数学分析笔记16:重积分

2020年06月05日 阅读数:539
这篇文章主要向大家介绍数学分析笔记16:重积分,主要内容包括基础应用、实用技巧、原理机制等方面,希望对大家有所帮助。

定义在矩体上的积分

积分的定义与性质

为了引入重积分,咱们能够先从重积分的物理背景及几何背景提及。咱们时常要求一个空间物体的质量或者一个曲顶柱体的体积。对一个曲顶柱体
在这里插入图片描述
对于底面是 R 2 R^2 的一个区域 D D ,顶面是曲面 z = f ( x , y ) z=f(x,y) 的曲顶柱体,如何求其体积呢?若是底面 D D 是一个矩形区域,咱们能够把矩形经过“划分”网格的方式划分为若干小曲顶柱体,分别求解其体积,高选定为区域内某一点 ( ξ , ζ ) (\xi,\zeta) 的函数值 f ( ξ , ζ ) f(\xi,\zeta) ,估计其体积为 f ( ξ , ζ ) S ( Δ D ) f(\xi,\zeta)S(\Delta D) ,再把这些加总起来,当划分的每个小矩形的最大直径都趋于0时,若存在一个极限,那么这个极限是曲顶柱体的体积。
可是,假如 D D 不是一个矩形区域,该如何求解呢?咱们固然的是将 D D 划分为若干小区域 Δ D 1 , , Δ D n \Delta D_1,\cdots,\Delta D_n ,逐个击破,每一个小曲顶柱体的体积就应当是 f ( ξ k , ζ k ) S ( Δ D k ) ( k = 1 , , n ) f(\xi_k,\zeta_k)S(\Delta D_k)(k=1,\cdots,n) ,但是问题在于, S ( Δ D k ) S(\Delta D_k) 该如何求解呢?为了解决这个问题,咱们要引入Jordan测度。咱们知道,对于平面的矩形 D = { ( x , y ) : a 1 x b 1 , a 2 y b 2 } D=\{ (x,y) :a_1\le x \le b_1,a_2\le y\le b_2 \} 其面积应当是 S ( D ) = ( b 1 a 1 ) ( b 2 a 2 ) S(D)=(b_1-a_1)(b_2-a_2) 。空间矩体 D = { ( x , y ) : a i x b i , 1 i 3 } D=\{(x,y):a_i\le x \le b_i ,1\le i\le 3\} 其体积应当是 V ( D ) = ( b 1 a 1 ) ( b 2 a 2 ) ( b 3 a 3 ) V(D)=(b_1-a_1)(b_2-a_2)(b_3-a_3) 。咱们定义 R n R^n 上的矩体为 i = 1 n [ a i , b i ] \displaystyle\prod_{i=1}^n [a_i,b_i] ,其体积应当为 V = i = 1 n ( b i a i ) \displaystyle V=\prod_{i=1}^n(b_i-a_i) ,若考虑两个向量 a = ( a 1 , , a n ) a=(a_1,\cdots,a_n) b = ( b 1 , , b n ) b=(b_1,\cdots,b_n) ,后者的每个份量都大于前者对应的份量,此时称 a b a\le b ,则矩体 i = 1 n [ a i , b i ] \displaystyle\prod_{i=1}^n [a_i,b_i] 也能够记为 [ a , b ] [a,b] ,这就如同定积分的区间同样。全部矩体的体积都是已经规定好的。容易证实,这样规定的体积有有限可加性(具体证实的过程省略):矩体 I = k = 1 n I k \displaystyle I=\bigcup_{k=1}^n I_k ,其中 I i I j = ( i j ) I_i^\circ \cap I_j^\circ = \emptyset(i\neq j) ,则 I = k = 1 n I k \displaystyle|I|=\sum_{k=1}^n|I_k|
咱们以此为起点,先定义函数在矩体上的积分,对于任意的点集 E E ,咱们找一个矩体 I I ,知足 E I E\subset I ,定义 I I 上的函数 I E ( x ) = { 1 x E 0 x E I_E(x)= \begin{cases} 1&x\in E\\ 0&x\notin E \end{cases} 则按照几何意义, I I E ( x ) d x \displaystyle \int_I I_E(x)dx 就应当是 E E 的体积。那么这就涉及一个可积与否的问题,假如这个函数可积,咱们就称 E E 是Jordan可测的,这个积分是 E E 的体积,不然 E E 是Jordan不可测的。为了方便讨论,咱们定义两点 x = ( x 1 , x 2 , , x n ) , y = ( y 1 , , y n ) x=(x_1,x_2,\cdots,x_n),y=(y_1,\cdots,y_n) 之间的距离是 d ( x , y ) = max 1 i n x i y i d(x,y)=\max_{1\le i\le n}|x_i-y_i| 这样作的好处是,某点 x x 的邻域 B ( x , r ) B(x,r) 是一个以 x x 为中心,边长为 2 r 2r 的矩体。接下来,咱们该如何定义这种积分呢?天然地,咱们想将 R n R^n 上的矩体区域 I I ,分红若干个两两无公共内点的小矩体区域 Δ : I 1 , , I n \Delta:I_1,\cdots,I_n ,同时 k = 1 n I k = I \displaystyle \bigcup_{k=1}^n I_k = I f ( x ) f(x) 是定义 I I 上的 n n 元函数,选择 ξ k I k ( k = 1 , , n ) \xi_k\in I_k(k=1,\cdots,n) ,做黎曼和 S ( Δ , f , ξ ) = k = 1 n f ( ξ k ) I k S(\Delta,f,\xi)=\sum_{k=1}^n f(\xi_k)|I_k| 这个公式里 I k |I_k| 表示 I k I_k 的体积,从此也是一样的记号。当最大直径 λ ( Δ ) = max 1 k n d ( I k ) 0 \displaystyle\lambda(\Delta)= \max_{1\le k \le n}d(I_k)\to 0 时,不论 ξ \xi 如何选择,都趋于同一实数 I I ,就称为 f ( x ) f(x) I I 上的积分。这和定积分的定义形式是相似的,只不过是从划分区间改为了划分矩体罢了。下面给出矩体上的积分的正式定义:html

