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定积分的定义和性质

期中考后,微积分课开始讲积分。出于好奇,我阅读了 Pete Clark 所著 Honors Calculus(这个 PDF 版本有许多笔误,似为草稿)的第八章第 1、2、4 节。为了理解部分内容,我还阅读了第六章第 4 节对实数归纳法的正确性的证明。以下为我的笔记,第 1、2、3 节分别对应原书第八章第 1、2、4 节。也可以作为该书这一部分的浓缩版。

第 1 节 微积分基本定理

我们希望 上全体可积函数(可求定积分的函数)组成的集合 满足以下性质:
(I0)
a) 上的所有连续函数属于 。
b) 上的函数都有界。

我们希望我们定义的定积分满足以下性质:
(I1) 常函数 ,且 。
(I2) 若 ,且 ,则 。
(I3) 若 ,则 当且仅当 且 。若这对等价条件成立,则。

现在,我们假设 (I0)、(I1)、(I2)、(I3) 均成立。

定理 1(微积分基本定理) 设 为 上的可积函数,,则:
a) 在 上连续。
b) 若 在 处连续,则 。
c) 若 连续,且 是 的一个反导数,则 。
证 由 (I0),存在 使得 。若 ,则 ,于是由 (I1) 知 ,此时定理显然成立。
因此,下面假设 。
a) 任给 ,取 。由 (I3) 得

再设 ,则对 仍有 ,因此依次应用 (I2) 和 (I1) 可得

于是

现在假设 。应用 ,再对 应用 ,知

b) 由于 $f$ 在 $c$ 处连续,任给 $\epsilon>0$,存在 $\delta>0$,使得 $|x-c|<\delta\implies$ $f(c)-\epsilon<f(x)<f(c)+\epsilon$。故

于是

这表明 。
c) 已知 连续,由 b) 部分知 是 的一个反导数。因此 为某个常数,故

注 定理 1 表明,在我们的假设下,若定积分存在,则它是唯一的,即 的在 处取值为 的反导数。

第 2 节 构建定积分

下面,我们将逐步构建满足假设的定积分定义。但为了叙述方便,我们暂时只讨论在包含于定义域 的任意闭区间上都有最大值和最小值的函数 。

我们先给出划分的定义:若实数 满足

我们将可积定义为:存在唯一的 ,使得对 的每一个划分 ,都有
这一定义没有很好地形式化,它对最重要的部分—— 的唯一性——轻描淡写,同时使证明 的存在性十分困难。

例 1 显然函数 可积。

例 2 设函数 在 上除内部一点 处之外都等于 ,而 。证明: 在 上可积。
证 首先注意到,对 的任意划分 ,都有 。另一方面,设划分中 所在区间的长度为 ,则 可以任意小,且该区间的下和为 ,而其他区间的下和仍为 ,因此 。(对于 刚好是划分点的情形,可以类似地得到 ,其中 分别为 左侧和右侧的划分区间的长度,此时 也可以任意小。)至此,我们证明了唯一一个不小于所有 又不大于所有 的实数是 ,故 可积。

例 3 设 上的函数 在无理点取值为 ,在有理点取值为 。证明: 不可积。

证 由于每一个子区间都既包含有理点,又包含无理点,对 的任意划分 ,都有 。因此 与 的差距无法任意小, 不可积。
注 此例可能提示了解决 的存在性和唯一性问题的一种方法,至少对 19 世纪的数学家达布(Jean-Gaston Darboux)而言是这样的,他想到了一种优美的方法,可以判断下和与上和之间是否有不可弥合的鸿沟。

接下来,我们将给出达布积分的定义。

设 为 上的任意函数, 为 的一个划分。定义关于 与 的下和

引理 4 若 是 上的函数, 为 的两个划分,则 。
证 令 ,则由超划分引理知而 ,故 。

对 上的函数 ,定义下积分 为 取遍 的所有划分时 的上确界(可以为 ),上积分 为 取遍 的所有划分时 的下确界(可以为 )。最后,若 ,称 在 上是达布可积的,且达布积分 。

