Dowód (prawie rysunkowy), że funkcja Cantora nie jest bezwzględnie ciągła i że wykres jest krzywą prostowalną o długości 2.

https://pl.wikipedia.org/wiki/Ciągłość_bezwzględna

 

Konstrukcja iteracyjna funkcji Cantora

              Wykresy kolejnych trzech iteracji są w trzech kolorach:

f1 w kolorze czarnym

f2  w kolorze brązowym

fw kolorze niebieskim

                                    Rys.1

Poniżej definiujemy ciąg funkcji ciągłych {ƒn} na przedziale jednostkowym, zbieżny do funkcji Cantora.

Niech ƒ0(x) = x.

Następnie dla każdej liczby całkowitej n ≥ 0, kolejną funkcję ƒn+1(x) wyrażamy za pomocą ƒn(x) następująco:

           Niech ƒn+1(x) = 0.5 × ƒn(3x),                           dla          0 ≤ x ≤ 1/3;

(*)                     Niech ƒn+1(x) = 0.5,                                           dla     1/3 ≤ x ≤ 2/3;

           Niech ƒn+1(x) = 0.5 + 0.5 × ƒn(3 x − 2),         dla      2/3 ≤ x ≤ 1.

Powyższe trzy przyporządkowania są zgodne w punktach granicznych 1/3 oraz 2/3, gdyż ƒn(0) = 0 i ƒn(1) = 1 dla każdego n, poprzez indukcję. Można sprawdzić, że ƒn jest zbieżne punktowo do funkcji Cantora zdefiniowanej powyżej. Ponadto zbieżność ta jest jednostajna. W szczególności rozdzielając na trzy przypadki zgodnie z definicją dla ƒn+1 dostrzegamy, że:

Jeśli ƒ oznacza funkcję graniczną, to wnioskujemy że dla każdego n ≥ 0

Z ostatniego warunku wynika zbieżność jednostajna ciągu fn do f na I = [0.1].

Ponadto zwrócić należy uwagę, że wybór funkcji początkowej nie jest istotny, zakładając że ƒ0(0) = 0, ƒ0(1) = 1 oraz, że ƒ0 jest ograniczona.

Nie mniej przy naszym założeniu (f0(x) = x) mamy tę korzyść, że wszystkie  funkcje fn są ciągłe i monotoniczne. To (jak sądzę) daje nam gwarancję, że funkcja graniczna f jest też monotoniczna. I że jest ciągła (wynika to z jednostajnej zbieżności ciągu  fn).

Wykres diabelskich schodów nie jest samopodobny, natomiast jest samoafiniczny.

Widać to wyraźnie na rysunku 2.

Wykres funkcji w przedziale [1,1/3] otrzymujemy z wykresu funkcji z przedziału [0.1] przez przekształcenie afiniczne x’ = x/3. y’ = y/2 ,  co wynika z opisu konstrukcji iteracyjnej (*).

                                                                                                                                                         Rys. 2  (k=1)

                                                             Rysunek powyższy ilustruje kilka własności ciągu iteracyjnego funkcji {fk} i samej funkcji granicznej, czyli funkcji Cantora.

Na prostej poziomej o równaniu y=1 mamy (od prawej do lewej) w punktach Kk((2/3)k,1) odpowiadających kolejno współrzędnym x  wypisane malejące wartości pk = (2/3)k

dla k=0,1,2,3,4,5….

Czyli równe:1, 2/3, 4/9, 8/27, 16/81, 32/243, … (2/3)k,…itd.

Punkty te są połączone z punktem O odcinkami leżącymi na prostych o równaniach  y=mx,

gdzie m przyjmuje odpowiednio wartości 1/ pk , czyli : 1, 3/2, 9/4, 27/8, 81/16, 243/32, …,(3/2) k,… itd.

Wartości 1- pk to suma długości „podestów” , czyli poziomych odcinków w k-tej iteracji, zaś samo pk to suma długości odcinków, na których wykres funkcji  fk jest odcinkiem o współczynniku nachylenia m = (3/2)k

Krzywa prostowalna – krzywa, której długość da się obliczyć, co oznacza, że istnieje dla niej granica ciągu długości łamanych wpisanych w tę krzywą coraz bardziej ją przybliżających, nazywana długością krzywej.

Punkty O i K należą do wykresu funkcji Cantora, zatem zerowe przybliżenie L0 jej długości określa długość odcinka OK i jest to √2

Punkty OABK należą do wykresu funkcji Cantora zatem  przybliżenie L1 jej długości określa suma długości odcinków OA, AB, BK. A ponieważ BK=AK1 oraz AB=K1K, więc  L1=OK1+K1K

Punkty OCDABEFK należą do wykresu funkcji Cantora zatem  przybliżenie L2 jej długości określa suma długości odcinków OC, CD, DA, AB, BE, EF, FK.

A ponieważ DA=CA1, BE=A1E1 oraz FK= E1K2,  więc OK2=OC+DA+BE+FK= √(1+(p2)2)

Podobnie   K2K=CD+AB+EF = 1-p2

I mamy:  L2=OK2+K2K= √(1+(pk)2) + 1-pk

Ogólnie mamy:  Lk=OKk+KkK = √(1+(pk)2) + 1-pk

Przy k rosnącym do nieskończoności pk dąży do zera, zaś Lk dąży do L=2  

[Ponieważ długość   pk  dąży do zera, to długość OPk dąży do jedności oraz PkK dąży do jedności. Zatem długość każdej  z krzywych wykresu fk jako suma tych wielkości dąży przy k dążącym do nieskończoności do  2.]

Dowód (przez kontrprzykład).

Przypomnijmy definicję bezwzględnej ciągłości funkcji.

Niech I będzie przedziałem na prostej  R. Funkcja

jest bezwzględnie ciągła na  jeżeli dla każdej liczby dodatniej ∑|yk-xk| = istnieje liczba dodatnia  δ taka, że o ile skończony ciąg parami rozłącznych podprzedziałów  [xk, yk] przedziału I spełnia

to

 

 Jak wiemy przy k rosnącym do nieskończoności wielkość  pk dąży do zera. A zatem dla dowolnego (małego) δ>0 znajdzie się takie k. że 0<pk< δ. Wtedy wiemy (widzimy na rys. 2), że istnieje skończony ciąg parami rozłącznych podprzedziałów  , takich, że  ∑|yk-xk| = pk< δ , ale jednocześnie ∑|f(yk)-f(xk)| = 1, a więc nie jest mniejsze od dowolnego (malego) ε >0. A zatem wymagania definicji nie mogą być spełnione.    c. b. d. o.