リーマン積分の定義

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単純な図形 — 矩形、三角形、円 — の面積を求める方法は既に知っている。しかし、y=x2y = x^2 の 0 から 1 までの曲線下面積は何か? 直接的な幾何学的公式は存在しない。リーマン積分がこの問題の答えである。曲線下面積を、ますます細かくなる矩形近似の極限として定義する。この方法は定理を証明するのに十分な精密性を備えている。

分割とダルボー和

f:[a,b]→Rf: [a, b] \to \mathbb{R} を有界関数とする。[a,b][a, b] の分割とは有限列

P={a=x0<x1<x2<⋯<xn=b}.P = \{a = x_0 < x_1 < x_2 < \cdots < x_n = b\}.

である。各部分区間 [xi−1,xi][x_{i-1}, x_i] 上で、ff は有界であるから、その上限と下限が存在する:

Mi≔sup⁡x∈[xi−1, xi]f(x),mi≔inf⁡x∈[xi−1, xi]f(x).M_i \coloneqq \sup_{x \in [x_{i-1},\, x_i]} f(x), \qquad m_i \coloneqq \inf_{x \in [x_{i-1},\, x_i]} f(x).

ff に対する PP での上ダルボー和および下ダルボー和は

U(f,P)≔∑i=1nMi (xi−xi−1),L(f,P)≔∑i=1nmi (xi−xi−1).U(f, P) \coloneqq \sum_{i=1}^{n} M_i\,(x_i - x_{i-1}), \qquad L(f, P) \coloneqq \sum_{i=1}^{n} m_i\,(x_i - x_{i-1}).

幾何学的には、U(f,P)U(f,P) はグラフより上にある矩形の全面積であり、L(f,P)L(f,P) はグラフより下にある矩形の全面積である。すべての ii に対して mi≤Mim_i \le M_i であるから、常に L(f,P)≤U(f,P)L(f,P) \le U(f,P) が成り立つ。

分割を細かくすること

分割 QQ が PP の細分化であるとは、P⊆QP \subseteq Q (P のすべての境界点が Q にも属する)ことである。点を追加することで、上和は下がり、下和は上がる:

P⊆Q  ⟹  L(f,P)≤L(f,Q)≤U(f,Q)≤U(f,P).P \subseteq Q \implies L(f, P) \le L(f, Q) \le U(f, Q) \le U(f, P).

この結果として、すべての下和はすべての上和以下である。つまり、P1P_1 と P2P_2 が任意の二つの分割であれば、L(f,P1)≤U(f,P2)L(f, P_1) \le U(f, P_2) が成り立つ。

上積分と下積分

すべての下和の集合は(任意の上和で)上に有界であるから、その上限が R\mathbb{R} に存在する。同様に、すべての上和の下限も存在する。これらは ff の下積分および上積分を定義する:

∫ab‾f  ≔  sup⁡PL(f,P),∫ab‾f  ≔  inf⁡PU(f,P).\underline{\int_a^b} f \;\coloneqq\; \sup_P L(f, P), \qquad \overline{\int_a^b} f \;\coloneqq\; \inf_P U(f, P).

すべての下和が ≤\le すべての上和であるから、常に ∫‾f≤∫‾f\underline{\int} f \le \overline{\int} f が成り立つ。

リーマン積分可能性

有界関数 f:[a,b]→Rf: [a, b] \to \mathbb{R} がリーマン積分可能であるとは、上積分と下積分が一致すること、すなわち

∫ab‾f  =  ∫ab‾f.\underline{\int_a^b} f \;=\; \overline{\int_a^b} f.

である。このとき、共通の値を ff の [a,b][a, b] 上でのリーマン積分と呼び

∫abf(x) dx  =  ∫abf.\int_a^b f(x)\,dx \;=\; \int_a^b f.

と記す。

ダルボーの判定法

実用的な言い換えは次の通りである。ff がリーマン積分可能であることと、すべての ε>0\varepsilon > 0 に対してある分割 PP が存在して

U(f,P)−L(f,P)  <  ε.(1)U(f, P) - L(f, P) \;<\; \varepsilon. \tag{1}

が成り立つことは同値である。

これが積分可能性の証明の標準的な道具である。

同値なリーマン和の定義

また、リーマン和を直接用いた定義もできる。分割 PP と代表点 ξi∈[xi−1,xi]\xi_i \in [x_{i-1}, x_i] の選択に対して、リーマン和は

S(f,P,ξ)  ≔  ∑i=1nf(ξi) (xi−xi−1).S(f, P, \boldsymbol\xi) \;\coloneqq\; \sum_{i=1}^n f(\xi_i)\,(x_i - x_{i-1}).