定义16.1(矩体上的积分) I I R n R^n 上的矩体区域, f ( x ) f(x) 是定义在 I I 上的函数,若是存在实数 V V ,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,都存在 δ > 0 \delta>0 ,使得对 I I 的任意分划 Δ : I 1 , , I n \Delta:I_1,\cdots,I_n ,其中 I 1 , , I n I_1,\cdots,I_n 两两无公共内点,且 k = 1 n I k = I \displaystyle \bigcup_{k=1}^n I_k = I ,只要 λ ( Δ ) = max 1 k n d ( I k ) < δ \displaystyle\lambda(\Delta)=\max_{1\le k \le n}d(I_k)<\delta ,不论选择何种 ξ k I k ( k = 1 , , n ) \xi_k\in I_k(k=1,\cdots,n) ,其黎曼和 S ( Δ , f , ξ ) = k = 1 n f ( ξ k ) I k \displaystyle S(\Delta,f,\xi)=\sum_{k=1}^n f(\xi_k)|I_k| 都知足 S ( Δ , f , ξ ) V < ε |S(\Delta,f,\xi)-V|<\varepsilon 则称 f ( x ) f(x) I I 上可积, V V f ( x ) f(x) I I 上的积分,记为 I = I f ( x ) d x \displaystyle I=\int_I f(x)dx web

