Em análise matemática , define-se a variação total de uma função
f
:
D
→
R
{\displaystyle f:D\to \mathbb {R} \,}
em um intervalo
[
a
,
b
]
⊆
D
{\displaystyle [a,b]\subseteq D\,}
como:
var
[
a
,
b
]
(
f
)
=
sup
∑
i
|
f
(
x
i
)
−
f
(
x
i
−
1
)
|
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(f)=\sup \sum _{i}\left|f(x_{i})-f(x_{i-1})\right|\,}
As variações positiva e negativa de uma função
f
:
D
→
R
{\displaystyle f:D\to \mathbb {R} \,}
em um intervalo
[
a
,
b
]
⊆
D
{\displaystyle [a,b]\subseteq D\,}
são definidas, respectivamente, como:
var
[
a
,
b
]
+
(
f
)
=
sup
∑
(
+
)
|
f
(
x
i
)
−
f
(
x
i
−
1
)
|
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}^{+}(f)=\sup \sum _{(+)}\left|f(x_{i})-f(x_{i-1})\right|\,}
var
[
a
,
b
]
−
(
f
)
=
sup
∑
(
−
)
−
|
f
(
x
i
)
−
f
(
x
i
−
1
)
|
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}^{-}(f)=\sup \sum _{(-)}-\left|f(x_{i})-f(x_{i-1})\right|\,}
Em todos os casos o supremo é tomado sob todas as possíveis partições
x
1
,
x
2
,
x
3
,
…
{\displaystyle x_{1},x_{2},x_{3},\ldots \,}
do intervalo
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]\,}
,
(
+
)
{\displaystyle (+)}
significa para todo
i
{\displaystyle i}
tal que
f
(
x
i
)
≥
f
(
x
i
−
1
)
{\displaystyle f(x_{i})\geq f(x_{i-1})}
e
(
−
)
{\displaystyle (-)}
significa para todo
i
{\displaystyle i}
tal que
f
(
x
i
)
≤
f
(
x
i
−
1
)
{\displaystyle f(x_{i})\leq f(x_{i-1})}
.
Propriedades da variação total
editar
1. Se
f
{\displaystyle f\,}
é um função monótona, então:
var
[
a
,
b
]
(
f
)
=
|
f
(
a
)
−
f
(
b
)
|
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(f)=\left|f(a)-f(b)\right|\,}
2. Se
f
{\displaystyle f\,}
uma função real, então:
var
[
a
,
b
]
(
f
)
≥
var
[
c
,
d
]
(
f
)
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(f)\geq {\hbox{var}}_{[c,d]}(f)\,}
, sempre que
a
≤
c
≤
d
≤
b
{\displaystyle a\leq c\leq d\leq b\,}
.
3. Se
f
{\displaystyle f\,}
e
g
{\displaystyle g\,}
são funções reais, vale
var
[
a
,
b
]
(
f
+
g
)
≤
var
[
a
,
b
]
(
f
)
+
var
[
a
,
b
]
(
g
)
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(f+g)\leq {\hbox{var}}_{[a,b]}(f)+{\hbox{var}}_{[a,b]}(g)\,}
,
4. Se
f
{\displaystyle f\,}
uma função real, então:
var
[
a
,
b
]
(
α
f
)
=
|
α
|
var
[
a
,
b
]
(
f
)
,
∀
α
∈
R
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(\alpha f)=|\alpha |{\hbox{var}}_{[a,b]}(f),~~\forall ~\alpha \in \mathbb {R} \,}
,
5. Se
f
{\displaystyle f\,}
uma função real, então:
var
[
a
,
c
]
(
f
)
=
var
[
c
,
b
]
(
f
)
+
var
[
b
,
c
]
(
f
)
,
∀
c
∈
[
a
,
b
]
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,c]}(f)={\hbox{var}}_{[c,b]}(f)+{\hbox{var}}_{[b,c]}(f),~~\forall ~c\in [a,b]\,}
,
Relações entre as variações total, positiva e negativa
editar
1.
var
[
a
,
b
]
(
f
)
=
var
[
a
,
b
]
+
(
f
)
+
var
[
a
,
b
]
−
(
f
)
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(f)={\hbox{var}}_{[a,b]}^{+}(f)+{\hbox{var}}_{[a,b]}^{-}(f)}
.
2.
f
(
x
)
−
f
(
a
)
=
var
[
a
,
b
]
+
(
f
)
−
var
[
a
,
b
]
−
(
f
)
{\displaystyle f(x)-f(a)={\hbox{var}}_{[a,b]}^{+}(f)-{\hbox{var}}_{[a,b]}^{-}(f)}
.