引理 5 若 为 上的函数,则
证 由引理 4,若 均为 的划分,则 。因此 在 取遍 的所有划分时的上确界小于或等于 在 取遍 的所有划分时的下确界,即

命题 6 设 为定义在 上的函数。
a) 当且仅当 无下界。
b) 当且仅当 无上界。
证
a) 由 无下界知 ,故 。
b) 与 a) 同理。

定理 7(达布可积性判定) 对 上的有界函数 ,下列命题等价:
(i) 在 上是达布可积的。
(ii) 任给 ,存在 的一个划分 ,使得 。
(iii) 存在唯一的实数 ,使得对 上的任意划分 都有 。
证
(i)(ii):
任给 。由下积分的定义知存在 的一个划分 ,使得 。又由于 在 上是达布可积的,,故 。同理,存在 的一个划分 ,使得 。令 ,由超划分引理知 故
(ii)(i):
已知对任意 ,存在 的一个划分 ,使得 ,而由上、下积分的定义知 ,故由 的任意性知 。但由引理 5 知 ,故 ,因此 在 上是达布可积的。
(i)(iii):
由于 在 上是达布可积的,。对 的任意划分 ,有下面证明 只能取 。若 ,则 ,即 小于 取遍 的划分时 的上确界,故存在 的一个划分 ,使得 ,这样的 不符合条件。若 ,则 ,类似地可以证明这样的 不符合条件。因此, 只能取 ,是唯一的。
(iii)(i):
反证法。假设 在 上不是达布可积的,则 。对 的任意划分 ,有故任意 都满足对 的任意划分 有 ,且这样的 有无穷多个,与 (iii) 矛盾。得证。

接下来,我们证明达布积分满足假设 (I0)、(I1)、(I2)、(I3)。证明达布积分满足 (I0) 的 a) 部分需要用到实数归纳法。

定理 8(实数归纳法) 设 ,集合 。若: (RI1) 。 (RI2) 对任意 ,有: 。
(RI3) 对任意 ,有: 。
则 。
证 反证法。记 ,假设 。 有下界 ,故有下确界。显然 。
(I) 时:
由 (RI2) 知存在 ,使得 ,故 (其中 ),与 的定义矛盾。
(II) 时:
由 知 。又由 知 。由 (RI3),有 ,与 矛盾。
综上,假设不成立,。

定理 9(积分主定理) 达布积分满足假设 (I0)、(I1)、(I2)、(I3)。
证
(I0) 时显然成立。下面假设 。 a) 设 为 上的任一连续函数。由达布可积性判定,只需证对任意 ,存在 的一个划分 ,使得 。
任给 。设 为满足存在 的一个划分 $\mathcal Px使得U(f,\mathcal P_x)-L(f,\mathcal P_x)<\epsilon的x的集合,则只需证b\in S。用实数归纳法。显然a\in S。假设[a,x]\subset S\,(x\in[a,b))。由x\in S知存在[a,x]的一个划分\mathcal P_x,使得U(f,\mathcal P_x)-L(f,\mathcal P_x)<(x-a)\epsilon。由于f在x处连续,存在\delta_0>0,使得\displaystyle\max{t\in[x,x+\delta0]}f(t)-\min{t\in[x,x+\delta0]}f(t)<\epsilon。任给\delta\in(0,\delta_0],显然\displaystyle\max{t\in[x,x+\delta]}f(t)-\min{t\in[x,x+\delta]}f(t)<\epsilon。令划分\mathcal P’={x,x+\delta},则\displaystyle U(f,\mathcal P’)-L(f,\mathcal P’)=$$(x+\delta-x)\left(\max{t\in[x,x+\delta]}f(t)-\min{t\in[x,x+\delta]}f(t)\right)<\delta\epsilon。取\mathcal P{x+\delta}=\mathcal Px+\mathcal P’,则$U(f,\mathcal P{x+\delta})-L(f,\mathcal P_{x+\delta})\=(U(f,\mathcal P_x)+U(f,\mathcal P’))-(L(f,\mathcal P_x)+L(f,\mathcal P’))\=(U(f,\mathcal P_x)-L(f,\mathcal P_x))+(U(f,\mathcal P’)-L(f,\mathcal P’))\<(x-a)\epsilon+\delta\epsilon=(x+\delta-a)\epsilon\int_a^b f_1\le\int_a^b f_2L(f,\mathcal P’)\ge L(f,\mathcal P),\,U(f,\mathcal P’)\le U(f,\mathcal P)(U(f,\mathcal P_1)-L(f,\mathcal P_1))+(U(f,\mathcal P_2)-L(f,\mathcal P_2))\=(U(f,\mathcal P_1)+U(f,\mathcal P_2))-(L(f,\mathcal P_1)+L(f,\mathcal P_2))\=U(f,\mathcal P’)-L(f,\mathcal P’)\<\epsilonU(f,\mathcal P_1)-L(f,\mathcal P_1)<\frac\epsilon2U(f,\mathcal P_2)-L(f,\mathcal P_2)<\frac\epsilon2U(f,\mathcal P)-L(f,\mathcal P)\=(U(f,\mathcal P_1)+U(f,\mathcal P_2))-(L(f,\mathcal P_1)+L(f,\mathcal P_2))\=(U(f,\mathcal P_1)-L(f,\mathcal P_1))+(U(f,\mathcal P_2)-L(f,\mathcal P_2))\<\frac\epsilon2+\frac\epsilon2=\epsilonP_2=P’∩[c,b]$,则故对 的任一划分 ,都有 。而 在 上是达布可积的,故 在 上的积分值 。