下面咱们来证实矩体上的积分的一些性质:数组

定理16.1(有界性) f ( x ) f(x) I I 上可积,则 f ( x ) f(x) I I 上的有界函数闭包

证:反证法,若 f ( x ) f(x) I I 上可积但无界,则设 V = I f ( x ) d x V=\int_I f(x)dx ,则对任何的分划 Δ I 1 , , I n \Delta:I_1,\cdots,I_n I = k = 1 n I k \displaystyle I=\bigcup_{k=1}^n I_k ,且 I 1 , , I k I_1,\cdots,I_k 两两无公共内点,存在某个小矩体, f ( x ) f(x) 在其上无界,不妨设 f ( x ) f(x) 就在 I 1 I_1 上无界,取定 ξ k I k ( k = 2 , , n ) \xi_k\in I_k(k=2,\cdots,n) ,存在 ξ 1 I 1 \xi_1 \in I_1 ,使得 f ( ξ 1 ) > V I + 1 I 1 ( 1 + k = 2 n ( f ( ξ 2 ) V I ) I k ) |f(\xi_1)|>\frac{|V|}{|I|}+\frac{1}{|I_1|}(1+\left|\sum_{k=2}^n(f(\xi_2)-\frac{V}{|I|})|I_k|\right|) f ( ξ 1 ) V I I 1 I 1 ( f ( ξ 1 ) V I ) > 1 + k = 2 n ( f ( ξ 2 ) V I ) I k |f(\xi_1)-\frac{V}{|I|}||I_1|\ge |I_1|(|f(\xi_1)|-\frac{|V|}{|I|})>1+\left|\sum_{k=2}^n(f(\xi_2)-\frac{V}{|I|})|I_k|\right| k = 1 n f ( ξ k ) I k V f ( ξ 1 ) V I I 1 k = 2 n ( f ( ξ 2 ) V I ) I k > 1 \left|\sum_{k=1}^nf(\xi_k)|I_k|-V\right| \ge |f(\xi_1)-\frac{V}{|I|}||I_1| - \left|\sum_{k=2}^n(f(\xi_2)-\frac{V}{|I|})|I_k|\right|>1 也就是说,不管何种分划,都存在一种取法,使得 S V > 1 |S-V|>1 ,与 V = I f ( x ) d x V=\int_I f(x)dx 矛盾,矛盾产生的缘由是假设了 f ( x ) f(x) I I 上无界,所以, f ( x ) f(x) I I 上有界app

定理16.2(线性性质) f ( x ) f(x) g ( x ) g(x) 都是 R n R^n 上的矩体 I I 上的可积函数,则对任意的实数 α , β \alpha,\beta α f ( x ) + β g ( x ) \alpha f(x)+\beta g(x) I I 上可积,而且 I [ α f ( x ) + β g ( x ) ] d x = α I f ( x ) d x + β I g ( x ) d x \int_{I}{[\alpha f(x)+\beta g(x)]dx}=\alpha \int_{I}f(x)dx+\beta \int_I g(x)dx ide

证:设 I f ( x ) d x = A \displaystyle\int_If(x)dx=A I g ( x ) d x = B \displaystyle\int_Ig(x)dx=B ,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在 δ 1 > 0 , δ 2 > 0 \delta_1>0,\delta_2>0 ,对 I I 的任意分划 Δ \Delta ,只要 λ ( Δ ) < δ 1 \lambda(\Delta)<\delta_1 时,对任意的标志点 ξ \xi ,黎曼和知足 S ( f , Δ , ξ ) A < ε 2 \left|S(f,\Delta,\xi)-A\right|<\frac{\varepsilon}{2} 只要 λ ( Δ ) < δ 1 \lambda(\Delta)<\delta_1 ,对任意的标志点 ξ \xi ,黎曼和知足 S ( g , Δ , ξ ) B < ε 2 \left|S(g,\Delta,\xi)-B\right|<\frac{\varepsilon}{2} λ ( Δ ) < min ( δ 1 , δ 2 ) \lambda(\Delta)<\min(\delta_1,\delta_2) 时,对任意的标志点 ξ \xi ,则有 S ( f + g , Δ , ξ ) ( A + B ) = S ( f , Δ , ξ ) + S ( g , Δ , ξ ) ( A + B ) S ( f , Δ , ξ ) A + S ( g , Δ , ξ ) B < ε \begin{aligned} &\left|S(f+g,\Delta,\xi)-(A+B)\right|\\ =&\left|S(f,\Delta,\xi)+S(g,\Delta,\xi)-(A+B)\right|\\ \le&|S(f,\Delta,\xi)-A|+|S(g,\Delta,\xi)-B|<\varepsilon \end{aligned} 另外一方面,对任意的实数 α 0 \alpha\neq0 ,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在 δ > 0 \delta>0 ,对任意的 I I 的分划 Δ \Delta ,只要 λ ( Δ ) < δ \lambda(\Delta)<\delta ,对任意的标志点 ξ \xi ,都有 S ( f , Δ , ξ ) A < ε α \left|S(f,\Delta,\xi)-A\right|<\frac{\varepsilon}{|\alpha|} S ( α f , Δ , ξ ) α A = α S ( f , Δ , ξ ) A < ε \left|S(\alpha f,\Delta,\xi)-\alpha A\right|=|\alpha|\left|S(f,\Delta,\xi)-A\right|<\varepsilon 综上,可积函数空间是一个线性空间,积分是其上的线性变换,这就证实了这个定理svg

