- Dirichletsche Funktion
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Die Dirichlet-Funktion (nach dem deutschen Mathematiker Peter Gustav Lejeune Dirichlet, manchmal auch als Dirichletsche Sprungfunktion bezeichnet) ist eine mathematische Funktion, die üblicherweise mit D(x) bezeichnet wird und folgendermaßen definiert ist:
Sie ist ein Beispiel für
- eine an jeder Stelle ihres Definitionsbereiches unstetige Funktion,
- eine Funktion der zweiten Klasse in der Klassifikation von Baire:
-
- ,
- eine Lebesgue-integrierbare Funktion, die aber nicht Riemann-integrierbar ist.
Inhaltsverzeichnis
Riemann-Integrierbarkeit
Die Dirichlet-Funktion ist in keinem echten Intervall Riemann-integrierbar, da für jede Zerlegung Z im Teilintervall stets sowohl rationale als auch irrationale Zahlen liegen und somit
- die Untersumme
stets 0 ist (weil das Infimum stets 0 ist) und
- die Obersumme
stets die Länge des Intervalles über das integriert wird ist (weil das Supremum immer 1 ist und somit einfach die Länge der einzelnen Teilintervalle addiert wird).
Riemann-Integrierbarkeit verlangt aber gerade die Gleichheit, also dass gilt:
Da aber für jede beliebigen Zerlegungen die Unter- und Obersummen nicht gegen den gleichen Wert konvergieren, ist D(x) auf keinem Intervall Riemann-integrierbar.
Lebesgue-Integrierbarkeit
Da die Dirichlet-Funktion eine einfache Funktion ist, also eine Funktion, die nur endlich viele Werte annimmt, die noch dazu nichtnegativ sind, lässt sich das Lebesgue-Integral über ein beliebiges Intervall I wie folgt schreiben:
wobei λ für das Lebesgue-Maß steht.
Bei jedem beliebigen Wert von ergibt sich aus der Multiplikation mit 0 das Resultat 0. Das gilt aufgrund einer Konvention in der Maßtheorie auch dann, wenn der andere Faktor unendlich ist. Im Gegensatz dazu ist stets 0, da die Punktmenge der rationalen Zahlen abzählbar ist.
Insgesamt ergibt sich damit für die Dirichlet-Funktion in jedem Intervall:
Verwandte Funktion
Eine verwandte Funktion ist auf [0;1] wie folgt definiert:
Sie ist an jeder rationalen Stelle ihres Definitionsbereich unstetig und an jeder irrationalen Stelle stetig und auch integrierbar:
Sie wird unter anderem etwa Thomaes Funktion genannt (en).
Weblinks
- Eric W. Weisstein: Dirichlet-Funktion auf MathWorld (englisch)
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