積分をダルボー和の極限として定義した直後に最初に理解すべきことは、その性質である。最も有用で、かつ最も直感的な事実の一つは:一つの関数が別の関数より上にあれば、その積分がより大きいということである。この単一の性質 — 単調性 — は、積分に関する事実上すべての推定の源泉である。
単調性
定理。 f,g:[a,b]→R をリーマン積分可能とする。すべての x∈[a,b] に対して f(x)≤g(x) が成り立つなら、
∫abf(x)dx≤∫abg(x)dx.
証明。 任意の分割 P に対して、すべての上ダルボー和は U(f,P)≤U(g,P) を満たす。なぜなら sup[xi−1,xi]f≤sup[xi−1,xi]g だからである。すべての分割に対して下限をとると ∫abf≤∫abg=∫abg を得る。(下和を使った同じ議論も機能する。)□
積分の線形性
単調性に付随して、積分は線形である。f と g が積分可能で α,β∈R のとき、αf+βg は積分可能で
∫ab(αf+βg)=α∫abf+β∫abg.
が成り立つ。これは定義から従う。和の線形性が上限・下限を通って積分に伝播する。
絶対値の推定
系。 f が [a,b] で積分可能なら、∣f∣ も積分可能で
∫abf(x)dx≤∫ab∣f(x)∣dx.
が成り立つ。
証明。 −∣f(x)∣≤f(x)≤∣f(x)∣ から単調性を二回適用する:
−∫ab∣f∣≤∫abf≤∫ab∣f∣.
これは ∣∫abf∣≤∫ab∣f∣ と同値である。(∣f∣ の積分可能性は、任意の区間上での ∣f∣ の振動が f の振動以下であるから、ダルボーの判定法が引き継がれることから従う。)□
この推定は、和の三角不等式 ∣∑ai∣≤∑∣ai∣ の積分アナログである。
点ごとの推定を通じた範囲設定
系。 f が積分可能で、すべての x∈[a,b] に対して m≤f(x)≤M が成り立つなら、
m(b−a)≤∫abf(x)dx≤M(b−a).(1)
証明。 単調性を m≤f≤M に適用する。定数 m の [a,b] 上での積分が m(b−a) であり、M についても同様である。□
範囲 (1) は積分に関する平均値定理の重要な成分である。∫f/(b−a) を m と M の間に押し込んで、中間値定理を適用する。
計算例
∫01e−x2dx がいかに大きいか?被積分関数は [0,1] 上で e−1≤e−x2≤1 を満たす(0≤x2≤1 だから)。(1) から直ちに
e−1≤∫01e−x2dx≤1.
が得られる。正確な値(2πerf(1)≈0.747)を求めるにはより多くの仕事が必要だが、範囲は単調性から無料で得られる。
まとめ
- 単調性:f≤g が点ごとに成り立つなら、∫f≤∫g。
- 線形性:∫(αf+βg)=α∫f+β∫g。
- 絶対値の推定:∣∫abf∣≤∫ab∣f∣ — 三角不等式の積分版。
- 範囲:すべてで m≤f≤M なら、m(b−a)≤∫abf≤M(b−a)。
- これらの性質は、解析学で使われるすべての標準的な推定をもたらす。