定理16.3(不等式性质) f ( x ) f(x) g ( x ) g(x) 都是 R n R^n 上的矩体 I I 上的可积函数,而且 f ( x ) g ( x ) , x I f(x)\le g(x),\forall x\in I ,有 I f ( x ) d x I g ( x ) d x \displaystyle \int_I f(x)dx \le \int_I g(x)dx 函数

证:
对任意的黎曼和 S ( f , Δ , ξ ) S(f,\Delta,\xi) ,都有 S ( f , Δ , ξ ) S ( g , Δ , ξ ) S(f,\Delta,\xi)\le S(g,\Delta,\xi) ,两边令 λ ( Δ ) 0 \lambda(\Delta)\to 0 ,便可证得结论spa

定理16.4(绝对值性质) f ( x ) f(x) R n R^n 上的矩体 I I 上的可积函数,则 f ( x ) |f(x)| R n R^n 上的矩体 I I 上的可积函数,同时 I f ( x ) d x I f ( x ) d x \left|\int_If(x)dx\right|\le \int_I|f(x)|dx orm

证:可积性在下一节证实,下面证实以上的不等式,对任意的黎曼和 S ( f , Δ , ξ ) = k = 1 n f ( ξ k ) I k \displaystyle S(f,\Delta,\xi)=\sum_{k=1}^n{f(\xi_k)|I_k|} ,有 k = 1 n f ( ξ k ) I k k = 1 n f ( ξ k ) I k \left|\sum_{k=1}^n{f(\xi_k)|I_k|}\right|\le\sum_{k=1}^n|f(\xi_k)||I_k| 两边令 λ ( Δ ) 0 \lambda(\Delta)\to0 便可证得结论

定理16.5(区间可加性) f ( x ) f(x) R n R^n 上的矩体 I I 上的可积函数,矩体 I 0 I I_0\subset I ,则 f ( x ) f(x) I 0 I_0 上的可积函数,而且,若 Δ : I 1 , , I n \Delta:I_1,\cdots,I_n I I 的一个分划,则 I f ( x ) d x = k = 1 n I k f ( x ) d x \int_{I}f(x)dx = \sum_{k=1}^n{\int_{I_k}f(x)dx}

证:可积性后面证实,这里仅证上面的不等式,令 I k f ( x ) d x = A k \displaystyle \int_{I_k}f(x)dx=A_k ,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在 δ > 0 \delta>0 ,使得对 k = 1 , , n k=1,\cdots,n ,对任意的 I k I_k 的分划 Δ k \Delta_k ,只要 λ ( Δ k ) < δ \lambda(\Delta_k)<\delta ,对任意的标志点 ξ ( k ) \xi^{(k)} ,都有 S ( f , Δ k , ξ k ) A k < ε n \displaystyle\left|S(f,\Delta_k,\xi_k)-A_k\right|<\frac{\varepsilon}{n} ,将这些分划合并为 I I 的分划 Δ \Delta ,此时 S ( f , Δ , ξ ) k = 1 n A k k = 1 n S ( f , Δ k , ξ k ) A k < ε \displaystyle|S(f,\Delta,\xi)-\sum_{k=1}^nA_k|\le \sum_{k=1}^n|S(f,\Delta_k,\xi_k)-A_k|<\varepsilon ,这就证实了 I f ( x ) d x = k = 1 n A k \displaystyle\int_If(x)dx=\sum_{k=1}^n A_k

可积性理论

为了解决Jordan可测集和不可测集的定义问题,咱们要研究矩体上的函数什么时候可积。一样地,咱们的策略是平行于定积分可积性的理论将重积分可积性理论搭建起来。咱们模仿定积分的可积性理论,给出三个引理,首先对于矩体 I I 上的有界函数 f ( x ) f(x) ,给定一个分划 Δ I 1 , , I n \Delta:I_1,\cdots,I_n I = k = 1 n I k \displaystyle I=\bigcup_{k=1}^n I_k ,且 I 1 , , I k I_1,\cdots,I_k 两两无公共内点,定义对应的达布上和以及达布下和为 S ( f , Δ ) = k = 1 n M k I k , S ( f , Δ ) = k = 1 n m k I k \displaystyle \overline{S}(f,\Delta)=\sum_{k=1}^nM_k|I_k|,\underline{S}(f,\Delta)=\sum_{k=1}^nm_k|I_k| ,其中, m k , M k m_k,M_k f ( x ) f(x) I k I_k 上的下确界和上确界 ( k = 1 , , n ) (k=1,\cdots,n)

