TEOREMA KEKONVERGENAN MONOTON UNTUK INTEGRAL MCSHANE FUNGSI BERNILAI DI RUANG BANACH Herry Pribawanto Suryawan Jurusan Matematika Universitas Sanata Dharma Yogyakarta E-mail:
[email protected]
Abstrak. Integral McShane merupakan integral tipe Riemann yang ekuivalen dengan integral Lebesgue dan termuat di dalam integral Henstock-Kurzweil. Di dalam makalah ini dibicarakan suatu perumuman integral McShane yakni untuk fungsi yang bemilai di ruang Banach. Selanjutnya dengan menggunakan sifat-sifat dasar dari integral ini akan dibuktikan suatu versi teorema kekonvergenan monoton yang terkait. Kata kunci: integral McShane, teorema kekonvergenan monoton, mang Banach 1.
Pendahuluan
Salah satu konsep dasar dalam analisis adalah teori integral, dan salah satu Jenis integral yang cukup populer adalah integral Riemann. Telah diketahui bahwa integral Riemann mempunyai beberapa kelemahan dari sisi teoritis maupun aplikasinya. Integral Lebesgue lahir sebagai Jawaban atas permasaiahan ini dan menjadi integral standar yang dipakai matematikawan maupun pengguna matematika. Sayangnya, integral Lebesgue dikembangkan melalui konsep ukuran yang tidaklah mudah. Selain itu integral Lebesgue Juga masih memiliki kekurangan, sebagai contoh integral Lebesgue tidak memuat integral Riemann tak wajar. Pada sekitar tahun 1960, J. Kurzweil dan R. Henstock, secara independen, menemukan suatu integral tipe Riemann yang dikenal sebagai integral Henstock-Kurzweil, dan temyata integral ini memuat integral Newton, integral Lebesgue, dan integral Riemann tak waJar. Selanjutnya, E. J. McShane melakukan sedikit modifikasi pada deflnisi integral Henstock-Kurzweil, dan integral yang diperoleh dikenal sebagai integral McShane. Integral ini merupakan integral tipe Riemann yang termuat di dalam integral Henstock-Kurzweil, serta ekuivalen dengan integral Lebesgue di ruang Euklid. Lihat Gordon [1] atau Swartz [7]. Salah satu aspek penelitian terhadap berbagai Jenis integral yang ada adalah memperumum domain serta kodomain dari fungsi yang terkait. Di dalam makalah ini akan dibicarakan perumuman integral McShane untuk fungsi yang terdefinisi pada garis real dan mempunyai nilai pada ruang Banach, seperti pada Swartz [6]. Selanjutnya akan dibahas sifat-sifat dasar dari integral ini, dan pada akhimya sifat-sifat tersebut akan digunakan untuk membuktikan suatu versi teorema kekonvergenan monoton untuk integral ini. Di dalam makalah ini tidak ditemukan hal baru karena penulis hanya mengkolaborasikan beberapa basil sebelumnya antara lain Gordon [2], Swartz [6], dan Ye [8]. 2.
Integral McShane Fungsi Bernilai di Ruang Banach
Misalkan R' adalah sistem bilangan real yang diperluas, A' adalah ruang Banach atas bilangan real, dan X' adalah ruang dual dari X . Setiap fungsi f .R-^ X diasumsikan diperluas ke R' dengan menetapkan /(±03) = 0. Gauge pada R' adalah fungsi y yang mengaitkan setiap t&R'
19
dengan sebuah lingkungan y(/) dari t. Partisi pada R adalah koleksi berhingga interval tertutup-kiri / , i = \,...,n,
sehingga berlaku R=[jl,
• Partisi McShane pada R adalah koleksi
1.1
berhingga | ( / , / ) : 1 < / < n } sehingga { / } adalah partisi pada R dan leR'.