で与えられる。PP のメッシュを ∥P∥≔max⁡i(xi−xi−1)\|P\| \coloneqq \max_i(x_i - x_{i-1}) で定義する。このとき、ff がリーマン積分可能で値が II であることと、すべての ε>0\varepsilon > 0 に対してある δ>0\delta > 0 が存在して、∥P∥<δ\|P\| < \delta ならすべての代表点の選択に対して ∣S(f,P,ξ)−I∣<ε|S(f,P,\boldsymbol\xi) - I| < \varepsilon が成り立つことは同値である。

ダルボー形式とリーマン和形式は同値であり、ダルボー形式の方が証明には便利である。

すべての連続関数は積分可能である

定理。 f:[a,b]→Rf: [a, b] \to \mathbb{R} が連続ならば、ff はリーマン積分可能である。

証明。 閉有界区間上の連続関数は一様連続である。つまり、すべての ε>0\varepsilon > 0 に対してある δ>0\delta > 0 が存在して、∣x−y∣<δ⇒∣f(x)−f(y)∣<ε/(b−a)|x - y| < \delta \Rightarrow |f(x) - f(y)| < \varepsilon/(b-a) が成り立つ。

ε>0\varepsilon > 0 を与えて、上のような δ\delta を選び、メッシュが ∥P∥<δ\|P\| < \delta である任意の分割 PP を取る。各部分区間 [xi−1,xi][x_{i-1}, x_i] 上で、振動は

Mi−mi  ≤  εb−a,M_i - m_i \;\le\; \frac{\varepsilon}{b-a},

を満たす。なぜなら、[xi−1,xi][x_{i-1}, x_i] のすべての二つの点は距離 δ\delta より小さいからである。したがって

U(f,P)−L(f,P)  =  ∑i=1n(Mi−mi)(xi−xi−1)  ≤  εb−a⋅(b−a)  =  ε.U(f,P) - L(f,P) \;=\; \sum_{i=1}^n (M_i - m_i)(x_i - x_{i-1}) \;\le\; \frac{\varepsilon}{b-a} \cdot (b-a) \;=\; \varepsilon.

ダルボーの判定法 (1)(1) により、ff は積分可能である。□\square

計算例:∫01x2 dx\int_0^1 x^2\,dx

f(x)=x2f(x) = x^2 と均等分割 Pn={0,1n,2n,…,1}P_n = \{0, \tfrac{1}{n}, \tfrac{2}{n}, \ldots, 1\} を考える。ff は [0,1][0,1] で増加関数であるから:

Mi=(in)2,mi=(i−1n)2,Δxi=1n.M_i = \left(\frac{i}{n}\right)^2, \qquad m_i = \left(\frac{i-1}{n}\right)^2, \qquad \Delta x_i = \frac{1}{n}.

上和と下和は:

U(f,Pn)=1n∑i=1ni2n2=1n3⋅n(n+1)(2n+1)6=(n+1)(2n+1)6n2,U(f, P_n) = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n \frac{i^2}{n^2} = \frac{1}{n^3} \cdot \frac{n(n+1)(2n+1)}{6} = \frac{(n+1)(2n+1)}{6n^2}, L(f,Pn)=1n∑i=0n−1i2n2=(n−1)(2n−1)6n2.L(f, P_n) = \frac{1}{n} \sum_{i=0}^{n-1} \frac{i^2}{n^2} = \frac{(n-1)(2n-1)}{6n^2}.

その差は U−L=(n+1)(2n+1)−(n−1)(2n−1)6n2=6n6n2=1n→0U - L = \frac{(n+1)(2n+1) - (n-1)(2n-1)}{6n^2} = \frac{6n}{6n^2} = \frac{1}{n} \to 0 である。したがってダルボーの判定法を満たす。両和は 13\frac{1}{3} に収束し、

∫01x2 dx  =  13.\int_0^1 x^2\,dx \;=\; \frac{1}{3}.

まとめ

  • 分割は [a,b][a,b] を部分区間に分ける。ダルボー和 L(f,P)L(f,P) と U(f,P)U(f,P) は「ff 下の面積」を下と上から有界にする。
  • 下積分 ∫‾f\underline{\int} f と上積分 ∫‾f\overline{\int} f は、それぞれすべての下和と上和の上限と下限である。
  • ∫‾f=∫‾f\underline{\int} f = \overline{\int} f が成り立つとき、ff はリーマン積分可能である。その共通値が ∫abf\int_a^b f である。
  • ダルボーの判定法:ff がリーマン積分可能であることと、すべての ε>0\varepsilon > 0 に対してある分割で U(f,P)−L(f,P)<εU(f,P) - L(f,P) < \varepsilon を満たすことは同値である。
  • [a,b][a,b] 上の連続関数は、一様連続性により積分可能である。