積分の単調性

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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]Rf, g: [a,b] \to \mathbb{R} をリーマン積分可能とする。すべての x[a,b]x \in [a,b] に対して f(x)g(x)f(x) \le g(x) が成り立つなら、

abf(x)dx    abg(x)dx.\int_a^b f(x)\,dx \;\le\; \int_a^b g(x)\,dx.

証明。 任意の分割 PP に対して、すべての上ダルボー和は U(f,P)U(g,P)U(f, P) \le U(g, P) を満たす。なぜなら sup[xi1,xi]fsup[xi1,xi]g\sup_{[x_{i-1},x_i]} f \le \sup_{[x_{i-1},x_i]} g だからである。すべての分割に対して下限をとると abfabg=abg\int_a^b f \le \overline{\int_a^b} g = \int_a^b g を得る。(下和を使った同じ議論も機能する。)\square

積分の線形性

単調性に付随して、積分は線形である。ffgg が積分可能で α,βR\alpha, \beta \in \mathbb{R} のとき、αf+βg\alpha f + \beta g は積分可能で

ab(αf+βg)=αabf+βabg.\int_a^b (\alpha f + \beta g) = \alpha \int_a^b f + \beta \int_a^b g.

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。 ff[a,b][a,b] で積分可能なら、f|f| も積分可能で

abf(x)dx    abf(x)dx.\left|\int_a^b f(x)\,dx\right| \;\le\; \int_a^b |f(x)|\,dx.

が成り立つ。

証明。 f(x)f(x)f(x)-|f(x)| \le f(x) \le |f(x)| から単調性を二回適用する:

abf    abf    abf.-\int_a^b |f| \;\le\; \int_a^b f \;\le\; \int_a^b |f|.

これは abfabf|\int_a^b f| \le \int_a^b |f| と同値である。(f|f| の積分可能性は、任意の区間上での f|f| の振動が ff 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。)\square

この推定は、和の三角不等式 aiai|\sum a_i| \le \sum |a_i| 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。 ff が積分可能で、すべての x[a,b]x \in [a,b] に対して mf(x)Mm \le f(x) \le M が成り立つなら、

m(ba)    abf(x)dx    M(ba).(1)m(b-a) \;\le\; \int_a^b f(x)\,dx \;\le\; M(b-a). \tag{1}

証明。 単調性を mfMm \le f \le M に適用する。定数 mm[a,b][a,b] 上での積分が m(ba)m(b-a) であり、MM についても同様である。\square

範囲 (1)(1)積分に関する平均値定理の重要な成分である。f/(ba)\int f / (b-a)mmMM の間に押し込んで、中間値定理を適用する。

計算例

01ex2dx\int_0^1 e^{-x^2}\,dx がいかに大きいか?被積分関数は [0,1][0,1] 上で e1ex21e^{-1} \le e^{-x^2} \le 1 を満たす(0x210 \le x^2 \le 1 だから)。(1)(1) から直ちに

e1    01ex2dx    1.e^{-1} \;\le\; \int_0^1 e^{-x^2}\,dx \;\le\; 1.

が得られる。正確な値(π2erf(1)0.747\frac{\sqrt\pi}{2}\,\mathrm{erf}(1) \approx 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fgf \le g が点ごとに成り立つなら、fg\int f \le \int g
  • 線形性(αf+βg)=αf+βg\int (\alpha f + \beta g) = \alpha \int f + \beta \int g
  • 絶対値の推定abfabf|\int_a^b f| \le \int_a^b |f| — 三角不等式の積分版。
  • 範囲:すべてで mfMm \le f \le M なら、m(ba)abfM(ba)m(b-a) \le \int_a^b f \le 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。