Dalam hal ini (
disebut sebagai titik terkait dari / , . Perlu dicatat bahwa titik terkait /. tidak harus berada di dalam / , tetapi di dalam R'. Hal inilah yang membedakan integral McShane dengan integral Henstock-Kurzweil. Ini dapat dilihat pada Gordon [1] atau Swartz [7]. Apabila y suatu gauge pada R', partisi McShane / = l , . . . , n . Jika /
( / , , / ) : 1 < / < « | dikatakan y-fine jika. / c : y ( / , )
untuk setiap
interval di dalam R', maka panjangnya ditulis dengan m(I). Apabila
D = | ( / , , / , ) : 1 < / ^ « | adalah partisi McShane dan / :R-^X
, maka jumlah Riemann fungsi /
terhadap D adalah Sif,D)
=
±fiOm(r). 1=1
Eksistensi partisi McShane yang y -fine diberikan oleh Lema Cousin, lihat Gordon [1], Swartz [7] atau Ye [9]. Definisi 1. Fungsi f.R->X
terintegral McShane pada R jika terdapat ve: X sehingga untuk
setiap 8 > 0 terdapat gauge y pada
R' sehingga \S{f, D) - v|| < 8 untuk setiap
partisi
McShane y-fine D pada R. Vektor V disebut integral McShane fungsi / atas R dan ditulis dengan £ / . Teorema berikutnya menyatakan bahwa koleksi semua fungsi yang terintegral McShane membentuk ruang linear. Pembuktian teorema ini cukup mudah sehingga tidak diberikan di sini dan dapat dilihat pada Suryawan [5] atau Ye [9]. Teorema 2. Jika fungsi-fungsi f,g:R-^X
terintegral McShane pada R, maka
(a) f + g terintegral McShane pada R dan (b) kf terintegral McShane pada R dan ^kf
J[(/ + g^)-£/+j[s' -h^^f.
Selanjutnya diberikan kriteria Cauchy untuk keterintegralan McShane fungsi bemilai di mang Banach. Teorema 3. Fungsi f .R-^ X terintegral McShane pada R jika dan hanya jika untuk setiap 8 > 0 terdapat gauge y pada R' sehingga berlaku J / ( r ) m ( / ) - X / ( y ) m ( J ) <8 /.I
untuk setiap partisi McShane [[jj)Bukti: Jika / sehingga berlaku
...(1)
.=1
\<j
dan [{J„s):
1 < / < r | yang y -fine.
terintegral McShane pada R, maka untuk setiap e > 0 terdapat gauge y ^ / ( / ^ ) / « ( / ) - J ^ / < ^ untuk setiap partisi McShane | ( / : 1
yang y -fine. Oleh karena itu berlaku
20
,'l
J=l
/ - I
1 I
"
/.I
e 8 < —+ — 2 2
untuk setiap partisi McShane ( / . , / ^ ) : 1
dan { ( J , s , ) : 1 < / < / ' | yang y-y?A7B.
Sebaliknya, diberikan sebarang 8 > 0 , tulis 5 ( 8 ) = S(f,D)
= ±f(t,)miI,):D
=
{(JM,)A
dengan D sebarang partisi McShane yang y -fine. Himpunan 5 ( 8 ) tidak kosong menurut Lema Cousin.
Perhatikan
( / ^ , / ^ ) : l < y
karena
hubungan
(1)
berlaku
untuk
setiap
partisi
McShane
dan | ( y , , s , ) : l < / < / • } yang y-y//iB, maka diperoleh diamS{z)
menyatakan diameter himpunan 5 ( 8 ) di dalam ruang Banach X).
(di sini
Lebih lanjut
apabila 8, < 8 j maka 5 ( 8 , ) c 5 ( 8 ^ ) , karena dapat dipilih gauge y, dan y, yang berturut-turut berkorespondensi dengan
8, dan 8^ sehingga
y,(/)
untuk teR.
Jadi himpunan
P|5(8) = 5 ^ e A ' terdiri dari satu titik tunggal, karena X
merupakan ruang Banach. Untuk
suatu
| | X / ( 0 ' " ( ' ^ / ) ~ ' ^ ; <e
jumlah
Riemann
5(/,/))
diperoleh
apabila
D = { ( J ,/ ) : 1 < / < A} sebarang partisi McShane yang y -fine. •
Untuk keperluan pembahasan selanjutnya akan diberikan satu sifat yang cukup penting yang dikenal sebagai Lema Saks-Henstock. Jika | ( / , , r , ) : l < / < « | adalah sebarang koleksi interval setengah tertutup pada R yang sepasang-sepasang saling asing dan t,&R', |(/,,/,): 1 < / < / j | I J / , -R),
disebut partisi McShane parsial pada R (catat bahwa tidak harus berlaku
dan koleksi demikian dikatakan y -fmejika /, c y ( r , ) untuk setiap / = \,...,n .