第 3 节 黎曼和、细划分、黎曼积分

最后,我们给出黎曼(Riemann)积分的定义,并证明达布积分与黎曼积分等价。

设 $\mathcal P={x0,\,x_1,\,\dots,\,x_n}为[a,b]的一个划分。在每一个[x_i,x{i+1}]R(f,\mathcal P,\tau)=\sum{i=0}^{n-1}f(x_i^*)(x{i+1}-x_i)L(f,\mathcal P)\le R(f,\mathcal P,\tau)\le U(f,\mathcal P)$$还可以进一步得出,若 为 上的有界函数, 为 的一个划分,则 取遍 的各组标签时 下确界为 ,上确界为 。此外,若 在 上无上界,则 ,且 取遍 的各组标签时 的上确界也为 ;若 在 上无下界,则 ,且 取遍 的各组标签时 的下确界也为 。因此,上面的结论对无界函数也成立。

定理 10 对 上的函数 , 在 上是达布可积的的充要条件是对任意 ,存在实数 与 的一个划分 ,使得对 的任意超划分 与 的任意一组标签 ,都有 。
证
必要性:
假设 在 上是达布可积的,则存在 的一个划分 ,使得 。设 是 的任一超划分,则 $U(f,\mathcal P)\le U(f,\mathcal P_0),L(f,\mathcal P)\le\int_a^b f\le U(f,\mathcal P)L(f,\mathcal P)\le R(f,\mathcal P,\tau)\le U(f,\mathcal P)$$因此 与 均不小于 且不大于 ,故 。取 即可。
充分性:
假设任取 、 上的划分 (与 有关)的超划分 与 的标签 ,都有 。由 取遍 的各组标签时 下确界为 、上确界为 ,可知任取 与 的超划分 ,都有 。这等价于,任取 与 的超划分 ,都有 。显然 存在,故 在 上是达布可积的。
注 定理 10 给出了达布可积性的一种全新的判定,使我们离给出与达布积分等价却截然不同的另一种积分定义——黎曼积分——更近一步。我们还需要做两件事:一是证明定理 10 给出的判定条件中的 可以与 无关,二是将定理 10 中的不等式的成立范围由“与 有关的某个特定的划分的任意超划分”扩大到“任何足够密集的划分”。

