你已知道如何求簡單圖形的面積——矩形、三角形、圓形。但 y=x2 的曲線在 0 到 1 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
設 f:[a,b]→R 為有界函數。[a,b] 的一個**分割(partition)**是有限序列
P={a=x0<x1<x2<⋯<xn=b}.
在每個子區間 [xi−1,xi] 上,f 有界,故其上確界與下確界存在:
Mi:=x∈[xi−1,xi]supf(x),mi:=x∈[xi−1,xi]inff(x).
f 關於 P 的**上達布和(upper Darboux sum)與下達布和(lower Darboux sum)**定義為:
U(f,P):=i=1∑nMi(xi−xi−1),L(f,P):=i=1∑nmi(xi−xi−1).
幾何上,U(f,P) 是位於圖形上方的矩形總面積,L(f,P) 是位於圖形下方的矩形總面積。由於對每個 i 均有 mi≤Mi,故恆有 L(f,P)≤U(f,P)。
加細分割
若 P⊆Q(P 的每個邊界點也在 Q 中),則稱 Q 是 P 的加細(refinement)。加入點只會使上和降低、下和升高:
P⊆Q⟹L(f,P)≤L(f,Q)≤U(f,Q)≤U(f,P).
由此可得:任意兩個分割 P1 與 P2,即使不同,也有 L(f,P1)≤U(f,P2)。
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 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 f 的下積分(lower integral)與上積分(upper integral):
∫abf:=PsupL(f,P),∫abf:=PinfU(f,P).
由於每個下和均 ≤ 每個上和,故恆有 ∫f≤∫f。
黎曼可積性
若有界函數 f:[a,b]→R 的上積分與下積分相等,則稱 f 為黎曼可積(Riemann integrable):
∫abf=∫abf.
當二者相等時,其公共值稱為 f 在 [a,b] 上的黎曼積分,記作
∫abf(x)dx=∫abf.
達布判準
一個實用的等價敘述:f 為黎曼可積若且唯若對任意 ε>0,存在分割 P 使得
U(f,P)−L(f,P)<ε.(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 P 與樣本點(sample points)**的選取 ξi∈[xi−1,xi],黎曼和為
S(f,P,ξ):=i=1∑nf(ξi)(xi−xi−1).
P 的**網格寬(mesh)**定義為 ∥P∥:=maxi(xi−xi−1)。則 f 為黎曼可積且積分值為 I 若且唯若:對任意 ε>0,存在 δ>0,使得 ∥P∥<δ 時,對任意樣本點選取均有 ∣S(f,P,ξ)−I∣<ε。
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。 若 f:[a,b]→R 為連續函數,則 f 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,存在 δ>0,使得 ∣x−y∣<δ⇒∣f(x)−f(y)∣<ε/(b−a)。
給定 ε>0,如上選取 δ,並令 P 為任意網格寬 ∥P∥<δ 的分割。對每個子區間 [xi−1,xi],由於其中任意兩點距離均小於 δ,振盪量滿足
Mi−mi≤b−aε.
因此
U(f,P)−L(f,P)=i=1∑n(Mi−mi)(xi−xi−1)≤b−aε⋅(b−a)=ε.
由達布判準 (1),f 可積。□
計算範例:∫01x2dx
取 f(x)=x2,均勻分割 Pn={0,n1,n2,…,1}。由於 f 在 [0,1] 上遞增:
Mi=(ni)2,mi=(ni−1)2,Δxi=n1.
上和與下和分別為:
U(f,Pn)=n1i=1∑nn2i2=n31⋅6n(n+1)(2n+1)=6n2(n+1)(2n+1),
L(f,Pn)=n1i=0∑n−1n2i2=6n2(n−1)(2n−1).
二者之差為 U−L=6n2(n+1)(2n+1)−(n−1)(2n−1)=6n26n=n1→0。故達布判準成立,兩個和均收斂至 31,確認了
∫01x2dx=31.
摘要
- [a,b] 的分割將其切分為子區間;達布和 L(f,P) 與 U(f,P) 分別從下方與上方界定「f 下方的面積」。
- 下積分 ∫f 與上積分 ∫f 分別是所有下和與上和的上確界與下確界。
- 當 ∫f=∫f 時,f 為黎曼可積;公共值即為 ∫abf。
- 達布判準:f 可積若且唯若對任意 ε>0,某個分割能使 U(f,P)−L(f,P)<ε。
- [a,b] 上的每個連續函數均可積,這源於一致連續性。