Lema 4. (Lema Saks-Henstock) Diberikan fungsi f .R^ sebarang. Misalkan gauge y pada R' memenuhi McShane
maka koleksi
| ( / , t ) : 1 < /
pada
R yang y-fine.
X terintegral McShane dan 8 > 0 < 8 untuk setiap partisi
Jika
| ( / , , y ) : 1 < / <7j|
sebarang partisi
McShane parsial pada R yang y -fine, maka t\f{t,)m{I,)-[f] Bukti: Misalkan ^{^K^,r^:\<
<8.
y < ^ | sebarang partisi McShane parsial pada R yang
y-fine,
maka R - | J i n t A . terdiri dari koleksi berhingga interval di dalam R yang tak saling tumpang tindih A / , , / = l , . . . , r . Fungsi / terintegral McShane pada R, dan oleh karenanya j /
ada,
dan menurut definisi untuk sebarang r | > 0 terdapat gauge y, pada A/, dengan y , ( / ) < y ( / )
21
untuk teM,,
sehingga untuk setiap / = !,...,r berlaku '^f{s',)m{N[)-[j
\N[,s[):\
adalah
partisi
+ suatu
partisi
pada
M,
yang
y,-fi"^-
dengan
Jumlahan
menyatakan suatu jumlahan yang berkorespondensi dengan McShane
pada
)/M(K^)-i-Xi^/U')'"(^')- 1 / y.l
McShane
<— ,
R
yang
y-fine,
dan
akibatnya
< e. Dengan demikian berlaku
(=1 y=i
t\f7j)m{Kfi-if\ y.l t
+ 1
< tfirfimiK^j+ttn^'^^^m-Lf ' t
/ . l
M
M
/ - I
/-I
L/|| ' II
<e-i-r.r +l <8-i-ri. Karena pengambilan r| > 0 sebarang maka terbuktilah pemyataan pada teorema. • Misalkan M{R,X)
menyatakan ruang fungsi bemilai di mang Banach Jf yang terintegral
McShane. Jika X = R maka ditulis M(R,R)-M(R).
Ruang M{R)
norma | | / | = | , | / | , lihat McShane [4]. Misalkan feM(R,X), x'f eM(R)
dan (^x', j^f^ = j^x'f,
lengkap terhadap semi-
maka untuk setiap
x'eX',
seperti pada Gordon [2]. Jadi kita dapat mendefinisikan
operator linear F: X' -> M(R) dengan Fx' = x'f . Di dalam McShane [4] diperlihatkan bahwa F mempunyai graph tertutup, dan oleh karenanya menurut Teorema Graph Tertutup, F kontinu. Dari sini, dapat dideflnisikan semi-norma pada M(R,X) sebagai 11/ I = sup I £ x'f : fx'l < l | dimana supremum ini berhingga karena kekontinuan F . Dalam beberapa hal kita akan lebih mudah bekerja apabila menggunakan semi-norma yang ekuivalen dengan || | . Misalkan A adalah aljabar dari subhimpunan R yang dibangun oleh interval setengah tertutup [a,b) di dalam R . Kita memperluas fungsi panjang m ke A untuk memperoleh suatu fungsi aditif, yang tetap dinotasikan dengan m, pada A . Jika / G maka /
terintegral pada setiap AeA
dan didefinisikan | | / [ = s u p |
J / :AeA
M{R,X),
. Akan
ditunjukkan bahwa || | dan |j |[ ekuivalen. Untuk hal tersebut kita memerlukan lema berikut. Lema 5. (Swartz [6]). Misalkan (peM(R)dan
:A-^R
adalah integral tak tentu dari tp
yang didefinisikan oleh tt>iA) = J,9 • Maka v()(J?) = |, 9 • (Dalam hal ini v{^) menyatakan variasi dari O yang dihitung terhadap aljabar A ). Bukti: Jika {4 :1 < / < «} sebarang partisi pada R dengan 4 ^ ^ ' maka berlaku ^|C>(4)| ^ X j
IM ' sehingga v(0)(/?) ^ f l^l • Sebaliknya, pertama diasumsikan bahwa
9 adalah fungsi tangga. Jadi 9 = XAX,,. > dengan 4 e ^ ' { 4 : 1 ^ ^ ^ " } adalah partisi pada R (=1
dan X., menyatakan fungsi karakteristik pada A .Dari sini didapatkan
22
y | 0 ( 4 ) | = Xk*l'"(A)= Sekarang
diasumsikan
[ 9 ^v{(t>){R).
