Solution.
Define
F ( x ) = ∫ − ∞ x f ( y ) d y , F\p{x} = \int_{-\infty}^x f\p{y} \,\diff{y}, F ( x ) = ∫ − ∞ x f ( y ) d y ,
which is well-defined since f ∈ L 1 ( R ) f \in L^1\p{\R} f ∈ L 1 ( R ) . Observe that
∫ − ∞ x f ( y + h ) d y = ∫ − ∞ x + h f ( y ) d y = F ( x + h ) , \int_{-\infty}^x f\p{y + h} \,\diff{y}
= \int_{-\infty}^{x+h} f\p{y} \,\diff{y}
= F\p{x + h}, ∫ − ∞ x f ( y + h ) d y = ∫ − ∞ x + h f ( y ) d y = F ( x + h ) ,
so that
∣ F ( x + h ) − F ( x ) ∣ ≤ ∫ − ∞ x ∣ f ( y + h ) − f ( y ) ∣ d y ≤ ∫ R ∣ f ( y + h ) − f ( y ) ∣ d y , \abs{F\p{x + h} - F\p{x}}
\leq \int_{-\infty}^x \abs{f\p{y + h} - f\p{y}} \,\diff{y}
\leq \int_\R \abs{f\p{y + h} - f\p{y}} \,\diff{y}, ∣ F ( x + h ) − F ( x ) ∣ ≤ ∫ − ∞ x ∣ f ( y + h ) − f ( y ) ∣ d y ≤ ∫ R ∣ f ( y + h ) − f ( y ) ∣ d y ,
Let a , b ∈ R a, b \in \R a , b ∈ R be Lebesgue points. Then for h > 0 h > 0 h > 0 , the calculation above gives
1 2 h ∣ ( ∫ a − h a + h f ( y ) d y − ∫ b − h b + h f ( y ) d y ) ∣ = 1 2 h ∣ ( F ( a + h ) − F ( a − h ) ) − ( F ( b + h ) − F ( b − h ) ) ∣ ≤ 1 2 h ( ∣ F ( a + h ) − F ( a ) ∣ + ∣ F ( a ) − F ( a − h ) ∣ + ∣ F ( b + h ) − F ( b ) ∣ + ∣ F ( b ) − F ( b − h ) ∣ ) ≤ 1 2 h ⋅ 4 ∫ R ∣ f ( y + h ) − f ( y ) ∣ d y = 2 ∫ R ∣ f ( y + h ) − f ( y ) h ∣ d y . \begin{aligned}
\frac{1}{2h} \abs{\p{\int_{a-h}^{a+h} f\p{y} \,\diff{y} - \int_{b-h}^{b+h} f\p{y} \,\diff{y}}}
&= \frac{1}{2h} \abs{\p{F\p{a + h} - F\p{a - h}} - \p{F\p{b + h} - F\p{b - h}}} \\
&\leq \frac{1}{2h} \p{\abs{F\p{a + h} - F\p{a}} + \abs{F\p{a} - F\p{a - h}} + \abs{F\p{b + h} - F\p{b}} + \abs{F\p{b} - F\p{b - h}}} \\
&\leq \frac{1}{2h} \cdot 4 \int_\R \abs{f\p{y + h} - f\p{y}} \,\diff{y} \\
&= 2\int_\R \abs{\frac{f\p{y + h} - f\p{y}}{h}} \,\diff{y}.
\end{aligned} 2 h 1 ∣ ∣ ( ∫ a − h a + h f ( y ) d y − ∫ b − h b + h f ( y ) d y ) ∣ ∣ = 2 h 1 ∣ ( F ( a + h ) − F ( a − h ) ) − ( F ( b + h ) − F ( b − h ) ) ∣ ≤ 2 h 1 ( ∣ F ( a + h ) − F ( a ) ∣ + ∣ F ( a ) − F ( a − h ) ∣ + ∣ F ( b + h ) − F ( b ) ∣ + ∣ F ( b ) − F ( b − h ) ∣ ) ≤ 2 h 1 ⋅ 4 ∫ R ∣ f ( y + h ) − f ( y ) ∣ d y = 2 ∫ R ∣ ∣ h f ( y + h ) − f ( y ) ∣ ∣ d y .
By the Lebesgue differentiation theorem, we get
∣ f ( a ) − f ( b ) ∣ ≤ 2 lim sup h → 0 ∫ R ∣ f ( y + h ) − f ( y ) h ∣ d y = 0 , \abs{f\p{a} - f\p{b}}
\leq 2\limsup_{h\to0} \int_\R \abs{\frac{f\p{y + h} - f\p{y}}{h}} \,\diff{y}
= 0, ∣ f ( a ) − f ( b ) ∣ ≤ 2 h → 0 lim sup ∫ R ∣ ∣ h f ( y + h ) − f ( y ) ∣ ∣ d y = 0 ,
by assumption, i.e., f ( a ) = f ( b ) f\p{a} = f\p{b} f ( a ) = f ( b ) . Thus, because almost every x ∈ R x \in \R x ∈ R is a Lebesgue point, we see that f f f must be a constant. Since f ∈ L 1 ( R ) f \in L^1\p{\R} f ∈ L 1 ( R ) , it follows that f = 0 f = 0 f = 0 , which was what we wanted to show.