Longrightarrow |f(y)-f(x)|<\frac{\varepsilon}{2}.

任取 y1,y2∈Bδ(x)y_1,y_2\in B_\delta(x),由三角不等式,

∣f(y1)−f(y2)∣≤∣f(y1)−f(x)∣+∣f(x)−f(y2)∣<ε.\begin{aligned} |f(y_1)-f(y_2)| &\leq |f(y_1)-f(x)|+|f(x)-f(y_2)|\\ &<\varepsilon. \end{aligned}

因此

0≤Uδ(x)−Lδ(x)≤ε.0\leq U_\delta(x)-L_\delta(x)\leq\varepsilon.

由 ε\varepsilon 的任意性,ωf(x)=0\omega_f(x)=0。

3. 振幅为零推出连续

假设 ωf(x)=0\omega_f(x)=0。给定 ε>0\varepsilon>0,存在 δ>0\delta>0,使得

Uδ(x)−Lδ(x)<ε.U_\delta(x)-L_\delta(x)<\varepsilon.

当 y∈Bδ(x)y\in B_\delta(x) 时,x,yx,y 都属于这个邻域,而且

Lδ(x)≤f(x),f(y)≤Uδ(x).L_\delta(x)\leq f(x),f(y)\leq U_\delta(x).

所以

∣f(y)−f(x)∣≤Uδ(x)−Lδ(x)<ε.|f(y)-f(x)| \leq U_\delta(x)-L_\delta(x) <\varepsilon.

这正是 ff 在 xx 连续的定义。

三、关键桥梁:上下阶梯之差就是振幅

1. 剔除可数个二进制分点

对每个 k≥1k\geq1,把 [a,b][a,b] 二等分 kk 次,得到分割 PkP_k。所有层级的分点组成

E:=⋃k=1∞Pk.E:=\bigcup_{k=1}^{\infty}P_k.

每个 PkP_k 都是有限集,因此 EE 可数,从而

m(E)=0.m(E)=0.

固定 x∈[a,b]∖Ex\in[a,b]\setminus E,记第 kk 级中唯一包含 xx 的闭小区间为 Jk(x)J_k(x),并令

φk(x):=inf⁡y∈Jk(x)f(y),ψk(x):=sup⁡y∈Jk(x)f(y).\varphi_k(x):=\inf_{y\in J_k(x)}f(y), \qquad \psi_k(x):=\sup_{y\in J_k(x)}f(y).

设

hk:=∣Jk(x)∣=b−a2k,rk:=dist⁡(x,∂Jk(x))>0.h_k:=|J_k(x)|=\frac{b-a}{2^k}, \qquad r_k:=\operatorname{dist}\bigl(x,\partial J_k(x)\bigr)>0.

由于 xx 位于 Jk(x)J_k(x) 内部,

Brk(x)⊆Jk(x)⊆Bhk(x),rk→0,quadhk→0.B_{r_k}(x)\subseteq J_k(x)\subseteq B_{h_k}(x), \qquad r_k\to0,quad h_k\to0.

2. 上确界的夹逼

集合越大,上确界越大,因此

Urk(x)≤sup⁡y∈Jk(x)f(y)≤Uhk(x).U_{r_k}(x) \leq \sup_{y\in J_k(x)}f(y) \leq U_{h_k}(x).

左右两端都趋于 lim⁡δ↓0Uδ(x)\lim_{\delta\downarrow0}U_\delta(x),故

ψ~(x)=lim⁡k→∞ψk(x)=lim⁡δ↓0Uδ(x).\boxed{ \widetilde\psi(x) =\lim_{k\to\infty}\psi_k(x) =\lim_{\delta\downarrow0}U_\delta(x) }.

3. 下确界的夹逼

集合越大,下确界越小,因此

Lhk(x)≤inf⁡y∈Jk(x)f(y)≤Lrk(x).L_{h_k}(x) \leq \inf_{y\in J_k(x)}f(y) \leq L_{r_k}(x).