(f>eM{R).
| ^ | 9 , - 9 I - > 0 (McShane [ 4 ] ) . AeA.
Akibatnya v()(R)= flcp untuk fungsi tangga 9 . Ambil
barisan
fungsi
tangga
{9,}
J 9 j - > J [ ^ | 9 | . Tulis
Perhatikan bahwa
sehingga
J 9 , untuk
Menurut ketaksamaan pada bagian pertama dari bukti, berlaku
v((I>, X5)-v(){R)< j [ | 9 , - 9 I . Dengan demikian kita memperoleh lim v(cD,)(/) = lim J J 9 J = v((I>X5) = JJ9I.
•
Catatan. Kesamaan pada Lema 5 merupakan hal yang sudah kita ketahui untuk kasus integral Lebesgue, setidaknya apabila variasi dihitung terhadap aljabar-a dari himpunan terukur Lebesgue. Sekarang akan ditunjukkan ekuivalensi || | dan Lema 6. (Swartz [6]).
<2
Bukti: Ambil sebarang / e M{R,X), l/f,
maka
= sup{ |£;c7|: A e A,\\x'\\ <\\< sup{ l\x'f\:\\x'\\ < l)
Untuk x' e X', ||y < 1 , menggunakan Lema 5 diperoleh 1/1 = sup{ l\x'/\: \\x'\\ < 1} = sup{v( j [ x / ) ( / ? ) :
< l}
<2sup{ | | x / | : ^ e A , | | y | | < l = 2||/i'.. Terbuktilah bahwa kedua semi-norma tersebut ekuivalen.
3.
•
Teorema Kekonvergenan Monoton
Sekarang pada bagian ini akan dibuktikan suatu versi teorema kekonvergenan monoton untuk integral McShane yang telah dideskripsikan di atas. Pada kasus X = R teorema ini tidak lain adalah teorema kekonvergenan monoton klasik yang sudah kita kenal, misalnya pada integral Lebesgue. Pembicaraan dimulai dengan lema berikut. Lema 7. Terdapat fungsi posit if 9 : / ? - > ( 0 , o o )
terintegral McShane, dan gauge
y{=yfi
sehingga 0 < 5 ( 9 , D) < 1 untuk setiap partisi McShane D yang y -fine. Bukti: Ambil sebarang fungsi positif 9 yang terintegral McShane sehingga f 9 = ^ . Terdapat JR 2 gauge y
sehingga
5 ( 9 , D ) - - <—
apabila D partisi McShane yang y-fine.
Misalkan
D = ) ( / , r ) : 1 < ; < « | adalah suatu partisi McShane parsial pada R yang y-fine, / = [ J / . Menurut Lema Saks-Henstock berlaku i'\
sebagaimana akan ditunjukkan, karena ^ 9 < ^ . •
23
5(9,Z))-
9 <— sehingga 2
dan tulis
5(9,Z))<]
Teorema 8. Jika
eM(R,X)
Ylsl < '
S
untuk setiap k, dan g = ^gt [g = £
6
[ 5 . ' dan £ g , - g
titik demi titik pada R dengan -> 0 untuk
«
- >
00.
Bukti: Ambil sebarang 8 > 0 dan bentuk G, = £ g t • Karena £ | f g j l ^ £ | | 5 t | f , < °o (Lema 6), go
maka deret XI^J
konvergen mutlak mengingat bahwa X
adalah ruang Banach. Untuk
penyederhanaan, notasikan v = £ J^g,. Untuk setiap A , y, adalah gauge untuk G^ sehingga |5(Gj,Z))-[GJ|<-^
apabila D bersifat y^-fine.
setiap t G / ? terdapat n(t)>n,,
sehingga k>n(t)
Ambil «„ sehingga
Xl^Jj, < £ • Untuk
berakibat j G / O - g ( 0 | < ^ 9 ( 0 , dimana 9
adalah fungsi pada Lema 7. Definisikan gawge y sebagai y(0 = Y„,„(0'^y,(0 untuk teR
dan
y(±oo) = 0 . Misalkan £> = { ( / , , / , ) : 1 < / < /i} adalah partisi y-fine pada /?', maka
it.)/"(/,)- Z J
\\S(g, D)-v\\=±\tg. ^ Z
Z 5.(0'"(^,)
...(2)
g.
