F(x)=x2는 절대연속 — 구간들의 총 길이가 0으로 가면 ∑∣ΔF∣도 0으로 갑니다. 칸토어 함수는 균등연속이지만 절대연속이 아닙니다: 총 길이 (32)n→0인데 ∑∣Δc∣=1에 고정됩니다. 절대연속인 함수는 정확히 Lebesgue 적분 가능한 함수의 부정적분입니다.
F absolutely continuous ⟺∀ε>0∃δ>0:∑(bi−ai)<δ⇒∑∣F(bi)−F(ai)∣<ε
F(x)=x2, δ=0.2: ∑∣ΔF∣=1−(1−0.2)2=0.36 — 구간들의 총 길이 0.2가 작아지면 ∑∣ΔF∣도 0으로 갑니다 (절대연속 ✓).증명 보기
보조정리 (절대연속적분): ∣f∣의 꼬리가 사라진다는 사실을 이용합니다. Lebesgue 씬에서 본 지배수렴정리에 의해 ∫∣f∣>M∣f∣<2ε가 되는 M을 고를 수 있습니다.
임의의 가측집합 E에 대해 ∣f∣=∣f∣⋅1{∣f∣>M}+∣f∣⋅1{∣f∣≤M}로 나누면 ∫E∣f∣≤∫∣f∣>M∣f∣+M⋅m(E)<2ε+M⋅m(E)가 됩니다. 따라서 m(E)<δ:=2Mε이면 ∫E∣f∣<ε입니다.
이제 [ai,bi]들이 서로 겹치지 않고 총 길이가 δ보다 작다고 하자. 각 구간에 대해 ∣F(bi)−F(ai)∣=∫aibif≤∫aibi∣f∣이므로, 이들을 합하면 ∑i∣F(bi)−F(ai)∣≤∑i∫aibi∣f∣=∫⋃i[ai,bi]∣f∣<ε (보조정리를 E=⋃i[ai,bi]에 적용) — 즉 F는 절대연속입니다.
수치 확인 (F(x)=x2, δ=0.2): 구간들을 [1−δ,1]에 압축하면 ∑∣ΔF∣=1−(1−0.2)2=0.36 — 캡션과 일치하며, δ→0일 때 2δ−δ2→0이므로 "절대적" 조건이 성립합니다.
칸토어 함수 c가 절대연속이 아님을 증명하세요: n단계 칸토어 구간 2n개는 총 길이 (32)n를 가지지만 ∑∣Δc∣=1입니다.
total length=2n⋅3−n=(32)n→0,∑∣Δc∣=2n⋅2−n=1<21
n=4: 24개의 구간, 총 길이 (32)4=8116≈0.1975→0이지만 ∑∣Δc∣=1 — 항상 1이므로 절대연속 ✗.증명 보기
절대연속성을 부정합니다: ε=21에 대해 어떤 δ>0도 조건을 만족하지 않음을 보이겠습니다. n단계의 칸토어 집합은 길이 3−n인 닫힌 구간 2n개로 이루어집니다 (각 단계마다 구간이 3등분되어 가운데가 제거됨).
이들 구간들의 총 길이는 2n⋅3−n=(32)n→0이므로, 충분히 큰 n에 대해 총 길이 <δ가 됩니다. 그런데 칸토어 함수 c는 각 n단계 구간에서 정확히 2−n만큼 상승합니다 (이진 전개의 다음 자릿수가 결정됨).
따라서 ∑∣Δc∣=2n⋅2−n=1<21=ε — 총 길이가 임의로 작아져도 ∑∣Δc∣는 1에 고정됩니다. 이는 절대연속성 정의에 정면으로 위배되므로 c는 절대연속이 아닙니다. 한편 c는 균등연속이므로, 균등연속은 절대연속을 함의하지 않습니다.
수치 확인 (n=4): 총 길이 (32)4=8116≈0.1975, ∑∣Δc∣=1 — 캡션과 일치합니다. n=10에서도 총 길이는 ≈0.0173로 줄지만 ∑∣Δc∣는 여전히 1입니다.
Lipschitz 상수 L을 가진 함수 F:[a,b]→R가 절대연속임을 증명하세요 (δ=Lε을 쓰세요).
i∑∣F(bi)−F(ai)∣≤Li∑(bi−ai)<L⋅Lε=ε
F(x)=x2는 [0,1]에서 L=2인 Lipschitz 함수: δ=0.2일 때 ∑∣ΔF∣=0.36<Lδ=0.4 — Lipschitz 조건 ∣F(b)−F(a)∣≤L(b−a)가 절대연속성을 직접 줍니다.증명 보기
ε>0에 대해 δ=Lε로 둡니다 (L=0인 경우 F는 상수함수이므로 자명). 총 길이가 δ보다 작은 서로 겹치지 않는 구간 [ai,bi]들을 취합니다.
각 구간에서 ∣F(bi)−F(ai)∣≤L(bi−ai)이므로, 합하면 ∑i∣F(bi)−F(ai)∣≤L∑i(bi−ai)<Lδ=ε — 절대연속성 정의가 정확히 성립합니다.
수치 확인 (F(x)=x2, [0,1]에서 L=2): δ=0.2일 때 ∑∣ΔF∣=1−(1−0.2)2=0.36<Lδ=0.4 — 캡션과 일치하며, Lipschitz 상수가 절대연속성의 δ를 직접 제공합니다.