左右两端都趋于 lim⁡δ↓0Lδ(x)\lim_{\delta\downarrow0}L_\delta(x),故

φ~(x)=lim⁡k→∞φk(x)=lim⁡δ↓0Lδ(x).\boxed{ \widetilde\varphi(x) =\lim_{k\to\infty}\varphi_k(x) =\lim_{\delta\downarrow0}L_\delta(x) }.

4. 桥梁公式

两式相减得到,对每个 x∉Ex\notin E,

ψ~(x)−φ~(x)=ωf(x).\boxed{ \widetilde\psi(x)-\widetilde\varphi(x) =\omega_f(x) }.

因此

φ~(x)=ψ~(x)⟺ωf(x)=0⟺f 在 x 连续,x∉E.\boxed{ \widetilde\varphi(x)=\widetilde\psi(x) \Longleftrightarrow \omega_f(x)=0 \Longleftrightarrow f\text{ 在 }x\text{ 连续} }, \qquad x\notin E.

四、Riemann 可积推出几乎处处连续

设 f:[a,b]→Rf:[a,b]\to\mathbb R Riemann 可积。上下阶梯函数的构造已经给出

φ~=ψ~a.e.\widetilde\varphi=\widetilde\psi \qquad\mathrm{a.e.}

令

N:={x∈[a,b]:φ~(x)≠ψ~(x)}.N:=\{x\in[a,b]:\widetilde\varphi(x)\neq\widetilde\psi(x)\}.

则 m(N)=0m(N)=0。对任意 x∉N∪Ex\notin N\cup E,桥梁公式给出

ωf(x)=ψ~(x)−φ~(x)=0.\omega_f(x) =\widetilde\psi(x)-\widetilde\varphi(x) =0.

由振幅判别连续性,ff 在 xx 连续。因此不连续点集 DfD_f 满足

Df⊆N∪E.\boxed{D_f\subseteq N\cup E}.

两个集合都是零测集,所以

m(Df)=0.\boxed{m(D_f)=0}.

五、为什么必须单独处理分割点

若 xx 是二进制分点,半开小区间可能始终只从 xx 的一侧收缩,例如始终取

[x,x+2−k].[x,x+2^{-k}].

此时 φ~(x)=ψ~(x)\widetilde\varphi(x)=\widetilde\psi(x) 只说明右侧振幅消失,未必控制左侧,所以不能直接推出双侧连续。

解决办法是把所有分割点构成的可数集 EE 整体加入例外集合。题目只要求证明不连续点集是零测集,因此不需要逐个解决这些端点。

六、为什么 Lusin 定理不能直接证明

Lusin 定理只保证:对任意 ε>0\varepsilon>0,存在闭集 K⊆[a,b]K\subseteq[a,b],使

m([a,b]∖K)<ε,m([a,b]\setminus K)<\varepsilon,

且限制函数 f∣Kf|_K 连续。

但 f∣Kf|_K 连续只考察点在 KK 内趋近,不考察从 [a,b]∖K[a,b]\setminus K 中趋近,因此它不等价于原函数在 KK 中各点连续。

例如 Dirichlet 函数

f=χQ∩[a,b]f=\chi_{\mathbb Q\cap[a,b]}

可测,因而满足 Lusin 定理;可以选取几乎占满区间的紧集 K⊆R∖QK\subseteq\mathbb R\setminus\mathbb Q,此时 f∣K≡0f|_K\equiv0,当然连续。但 ff 在 [a,b][a,b] 的每一点都不连续。

所以

在大闭集上限制连续\centernot⟹原函数几乎处处连续.\boxed{ \text{在大闭集上限制连续} \centernot\Longrightarrow \text{原函数几乎处处连续} }.

Lusin 定理不能替代振幅桥梁。

七、方法提炼:一题通一类

题型识别特征

  • 已知 Riemann 可积,要研究连续点或不连续点集;
  • 已经构造 Darboux 上下阶梯函数;
  • 已经得到两个极限函数几乎处处相等;
  • 题目提示“考虑上下函数相等的点”。

八、变式练习