MA.5.2 函数的可积性

Recall: Riemann 和的局限

∫abf(x)dx=lim||T||→0∑i=0nf(ξi)Δxi

一、函数的可积性

Darboux 和

设 f 在 [a,b] 有界, 其上,下确界为 M,m. 振幅 ω=M−m

设 T:a=x0<x1<…<xn=b 是 [a,b] 的分割, 记

Mi=supf([xi−1,xi]),mi=inff([xi−1,xi])

称 S―(T)=def∑i=1nMiΔxi 及 S―(T)=def∑i=1nmiΔxi

分别为 f 在分割 T 下的Darboux上和及下和/大和及小和

Tip

S―(T)≤S(T)≤S―(T),S―(T)−S―(T)=∑i=1nωiΔxi ω为振幅

引理1:加细分割

加细分割

设 T′ 是分割 T 添加 l 个分点的加细分割,则

S―(T)−lω||T||≤S―(T′)≤S―(T)S―(T)−lω||T||≤S―(T′)≤S―(T)

Proof

只需证明 l=1 的情形, 假设分割加入 x′分割 T′:=T∪{x′}, x′∈(xk−1,xk)则 S―(T)−S―(T′)=MkΔxk−[Mk′(x′−xk−1)+Mk″(xk−x′)]≥MkΔxk−[Mk(x′−xk−1)+Mk(xk−x′)]…放缩=0且 S―(T)−S―(T′)≤Mf在[a,b]上确界Δxk−[m(x′−xk−1)+m(xk−x′)]=(M−m)Δxk=ωΔxk≤ω||T||…(Δxk≤||T||)

引理2

Lemma

设 T1 和 T2 是 [a,b] 的任意两分割,则 S―(T1)≤S―(T2)

Proof

令 T=T1∩T2(共同加细)则 S―(T1)≤S―(T)≤S―(T)≤S―(T1)

上、下积分

∫ab―f(x)dx=defsupTS―(T) 称为 f 的下积分

上、下积分与 Darboux 上、下和的关系

Corollary

结论:

S―(T)≤∫abf(x)dx≤∫ab―f(x)dx≤S―(T)

Proof

∀取 T1, T2则 S―(T1)≤S―(T2)⟹S(T1)≤infT2S―(T2)=∫ab―f(x)dx∫abf(x)dx=supT1S―(T1)≤∫ab―f(x)dx⏟最小上界 ≤ 特殊上界

Darboux 定理

设 f 在 [a,b] 有界,则

lim‖T‖→0S―(T)=∫ab―f(x)dxlim‖T‖→0S―(T)=∫ab―f(x)dx

Analysis
分析(1)的情况

即 |S―−∫―|≤ε显然 S―≤∫―+ε即证 S―>∫―−ε

Proof

根据 sup 定义(最小上界)∀ε>0, ∃分割T0:a=x0<x1<x2<⋯<xl=b使得 S―(T0)>∫abf(x)dx−ε2取δ=ε2lω+1(ω 可能为 0), ∀分割 ‖T‖<δ<ε2lω:令 T′=T∪T0, 则 T′为 T0 与 T 的共同加细则 T′ 为 T 至多添加 l 个  分点得到 ∴S―(T)≥S―(T′)−lω‖T‖≥S―(T0)−lω‖T‖>∫ab―f(x)dx−ε2−lω‖T‖ 此处回代得到 δ 具体值 >∫ab―f(x)dx−ε 而显然 S―(T)≤∫ab―f(x)dx⟹|S―(T)−∫ab―f(x)dx|<ε

可积/第I充要条件

设 f 在 [a,b] 有界, 则 f∈R[a,b]⇔

∫ab―f(x)dx=∫ab―f(x)dx

Proof

⟹

已知: ∀ε>0,∃δ>0,∀∥T∥<δ,∀ξ(T) 有:

∫abf(x)dx−ε<∑i=1nf(ξi)⋅Δxi<∫abf(x)dx+ε

让 f(ξi) 尽可能大,并不影响左右,取上确界

ξ(T) 取sup:

∫abf(x)dx−ε≤S―(T)≤S―(T)=∑i=1nsupξi∈[xi−1,xi]f(xi)⋅Δxi≤∫abf(x)dx+ε

即:

lim∥T∥→0S―(T)=∫abf(x)dx=lim∥T∥→0S¯(T)

根据 #Darboux定理

∫ab―f(x)dx=∫abf(x)dx=∫ab―f(x)dx

⟸

已知: ∫―=∫―:

∀T;∀ξ(T) 有:

S―(T)≤∑i=1nf(ξi)Δxi≤S―(T)

夹逼性:

lim∥T∥→0S―(T)≤lim∥T∥→0∑i=1nf(ξi)Δx≤lim∥T∥→0S―(T)又∵∫―=∫―∴∫ab―f(x)dx=∫abf(x)dx=∫ab―f(x)dx

推论

Corollary

设 f 在 [a,b] 有界,则 f∈R[a,b]⇔

lim‖T‖→0(S―(T)−S―(T))=lim‖T‖→0∑i=1nωiΔxi=0

ε−δ 表述

∀ε>0, ∃δ>0, ∀‖T‖<δ

∑i=1nωiΔxi≤ε

因此弱化成如下

可积/第II充要条件

设 f 在 [a,b] 有界,则 f∈R[a,b]⇔

∀ε>0, ∃ 分割 T:S―(T)−S―(T)=∑i=1nωiΔxi<ε

Proof

⟹

由推论可证(弱化)


⟸

已知 ∀ε>0, ∃T:S―(T)−S―(T)<ε

因此

0≤∫ab―f(x)dx−∫ab―f(x)dx≤S―(T)−S―(T)<ε

⇒ε=0+∫ab―f(x)dx−∫ab―f(x)dx=0

由 #可积/第I充要条件 即证

几何意义:零面积集

用任意小的矩形能够盖住函数 (零面积集)

思考

要使 ∑i=1nωiΔxi<ε:

  • 或者 ωi 很小
  • 或者虽 ωi 不小,但其对应的小区间长度和很小

=> 概念: 测度

Proposition

设 f 在 [a,b] 有界, 则其振幅

ω=supx,y∈[a,b]|f(x)−f(y)|

Analysis

用 sup 定义的两个要素即可

Proof

令 E:{|f(x)−f(y)|,x,y∈[a,b]}

M=supx∈[a,b]f(x)

m=infx∈[a,b]f(x)

即证: supE=M−m

(1)∀x,y∈[a,b] 有 m≤f(x), f(y)≤M⟹|f(x)−f(y)|≤M−m(2)∀ε>0,  根据 sup, inf 定义 ∃x0, y0∈[a,b],  使得 f(x0)>M−ε2f(y0)<m+ε2⟹E∋|f(x0)−f(y0)|≥f(x0)−f(y0)>(M−m)−ε

二、可积函数及性质证明

闭区间连续→可积

闭区间连续=>可积

若 f∈C[a,b], 则 f∈R[a,b].

Proof

由 f∈C[a,b] 及 #Cantor定理 知:

f∈U.C[a,b] 即 ∀ε>0, ∃δ>0, ∀x′, x″∈[a,b] 且 |x′−x″|<δ 有

|f(x′)−f(x″)|<εb−a

取分割 T 满足 ‖T‖<δ,则分割中 ∀x′, x″∈[xi−1,xi] , 有|x′−x″|≤‖T‖<δ

故

|f(x′−x″)|<εb−a⟹wi=supx′,x″∈[xi−1,xi]|f(x′)−f(x″)|≤εb−a

⟹∑i=1nωixi≤εb−a∑i=1nΔxi=εb−a(b−a)=ε

闭区间有界+有限间断→可积

闭区间有界+有限间断=>可积

若 f 在 [a,b] 有界, 且仅有限个间断点, 则 f∈R[a,b]

