高等微积分笔记 Lesson 24

高等微积分 Lesson 24

Riemann 积分

来自于 Archimedes 算面积的方法.

∫abf(x)dx=lim⁡λ(p)→0∑i=1nf(ξi)Δxi ,λ(p)=max⁡i{∣Ii∣=Δxi}\int_a^bf(x)\text{d}x=\lim_{\lambda(p)\to0}\sum_{i=1}^nf(\xi_i)\Delta x_i\,,\quad\lambda(p)=\max_i\{|I_i|=\Delta x_i\}

几何意义是对非负的ff,∫abf=f\int_a^bf=f在xx轴上方的图像及x=ax=a、x=bx=b、y=0y=0围成的面积. 一般的ff而言,∫abf\int_a^bf是面积的代数和,即Sabove x−Sbelow xS_{\text{above }x}-S_{\text{below }x}.

如何判断ff是否可积呢?

/Claim/ (必要性)

可积函数一定有界. 也就是,f∈R([a,b])f\in\mathcal{R}([a,b]) ⟹\Longrightarrow ff在[a,b][a,b]上有界.

以下假设ff有界,可以对积分引入等价定义,这个定义虽然脱离了几何,但是避免了选点的麻烦.

Darboux 上和:

U(P,f)=∑i=1n(sup⁡x∈Iif(x))ΔxiU(P,f)=\sum_{i=1}^n(\sup_{x\in I_i}f(x))\Delta x_i

Darboux 下和:

L(P,f)=∑i=1n(inf⁡x∈Iif(x))ΔxiL(P,f)=\sum_{i=1}^n(\inf_{x\in I_i}f(x))\Delta x_i

若PP细分成P′P',即引入剖分点,则U(P′,f)≤U(P,f)U(P',f)\leq U(P,f),L(P′,f)≥L(P,f)L(P',f)\geq L(P,f). 由此知,∀\forall剖分P1,P2P_1,P_2有

L(P1,f)≤L(P1∪P2,f)≤U(P1∪P2,f)≤U(P2,f)L(P_1,f)\leq L(P_1\cup P_2,f)\leq U(P_1\cup P_2,f)\leq U(P_2,f)

可知,inf⁡PU(P,f)\underset{P}{\inf}U(P,f)存在,记为U\text{U};sup⁡PL(P,f)\underset{P}{\sup}L(P,f)存在,记为L\text{L},且L≤U\text{L}\leq\text{U}.

/Theorem/

对有界的ff,有ff可积 ⟺\Longleftrightarrow U=L\text{U}=\text{L} ⟺\Longleftrightarrow ∀ε>0\forall\varepsilon>0,∃\exist剖分PP使得U(P,f)−L(P,f)<εU(P,f)-L(P,f)<\varepsilon.

进一步有∫abf=L=U\int_a^bf=\text{L}=\text{U}.

这样定义积分的好处是,不涉及“选点方案”,不需要处理极限的存在性问题,只需要对某一个ε>0\varepsilon>0,找一个剖分PP使得U(P,f)−L(P,f)<εU(P,f)-L(P,f)<\varepsilon.

U(P,f)−L(P,f)=∑i=1nsup⁡x∈Iif(α)∣Ii∣−∑i=1ninf⁡y∈Iif(y)∣Ii∣=∑i=1nsup⁡x,y∈Ii(f(x)−f(y))∣Ii∣\begin{aligned} U(P,f)-L(P,f)&=\sum_{i=1}^n\sup_{x\in I_i}f(\alpha)|I_i|-\sum_{i=1}^n\inf_{y\in I_i}f(y)|I_i|\\ &=\sum_{i=1}^n\sup_{x,y\in I_i}(f(x)-f(y))|I_i| \end{aligned}

/Definition/

∑i=1nsup⁡x,y∈Ii(f(x)−f(y))∣Ii∣\sum_{i=1}^n\sup_{x,y\in I_i}(f(x)-f(y))|I_i|叫做ff在IiI_i上的振幅.

这些是上节课的内容,我们略去了对上面定理的证明,这些能在去年的课程回放中找到(艾神讲不完课了)

/Theorem/ (Riemann-Lebesgue)

ff在[a,b][a,b]上可积 ⟺\Longleftrightarrow ff在[a,b][a,b]上有界,且ff在[a,b][a,b]上的间断点构成的集合D(f)D(f)是零测集.