t\fgM)miJ)-flg]^i
Z
Pertama, akan dicari estimasi untuk 7j dengan memanfaatkan Lema 7, sebagai berikut
Z
gM) mil,)
Maka menurut Lema Saks-
Henstock, |:{G„„,(/)m(/)-|G,„}
ZZk,,,(/.)/"(/,)-|G,,}
^Z
zk,(0'«(/.)-i,G„,,
^ z <=1
/
<e. Untuk r,, perhatikan bahwa deret dalam / konvergen mutlak, maka
24
T; =sup t
t
\/g.
^Zlkll,
<s. Dengan demikian menurut (2), | | 5 ( g , D ) - v <38 dan g terintegral McShane pada R dengan nilai integral v . Untuk yang terakhir, menurut bagian pertama dari teorema, apabila maka
yang berakibat | g -
AeA,
j'^ —> 0 untuk « - > oo . •
Teorema 8 dapat dipandang sebagai analogi Teorema Kekonvergenan Monoton untuk fungsi bemilai di ruang Banach yang terintegral McShane. Jelasnya, misalkan f eM(R) yang memenuhi 0 < / < / < . . . , / = l i m / , dan sup i [ /
kondisi
pada
Teorema
8
dipenuhi
sehingga
^g, =/
1=1
dengan /„ = 0, terintegral,
dan
2J I ^ * ~ i - ^ " ~^ i - ^ ' " i s f ^ P ^ k a n Teorema Kekonvergenan Monoton (klasik) untuk integral McShane. Teorema 8 juga mempunyai akibat yang cukup penting kaitannya dengan pembuktian kelengkapan mang M(R). Akibat 9. Misalkan feM bersifat
^ - Cauchy, maka f
Bukti: Ambil subbarisan Z>-i^ i = / , . , ~ / , ~ ^ / ~ / . , / - /
(R, X) dan misalkan lim / = /
terintegral, dan
titik demi titik pada R. Jika [ /,}
terintegral dan / - / | | , -> 0 .
-/,,||<~r > dan tulis g, = /
} yang memenuhi /
dtik demi titik dan Z l k i l l ,
ts.-if-f^
- f
- / „ . Maka
sehingga Teorema 8 berakibat
-> 0. Karena argumentasi yang sama
dapat diterapkan pada setiap subbarisan dari { / . } maka diperoleh | | / - / |
0. •
4. Kesimpulan Telah dikonstruksi integral McShane fungsi bemilai di ruang Banach sebagai perumuman integral McShane. Beberapa sifat dasar yaitu sifat kelinearan, kriteria Cauchy, dan Lema SaksHenstock juga dibuktikan. Suatu analogi teorema kekonvergenan monoton untuk integral ini juga telah dibuktikan hanya dengan menggunakan sifat-sifat dasar yang dibicarakan sebelumnya.
25
Daftar Pustaka [1] Gordon, R. A., The Integrals of Lebesgue, Denjoy, Perron, and Henstock, Grad. Stud. In Math. 4 , American Mathematical Society, 1994. [2] Gordon, R. A., "The McShane Integral of Banach-valued Functions " in Illinois J. Math. , 34, 1990, p. 557-567. [3] Kurzweil, J. and Schwabik, S., "McShane Integrability and Vitali's Convergence Theorem " in Mathematica Bohemica 129, 2004, p. 141-157. [4] McShane, E. J., Unified Integration, New York : Academic Press, 1983. [5] Suryawan, H. P., "Integral McShane Fungsi Bernilai-Banach", Presiding Konferensi Nasional Matematika Universitas Negeri Yogyakarta 25 Agustus 2007, hal. 41 -50. [6] Swartz, C , "Beppo Levi's Theorem for The Vector-Valued McShane Integral and Applications" in Bull. Belg. Math. Soc. 4, 1997, p. 589-599. [7] Swartz, C., Introduction to Gauge Integrals, Singapore: World Scientific, 2001. [8] Ye, G. and Schwabik, S., "The McShane and The Weak McShane Integrals of Banach Spacevalued Functions defined on R" " in Mathematical Notes (Miskolc) 2, 2001, p. 127-136. [9] Ye, G. and Schwabik, S., Topics in Banach Space Integration, Singapore: World Scientific, 2005
26