符号说明:∑T1 代表 关于 T1 的分点的指标求和

不妨设 f 仅有一个间断点 x′∈(a,b) :(不是分点)

../res/2bd8f5bmp.png

记 f 在 [a,b] 上振幅为 ω

{α=x′−ε6ωβ=x′+ε6ω 且 α, β 仍 ∈[a,b]

由于左右至少各1个区间 => 区间长度≤ε/3ω
(此时理想情况 被分为 ε3, ε3, ε3 )

则 f∈C[a,α], f∈C[β,b]

从而 f∈R[a,α], f∈R[β,b], 故 ∃ [a,α] 的分割 T1(上图橙色);[β,b] 的分割 T2(上图蓝色)

使得

∑T1ωiΔxi<ε3∑T2ωyΔxi<ε3

令 T=T1∪T2 为 [a,b] 的分割,则

∑TωiΔxi=∑T1ωiΔxi+ω[α,β]⋅ε3ω+∑T2ωyΔxi<ε3+ε3+ε3=ε

单调→可积

单调=>可积

定理 若 f 在 [a,b] 单调, 则 f∈R[a,b]

Analysis

wi 可以足够小:分割足够细即可

绝对值中同号:∑|◻|=|∑◻|

Proof

∀ε>0 取分割 T1:a=x0<x1<⋯<xl=b,满足

‖T‖<ε|f(b)−f(a)+1|…防止f(b)=f(a)

则

∑i=1nωiΔxi=∑i=1n|f(xi)−f(xi−1)|Δxi≤‖T‖∑i=1n|f(xi)−f(xi−1)|=‖T‖|∑i=1n[f(xi)−f(xi−1)]|…绝对值中同号=‖T‖⋅|f(b)−f(a)|<ε

可积→分段可积

分段可积

定理 设 f∈R[a,b]⇔f 在 [a,c] 和 [c,b] 可积

Analysis

已知:∀ε>0, ∃T0 分割 [a,b],使 ∑T0ωiΔxi<ε

Proof

⟹

令 T=T0∩{c},则 T 为 T0 加细分割

∵S―↓, S―↑⟹S―−S― ↓

∴∑TωiΔxi<∑T0ωiΔxi<ε

令 T1=T∩[a,c] (取一部分和)

显然 ∑T1ωiΔxi<∑TωiΔxi<ε

即 f∈R[a,c]

⟸

略

绝对可积

绝对可积

若 f∈R[a,b], 则 |f|∈R[a,b]

Proof

由条件:∀ε>0, ∃T,∑Tωi(f)Δxi<ε

∵∀ x′,x″∈[xi−1,xi] 有

||f(x′)|−|f(x″)||≤|f(x′)−f(x″)|

⟹

supx′,x″∈[xi−1,xi]||f(x′)|−|f(x″)||⏟ωi(|f|)≤supx′,x″∈[xi−1,xi]|f(x′)−f(x″)|⏟ωi(f)

从而

∑Tωi(|f|)Δxi≤∑Tωi(f)Δxi<ε

平方可积

平方可积

若 f∈R[a,b], 则 f2∈R[a,b]

乘积可积

乘积可积

设 f,g∈R[a,b], 则 f⋅g∈R[a,b]

复合可积

复合可积

设 f∈R[a,b], A≤f(x)≤B, g(u)∈C[A,B] 则 f(g(x))∈R[a,b]

Proof
摘自陈纪修版数学分析

由于 g(u) 在 [A,B] 连续, 所以可设 |g(u)|⩽M, 且 g(u) 一致连续(闭区间有界)

于是 ∀ε>0,∃δ>0,∀u′,u′′∈[A,B], 只要 |u′−u′′|<δ, 就成立

|g(u′)−g(u′′)|<ε2(b−a)⋅

由于 f(x) 在 [a,b] 上可积, 由上题, 对上述 ε>0 与 δ>0, 存在划分 P, 使得振幅 ωi(f)⩾δ 的小区间的长度之和小于 ε4M,于是

∑i=1nωi(g∘f)Δxi=∑ωi(f)<δωi(g∘f)Δxi+∑ωi(f)⩾δωi(g∘f)Δxi<ε2(b−a)∑ωi(ρ)<δΔxi+2M∑ωi(ρ)⩾δΔxi<ε2(b−a)(b−a)+2M⋅ε4M=ε,

即复合函数 g(f(x)) 在 [a,b] 上可积.