其中,间断点集合D(f)={x∈[a,b]∣xD(f)=\{x\in[a,b]|x是ff的间断点}\}.

这个定理在去年上课的时候详细讲解了证明方法,但是讲了两个多小时,今年没有时间,所以我们下面用一种简单的方法讲一讲.

/Definition/

称E⊆RE\subseteq\R是零测集,如果∀ε>0\forall\varepsilon>0,∃\exist可数多个开区间J1,J2,⋯ ,JnJ_1,J_2,\cdots,J_n使得

⋃k=1∞Jk⊇E and ∑k=1∞∣Jk∣<ε\bigcup_{k=1}^\infty J_k\supseteq E\text{ and }\sum_{k=1}^\infty|J_k|<\varepsilon

(直观理解是用总长度<ε<\varepsilon的材料可以覆盖住EE,∀ε>0\forall\varepsilon>0 ⟹\Longrightarrow EE长度是00.)

Riemann-Lebesgue 定义的ff可积 ⟺\Longleftrightarrow ff有界,且ff的间断点集很小(零测).

/Theorem/ (Riemann-Lebesgue 的推论)

连续函数皆可积.

一些零测集的例子:有限点集、可数集、Q\mathbb{Q}、零测集的子集……

/Claim/

可数多个零测集之并是零测的.

/Proof/

设E=⋃∞n=1EnE=\underset{n=1}{\overset{\infty}{\bigcup}}E_n,且每个EnE_n都是零测集,来证明EE也是零测集.

∀ε>0\forall\varepsilon>0,有EnE_n零测的定义知道∃\exist开区间{Jn,i}i=1∞\{J_{n,i}\}_{i=1}^\infty,使得

⋃i=1∞Jn,i⊇En ,∑i=1∞∣Jn,i∣<ε2n⟹⋃n=1∞⋃i=1∞Jn,i⊇⋃n=1∞En=Eand ∑n=1∞∑i=1∞∣Jn,i∣<∑n=1∞ε2n=ε\bigcup_{i=1}^\infty J_{n,i}\supseteq E_n\,,\quad\sum_{i=1}^\infty|J_{n,i}|<\frac{\varepsilon}{2^n}\\ \Longrightarrow\bigcup_{n=1}^\infty\bigcup_{i=1}^\infty J_{n,i}\supseteq\bigcup_{n=1}^\infty E_n=E\\ \text{and }\sum_{n=1}^\infty\sum_{i=1}^\infty|J_{n,i}|<\sum_{n=1}^\infty\frac{\varepsilon}{2^n}=\varepsilon

验证{Jn,i}n,i∈Z+\{J_{n,i}\}_{n,i\in\mathbb{Z}_+}是可数多个开区间,用对角线法则(和 Dedekind 分割类似).

证毕.

现在就能尝试解释 Riemann-Lebesgue 定理.

U(P,f)−L(P,f)=∑i=1n(fU(P,f)-L(P,f)=\sum_{i=1}^n(f在IiI_i上的振幅)⋅∣Ii∣)\cdot|I_i|,关心ff在IiI_i上的振幅.

step 0:用振幅刻画连续 / 间断点,

osc(f,x,r)=sup⁡y,z∈(x−r,x+r)∩[a,b](f(y)−f(z))\text{osc}(f,x,r)=\sup_{y,z\in(x-r,x+r)\cap[a,b]}(f(y)-f(z))

这就是ff在xx的rr邻域中的振幅,显然osc(f,x,r)\text{osc}(f,x,r)随着rr的减小而减小,可知当osc(f,x,r)\text{osc}(f,x,r)不断减小趋于极限值时,会得到

osc(f,x)=lim⁡r→0+osc(f,x,r)\text{osc}(f,x)=\lim_{r\to0+}\text{osc}(f,x,r)

简称为ff在xx附近的振幅.

下面引入引理:xx是ff的间断点 ⟺\Longleftrightarrow osc(f,x)>0\text{osc}(f,x)>0,即xx是连续点 ⟺\Longleftrightarrow osc(f,x)=0\text{osc}(f,x)=0.