称划分 的各划分区间的长度的最大值为 的网格,记作 。显然,一个划分的超划分的网格不大于这个划分本身的网格。

引理 11(细划分引理) 若 为 上的有界函数,则对任意 ,存在 ,使得对 的任何网格小于 的划分 ,有证 任给 。由上、下积分的定义,存在 的一个划分 $\mathcal P0$,使得设 ,又设 有 个划分区间。取 ,并设 为 的一个网格小于 的划分。令 ,由超划分引理知 $L(f,\mathcal P’)\ge L(f,\mathcal P_0),\underline{\int_a^b}f-L(f,\mathcal P’)\le\underline{\int_a^b}f-L(f,\mathcal P_0)<\frac\epsilon2\U(f,\mathcal P’)-\overline{\int_a^b}f\le U(f,\mathcal P_0)-\overline{\int_a^b}f<\frac\epsilon2$$设 $\mathcal P={x_0,\,x_1,\,\dots,\,x_n},\,\mathcal P’_i=\mathcal P’∩[x_i,x{i+1}]\,(0\le i<n)。由\mathcal P’=\mathcal P∪\mathcal P0知\mathcal P’_i为[x_i,x{i+1}]的一个划分,而\mathcal P和\mathcal P’均为[a,b]的划分,故\mathcal P’=\mathcal P’0+\mathcal P’_1+\dots+\mathcal P’{n-1}$,于是故这就是要证的。

有了细划分引理,我们终于可以完成剩下的任务了。

设 为 上的函数。若存在实数 ,使得对任意 ,存在 ,使得对 的任何网格小于 的划分 与 的任意一组标签 ,都有 ,则称 在 上是黎曼可积的,并称 为 在 上的黎曼积分。显然黎曼积分是唯一的。

定理 12(达布积分与黎曼积分的等价性) 设 为 上的函数。
a) 下列命题等价:
(i) 在 上是黎曼可积的。
(ii) 在 上是达布可积的。
b) 在 a) 的等价条件成立时, 在 上的黎曼积分等于 在 上的达布积分 $\inta^b f$。
证
a)
(i)(ii):
反证法。假设 在 上不是达布可积的。
(I) 在 上无界时:
设 为 的任一划分。由 在 上无界,知 取遍 的各组标签时 无界,从而对任意 , 都不满足对 的任意一组标签 都有 。这里的 和 的任意性表明 在 上无法满足黎曼可积的条件,与 (i) 矛盾。
(II) 在 上有界时:
设 $n\in\mathbb N
+,并设\mathcal Pn为将[a,b]等分成n段的划分。由于U(f,\mathcal P_n)为R(f,\mathcal P_n,\tau)在\tau取遍\mathcal P_n的各组标签时的上确界,存在P_n的一组标签T_n,使得U(f,\mathcal P_n)\ge R(f,\mathcal P_n,T_n)>U(f,\mathcal P_n)-\frac1{n}。同理,存在P_n的一组标签t_n,使得L(f,\mathcal P_n)\le R(f,\mathcal P_n,t_n)<L(f,\mathcal P_n)+\frac1{n}。又由细划分引理知$\lim{n\rightarrow∞}L(f,\mathcal Pn)=\underline{\int_a^b}f,\,\lim{n\rightarrow∞}U(f,\mathcal Pn)=\overline{\int_a^b}f\lim{n\rightarrow∞}R(f,\mathcal Pn,t_n)=\underline{\int_a^b}f,\,\lim{n\rightarrow∞}R(f,\mathcal Pn,T_n)=\overline{\int_a^b}f$$由 在 上不是达布可积的,知 ,故 $\displaystyle\lim{n\rightarrow∞}R(f,\mathcal Pn,t_n)\ne\lim{n\rightarrow∞}R(f,\mathcal P_n,T_n)。设\tau_n在n为奇数时为t_n,在n为偶数时为T_n,则数列{R(f,\mathcal P_n,\tau_n)}发散。但由知f在[a,b]上是黎曼可积的,由黎曼可积的定义知数列{R(f,\mathcal P_n,\tau_n)}收敛,矛盾。综上,假设不成立。\implies:任给\epsilon>0。由f在[a,b]上是达布可积的,知\underline{\int_a^b}f=\overline{\int_a^b}f=\int_a^bf,于是由细划分引理知存在\delta>0,使得对[a,b]的任何网格小于\delta的划分\mathcal P$,有而对这两个不等式中 的任意一组标签 ,有 ,于是 。因此 在 上是黎曼可积的。
b) 由 a) 的 (ii)(i) 证明的末尾可以看出, 在 上的黎曼积分等于 。

推论 13 黎曼积分满足性质 (I0)、(I1)、(I2)、(I3)。

推论 14 黎曼积分满足微积分基本定理。

我们终于大功告成。