闭区间有界+间断点收敛→可积

间断点有极限

设 f 在 [a,b] 有界, 其间断点全体为 {xn}, 且 limn→∞xn=a ,则 f∈R[a,b].

Analysis

a+ε∼b上有有限的间断点

只要区间长度短,振幅就不会超过 lω‖‖

Proof

由条件 limx→∞xn=a, ∀ε>0∃N∈N,∀n>N, a≤xn<a+ε2ω (ω:f 在 [a,b] 上的振幅 )∴[a+ε2ω,b] 上 f 至多 N 个间断点 从而 f∈R[a+ε2ω,b]∴∃[a+ε2ω,b] 的分割 T1 使得 ∑T1ωiΔxi<ε2T:=T1∪{a}∑TωiΔxi=ω[a,a+ε/(2ω)]⏟该区间⋅ε2ω⏟振幅+∑T1ωixi<ω⋅ε2ω+ε2=ε

例题:Riemann 函数可积

Example

例 证明 Riemann 函数 R(x)={1q,x=pq0,x∈Qc 在 [0,1] 可积

Analysis

设 δ>0, [0,1] 中满足 1q>δ 的有理点 pq 至多有有限个

不妨设有 m 个,为 γ1, γ2, γ3, …, γm

对分割 T:0=x0<x1<⋯<xn=1, 记

Λ={i|ωi>σ}
Γ={i|ωi≤σ}

于是

∑TωiΔxi=∑i∈ΛωiΔxi+∑i∈ΓωiΔxi≤∑i∈ΛΔxi+σ∑i∈ΓΔxi≤‖T‖∑i∈Λ1⏟元素个数+σ⋅1

Proof

函数值小于 sigma =>振幅一定小于sigma

∀ε>0,Let σ=ε2∴ωi>σ 的子区间含 γi(1≤i≤m) 取 [0,1] 分割 Ts.t.‖T‖<ε4m∑Tωixi≤‖T‖∑i∈Λ1+σ<ε4m⋅2m+ε2=ε

Proof.2
摘自陈纪修版本数学分析

由 Riemann 函数的性质, 对任意给定的 0<ε<2 ,在 [0,1] 上使得R(x)>ε2 的点至多只有有限个

不妨设是 k 个,记为 0=p1′<p2′<⋯<pk′=1.

作 [0,1] 的划分 0=x0<x1<x2<⋯<x2k−1=1 , 使得满足

p1′∈[x0,x1),x1−x0<ε2k,

p2′∈(x2,x3),x3−x2<ε2k,

.....

pk−1′∈(x2k−4,x2k−3),x2k−3−x2k−4<ε2k,

pk′∈(x2k−2,x2k−1],x2k−1−x2k−2<ε2k,

图 7.1.6 表示的是k=3的情况.由于

∑t=12k−1ωiΔxi=∑j=0k−1ω2j+1Δx2j+1+∑j=1k−1ω2jΔx2j

而在右边的第一个和式中,有Δx2j+1<ε2k且ω2j+1≤1;
在第二个和式中,有ω2j≤ε2且∑j=1k−1Δx2j<1,

因此得到

∑i=1nωiΔxi<k⋅ε2k+ε2=ε .

由定理 7.1.3, Riemann函数可积.

证毕

../res/Pasted image 20231213224451.png|300

如图为 k=3 (有两个点超出)的情况

满足:1. γi∈(xi−1,xi);2. xi−xi−1<δ=εm