/Proof/ (引理证明)

“⟹\Longrightarrow”证明:设ff在xx处连续,∀ε>0\forall\varepsilon>0,∃δ>0\exist\delta>0使得∀∣y−x∣<δ\forall|y-x|<\delta有∣f(y)−f(x)∣<ε/2|f(y)-f(x)|<\varepsilon/2,∀y,z∈(x−δ,x+δ)∩[a,b]\forall y,z\in(x-\delta,x+\delta)\cap[a,b]有∣f(y)−f(x)∣<ε/2|f(y)-f(x)|<\varepsilon/2和∣f(z)−f(x)∣<ε/2|f(z)-f(x)|<\varepsilon/2.

所以∣f(y)−f(z)∣<ε|f(y)-f(z)|<\varepsilon,也就是osc(f,x,δ)≤ε\text{osc}(f,x,\delta)\leq\varepsilon,进而∀0<r<δ\forall0<r<\delta有

osc(f,x,r)≤osc(f,x,δ)<ε\text{osc}(f,x,r)\leq\text{osc}(f,x,\delta)<\varepsilon

表明:

osc(f,x)=lim⁡r→0+osc(f,x,r)=0\text{osc}(f,x)=\lim_{r\to0+}\text{osc}(f,x,r)=0

“⟸\Longleftarrow”证明:设osc(f,x)=0\text{osc}(f,x)=0,由定义知道∀ε>0\forall\varepsilon>0,∃δ>0\exist\delta>0使得∀0<r<δ\forall0<r<\delta有osc(f,x,r)<ε\text{osc}(f,x,r)<\varepsilon,而osc(f,x,r)=sup⁡∣f(y)−f(z)∣\text{osc}(f,x,r)=\sup|f(y)-f(z)|.

所以∀y,z∈(x−r,x+r)∩[a,b]\forall y,z\in(x-r,x+r)\cap[a,b],有∣f(y)−f(z)∣<ε|f(y)-f(z)|<\varepsilon,取z=xz=x,知道∀y∈(x−r,x+r)∩[a,b]\forall y\in(x-r,x+r)\cap[a,b]有∣f(y)−f(x)∣<ε|f(y)-f(x)|<\varepsilon,表明ff在xx处连续.

证毕.

step 1:ff可积 ⟹\Longrightarrow D(f)D(f)零测.

由引理,D(f)={x∣osc(f,x)>0}=⋃∞n=1A1nD(f)=\{x|\text{osc}(f,x)>0\}=\underset{n=1}{\overset{\infty}{\bigcup}}A_{\frac{1}{n}}.

(定义:Aε={x∣osc(f,x)≥ε}A_\varepsilon=\{x|\text{osc}(f,x)\geq\varepsilon\})

只要证明,每个A1nA_\frac{1}{n}零测,就能证明D(f)={x∣osc(f,x)>0}=⋃∞n=1A1nD(f)=\{x|\text{osc}(f,x)>0\}=\underset{n=1}{\overset{\infty}{\bigcup}}A_{\frac{1}{n}}也零测.

由ff可积,再使用上面已经叙述过的定理,得到∀ε>0\forall\varepsilon>0,∃\exist剖分PP使得

U(P,f)−L(P,f)<εnU(P,f)-L(P,f)<\frac{\varepsilon}{n}

我们要来仔细地研究左边的估计. 取剖分P={x0=a<x1<⋯<xm}P=\{x_0=a<x_1<\cdots<x_m\},这里IjI_j分两支,其中第 I 类是IjI_j内部和A1nA_\frac{1}{n}有关的,第 II 类是IjI_j内部和A1nA_\frac{1}{n}无关的. 对于每一个 I 类IjI_j,其内部有一点x∈A1nx\in A_\frac{1}{n},osc(f,x)≥1n\text{osc}(f,x)\geq\frac{1}{n},也就是lim⁡r→0+osc(f,x,r)≥1n\underset{r\to0+}{\lim}\text{osc}(f,x,r)\geq\frac{1}{n}.

取(x−r,x+r)⊆Ij(x-r,x+r)\subseteq I_j,推出ff在IjI_j上的振幅≥osc(f,x,r)≥osc(f,x)≥1n\geq\text{osc}(f,x,r)\geq\text{osc}(f,x)\geq\frac{1}{n},代回就看出:

εn>U(P,f)−L(P,f)=∑i(f’s amplitude in Ij)∣Ij∣≥∑Ij of I type1n∣Ij∣\frac{\varepsilon}{n}>U(P,f)-L(P,f)=\sum_{i}(f\text{'s amplitude in }I_j)|I_j|\geq\sum_{I_j\text{ of I type}}\frac{1}{n}|I_j|

