黎曼積分的定義

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你已知道如何求簡單圖形的面積——矩形、三角形、圓形。但 y=x2y = x^2 的曲線在 0011 之間圍出的面積是多少?沒有幾何公式可以直接套用。**黎曼積分(Riemann integral)**正是解答:它將「曲線下方的面積」定義為愈來愈精細的矩形近似之極限,且嚴謹到足以用來證明定理。

分割與達布和

f:[a,b]Rf: [a, b] \to \mathbb{R}有界函數。[a,b][a, b] 的一個**分割(partition)**是有限序列

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

在每個子區間 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i] 上,ff 有界,故其上確界與下確界存在:

Misupx[xi1,xi]f(x),miinfx[xi1,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 關於 PP 的**上達布和(upper Darboux sum)下達布和(lower Darboux sum)**定義為:

U(f,P)i=1nMi(xixi1),L(f,P)i=1nmi(xixi1).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}).

幾何上,U(f,P)U(f,P) 是位於圖形上方的矩形總面積,L(f,P)L(f,P) 是位於圖形下方的矩形總面積。由於對每個 ii 均有 miMim_i \le M_i,故恆有 L(f,P)U(f,P)L(f,P) \le U(f,P)

加細分割

PQP \subseteq QPP 的每個邊界點也在 QQ 中),則稱 QQPP加細(refinement)。加入點只會使上和降低、下和升高:

PQ    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).

由此可得:任意兩個分割 P1P_1P2P_2,即使不同,也有 L(f,P1)U(f,P2)L(f, P_1) \le U(f, P_2)

上積分與下積分

由於所有下和組成的集合有上界(任意上和均為上界),其上確界在 R\mathbb{R} 中存在。類似地,所有上和的下確界也存在。這兩個值分別定義了 ff下積分(lower integral)上積分(upper integral)

abf    supPL(f,P),abf    infPU(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).

由於每個下和均 \le 每個上和,故恆有 ff\underline{\int} f \le \overline{\int} f

黎曼可積性

若有界函數 f:[a,b]Rf: [a, b] \to \mathbb{R} 的上積分與下積分相等,則稱 ff黎曼可積(Riemann integrable)

abf  =  abf.\underline{\int_a^b} f \;=\; \overline{\int_a^b} f.

當二者相等時,其公共值稱為 ff[a,b][a, b] 上的黎曼積分,記作

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

達布判準

一個實用的等價敘述:ff 為黎曼可積若且唯若對任意 ε>0\varepsilon > 0,存在分割 PP 使得

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

這是大多數可積性證明的主要工具。

等價的黎曼和定義

也可以直接用**黎曼和(Riemann sum)來定義積分。對分割 PP樣本點(sample points)**的選取 ξi[xi1,xi]\xi_i \in [x_{i-1}, x_i],黎曼和為

S(f,P,ξ)    i=1nf(ξi)(xixi1).S(f, P, \boldsymbol\xi) \;\coloneqq\; \sum_{i=1}^n f(\xi_i)\,(x_i - x_{i-1}).

PP 的**網格寬(mesh)**定義為 Pmaxi(xixi1)\|P\| \coloneqq \max_i(x_i - x_{i-1})。則 ff 為黎曼可積且積分值為 II 若且唯若:對任意 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ>0\delta > 0,使得 P<δ\|P\| < \delta 時,對任意樣本點選取均有 S(f,P,ξ)I<ε|S(f,P,\boldsymbol\xi) - I| < \varepsilon

達布方法與黎曼和方法等價;達布方法在證明中通常更為簡潔。

連續函數均可積

定理。f:[a,b]Rf: [a, b] \to \mathbb{R} 為連續函數,則 ff 為黎曼可積。

證明。 閉有界區間上的連續函數為一致連續(uniformly continuous):對任意 ε>0\varepsilon > 0,存在 δ>0\delta > 0,使得 xy<δf(x)f(y)<ε/(ba)|x - y| < \delta \Rightarrow |f(x) - f(y)| < \varepsilon/(b-a)

給定 ε>0\varepsilon > 0,如上選取 δ\delta,並令 PP 為任意網格寬 P<δ\|P\| < \delta 的分割。對每個子區間 [xi1,xi][x_{i-1}, x_i],由於其中任意兩點距離均小於 δ\delta,振盪量滿足

Mimi    εba.M_i - m_i \;\le\; \frac{\varepsilon}{b-a}.

因此

U(f,P)L(f,P)  =  i=1n(Mimi)(xixi1)    εba(ba)  =  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.

由達布判準 (1)(1)ff 可積。\square

計算範例:01x2dx\int_0^1 x^2\,dx

f(x)=x2f(x) = x^2,均勻分割 Pn={0,1n,2n,,1}P_n = \{0, \tfrac{1}{n}, \tfrac{2}{n}, \ldots, 1\}。由於 ff[0,1][0,1] 上遞增:

Mi=(in)2,mi=(i1n)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}.

上和與下和分別為:

U(f,Pn)=1ni=1ni2n2=1n3n(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)=1ni=0n1i2n2=(n1)(2n1)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}.

二者之差為 UL=(n+1)(2n+1)(n1)(2n1)6n2=6n6n2=1n0U - L = \frac{(n+1)(2n+1) - (n-1)(2n-1)}{6n^2} = \frac{6n}{6n^2} = \frac{1}{n} \to 0。故達布判準成立,兩個和均收斂至 13\frac{1}{3},確認了

01x2dx  =  13.\int_0^1 x^2\,dx \;=\; \frac{1}{3}.

摘要

  • [a,b][a,b]分割將其切分為子區間;達布和 L(f,P)L(f,P)U(f,P)U(f,P) 分別從下方與上方界定「ff 下方的面積」。
  • 下積分 f\underline{\int} f上積分 f\overline{\int} f 分別是所有下和與上和的上確界與下確界。
  • f=f\underline{\int} f = \overline{\int} f 時,ff黎曼可積;公共值即為 abf\int_a^b f
  • 達布判準ff 可積若且唯若對任意 ε>0\varepsilon > 0,某個分割能使 U(f,P)L(f,P)<εU(f,P) - L(f,P) < \varepsilon
  • [a,b][a,b] 上的每個連續函數均可積,這源於一致連續性。