Função de variação limitada
editar
Uma função
f
{\displaystyle f}
é de variação limitada em
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
se, e somente se,
f
{\displaystyle f}
é a diferença entre duas funções crescentes limitadas.
Se
f
(
x
)
=
f
1
(
x
)
−
f
2
(
x
)
{\displaystyle f(x)=f_{1}(x)-f_{2}(x)}
, com
f
1
,
f
2
{\displaystyle f_{1},f_{2}}
crescentes e limitadas, então
var
[
a
,
b
]
(
α
f
)
=
var
[
a
,
b
]
(
α
(
f
1
(
x
)
−
f
2
(
x
)
)
)
≤
var
[
a
,
b
]
(
α
f
1
(
x
)
)
−
var
[
a
,
b
]
(
α
f
2
(
x
)
)
∞
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(\alpha f)={\hbox{var}}_{[a,b]}(\alpha (f_{1}(x)-f_{2}(x)))\leq {\hbox{var}}_{[a,b]}(\alpha f_{1}(x))-{\hbox{var}}_{[a,b]}(\alpha f_{2}(x))\infty }
.
Por outro lado, se
f
{\displaystyle f}
é devariação limitada em
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a,b]}
, então considere
f
1
(
x
)
=
var
[
a
,
b
]
+
(
f
)
{\displaystyle f_{1}(x)={\hbox{var}}_{[a,b]}^{+}(f)}
e
f
2
(
x
)
=
var
[
a
,
b
]
−
(
f
)
{\displaystyle f_{2}(x)={\hbox{var}}_{[a,b]}^{-}(f)}
. Obviamente
f
1
{\displaystyle f_{1}}
e
f
2
{\displaystyle f_{2}}
são funções crescentes e limitadas. Com isto temos que
f
(
x
)
=
var
[
a
,
b
]
+
(
f
)
+
f
(
a
)
−
var
[
a
,
b
]
−
(
f
)
=
f
1
(
x
)
+
f
2
(
x
)
{\displaystyle f(x)={\hbox{var}}_{[a,b]}^{+}(f)+f(a)-{\hbox{var}}_{[a,b]}^{-}(f)=f_{1}(x)+f_{2}(x)}
.
Relação com a diferenciabilidade
editar
Seja
f
:
D
→
R
{\displaystyle f:D\to \mathbb {R} \,}
uma função de classe
C
1
[
a
,
b
]
{\displaystyle C^{1}[a,b]\,}
, então:
var
[
a
,
b
]
(
f
)
=
∫
a
b
|
f
′
(
x
)
|
d
x
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[a,b]}(f)=\int _{a}^{b}|f'(x)|dx\,}
A continuidade , no entanto, não garante que a função seja de variação limitada, um contra-exemplo é:
f
(
x
)
=
{
x
cos
(
π
x
)
,
x
≠
0
0
,
x
=
0
{\displaystyle f(x)=\left\{{\begin{array}{ll}x\cos \left({\frac {\pi }{x}}\right),&x\neq 0\\0,&x=0\end{array}}\right.}
Esta função é contínua mas não é de variação limitada no intervalo
[
0
,
1
]
{\displaystyle [0,1]\,}
. Para provar isso considere o seguintes pontos:
x
n
=
1
n
+
1
,
f
(
x
n
)
=
1
n
+
1
(
−
1
)
n
,
n
=
0
,
1
,
2
,
…
{\displaystyle x_{n}={\frac {1}{n+1}},\quad f(x_{n})={\frac {1}{n+1}}(-1)^{n},n=0,1,2,\ldots \,}
Assim
|
f
(
x
n
)
−
f
(
x
n
−
1
)
|
=
1
n
+
1
+
1
n
>
1
/
n
,
n
=
1
,
2
,
3
,
…
{\displaystyle \left|f(x_{n})-f(x_{n-1})\right|={\frac {1}{n+1}}+{\frac {1}{n}}>1/n,n=1,2,3,\ldots \,}
Portanto,
var
[
0
,
1
]
(
f
)
≥
∑
n
=
1
∞
1
n
=
+
∞
{\displaystyle {\hbox{var}}_{[0,1]}(f)\geq \sum _{n=1}^{\infty }{\frac {1}{n}}=+\infty \,}
Relação com a integrabilidade
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Stein, Elias M.; Shakarchi, Rami (2007), Real Analysis , Princeton University .