所以,

∑Ij of I type∣Ij∣<ε\sum_{I_j\text{ of I type}}|I_j|<\varepsilon

由第 II 类IjI_j内部没有A1nA_\frac{1}{n}点,所以

A1n⊆⋃Ij of I typeIj∪{x0,x1,⋯ ,xm}A_\frac{1}{n}\subseteq\bigcup_{I_j\text{ of I type}}I_j\cup\{x_0,x_1,\cdots,x_m\}

我们适当扩大 I 类IjI_j为开区间xtx_t,用小的开区间盖住,就能把“坏点”A1nA_\frac{1}{n}被一族开区间覆盖,这些区间的总长度<2ε<2\varepsilon.

step 2:D(f)D(f)零测 ⟹\Longrightarrow ff可积分.

这一步骤有点 technical,这里略去(没时间了),参见 Stein 所写 Fourier 分析书的附录.


下面是应用环节.

/Claim/

设f,g∈R([a,b])f,g\in\mathcal{R}([a,b]),则f±gf\pm g,f⋅g∈R([a,b])f\cdot g\in\mathcal{R}([a,b]),若ϕ\phi是连续函数,则ϕ(f)∈R([a,b])\phi(f)\in\mathcal{R}([a,b]).

/Proof/

f,gf,g可积,由 Riemann-Lebesgue 定理,知道f,gf,g有界且D(f),D(g)D(f),D(g)零测,也就是f±gf\pm g和f⋅gf\cdot g有界.

回忆:{f\{f的连续点}∩{g\}\cap\{g的连续点}⊆{fg\}\subseteq\{fg连续点}\},取补集,即得到

D(f)∪D(g)⊇D(fg)D(f)\cup D(g)\supseteq D(fg)

即D(fg)⊆D(f)∪D(g)D(fg)\subseteq D(f)\cup D(g),而右侧两个集合都是零测集,所以D(fg)D(fg)零测,再结合fgfg有界,使用一次定理可证明fgfg可积.

对于ϕ(f)\phi(f),{f\{f连续点}∩{x∣f(x)\}\cap\{x|f(x)是ϕ\phi的连续点}⊆{ϕ(f)\}\subseteq\{\phi(f)连续点}\}.

所以,

D(f)⊇D(ϕ(f))D(f)\supseteq D(\phi(f))

证毕.

大家之后就算不记得 Riemann-Lebesgue 定理的证明,也要会使用定理证明某个函数可积.

再次来证明 Cauchy-Schwarz 不等式,这里做一个转述:

/Theorem/ (Cauchy-Schwarz 不等式)

设f,g∈R([a,b])f,g\in\mathcal{R}([a,b]),则

(∫abfg)2≤(∫abf2)(∫abg2)(\int_a^bfg)^2\leq(\int_a^bf^2)(\int_a^bg^2)

/Proof/

f,gf,g可积 ⟹\Longrightarrow fgfg可积,f+λgf+\lambda g可积.

h(λ)=∫ab(f+λg)2dx≥0=∫ab(f2+2λfg+λ2g2)=(∫abf2)+2(∫abfg)λ+(∫abg2)λ2\begin{aligned} h(\lambda)&=\int_a^b(f+\lambda g)^2\text{d}x\geq0\\ &=\int_a^b(f^2+2\lambda fg+\lambda^2g^2)\\ &=(\int_a^bf^2)+2(\int_a^bfg)\lambda+(\int_a^bg^2)\lambda^2 \end{aligned}

可知,h(λ)h(\lambda)是(至多)二次函数,且h(λ)≥0h(\lambda)\geq0,∀λ\forall\lambda,首项系数=∫abg2≥0=\int_a^bg^2\geq0.

若∫abg2>0\int_a^bg^2>0,则由h(λ)≥0h(\lambda)\geq0,∀λ\forall\lambda得到

0≥Δ=4(∫abfg)2−4∫abg2∫abf20\geq\Delta=4(\int_a^bfg)^2-4\int_a^bg^2\int_a^bf^2

这就是要证明的不等式.

如果∫abg2=0\int_a^bg^2=0,那么h(λ)h(\lambda)是一个一次函数,但是对于∀λ\forall\lambda它都要大于等于零,所以斜率∫abfg=0\int_a^bfg=0,不等式仍然成立.

证毕.


高等微积分笔记 Lesson 24
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作者
菲兹克斯喵
发布于
2024年12月11日
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