引理16.1 S ( f , Δ ) , S ( f , Δ ) \overline{S}(f,\Delta),\underline{S}(f,\Delta) f ( x ) f(x) Δ \Delta 上一切黎曼和的上确界和下确界

对于矩体 I I ,给定两个分划 Δ , Δ \Delta,\Delta^\prime ,若是对任意的 I k Δ I_k\in \Delta^\prime ,存在 I j Δ I^\prime_j\in \Delta ,知足 I k I j I_k\subset I^\prime_j ,则称 Δ \Delta^\prime Δ \Delta 的加细,记为 Δ Δ \Delta^\prime \le \Delta

引理16.2 对于矩体 I I ,给定两个分划 Δ , Δ \Delta,\Delta^\prime f f I I 上的一个有界函数,而且 Δ Δ \Delta^\prime \le \Delta ,则 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) \underline{S}(f,\Delta) \le \underline{S}(f,\Delta^\prime) \le \overline{S}(f,\Delta^\prime)\le\overline{S}(f,\Delta)

引理16.3 对于矩体 I I ,给定两个分划 Δ , Δ \Delta,\Delta^\prime f f I I 上的一个有界函数,都有 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) \underline{S}(f,\Delta) \le \overline{S}(f,\Delta^\prime)

这三个引理的证实和定积分彻底相似,这里省略具体的证实过程,利用上面三个引理,咱们能够得出两个结论,给定矩体 I I 及其上的有界函数 f ( x ) f(x) ,全部黎曼上和有下确界,咱们记为 I f ( x ) d x \displaystyle\overline{\int}_If(x)dx ,称为 f ( x ) f(x) I I 上的上积分,全部的黎曼下和有上确界,记为 I f ( x ) d x \displaystyle\underline{\int}_If(x)dx ,称为 f ( x ) f(x) I I 上的下积分。接下来,咱们给出可积的第一个充要条件:

定理16.6(可积的充要条件1) 给定矩体 I I 及其上的有界函数 f ( x ) f(x) ,可积的充要条件是 lim λ ( Δ ) 0 [ S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) ] = 0 \lim_{\lambda(\Delta)\to0}[\overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)]=0

证:充分性,若是 lim λ ( Δ ) 0 [ S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) ] = 0 \displaystyle\lim_{\lambda(\Delta)\to0}[\overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)]=0 ,因为 S ( f , Δ ) I f ( x ) d x I f ( x ) d x S ( f , Δ ) \overline{S}(f,\Delta)\ge \overline{\int}_If(x)dx\ge\underline{\int}_If(x)dx\ge \underline{S}(f,\Delta) 对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在 δ > 0 \delta>0 ,当 λ ( Δ ) < δ \lambda(\Delta)<\delta 时, [ S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) ] < ε [\overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)]<\varepsilon ,则 I f ( x ) d x I f ( x ) d x [ S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) ] < ε \displaystyle\overline{\int}_If(x)dx-\underline{\int}_If(x)dx \le [\overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)]<\varepsilon ,由 ε \varepsilon 的任意性,就有 I f ( x ) d x = I f ( x ) d x \displaystyle\overline{\int}_If(x)dx=\underline{\int}_If(x)dx ,令 I f ( x ) d x = I f ( x ) d x = A \displaystyle\overline{\int}_If(x)dx=\underline{\int}_If(x)dx=A ,则 S ( f , Δ ) A S ( f , Δ ) \overline{S}(f,\Delta)\ge A\ge \underline{S}(f,\Delta) 任意的黎曼和也知足 S ( f , Δ ) S ( f , Δ , ξ ) S ( f , Δ ) \overline{S}(f,\Delta)\ge S(f,\Delta,\xi)\ge \underline{S}(f,\Delta) 则当 λ ( Δ ) < δ \lambda(\Delta)<\delta S ( f , Δ , ξ ) A S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < ε |S(f,\Delta,\xi)-A|\le \overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta) <\varepsilon 按积分的定义,就有 I f ( x ) d x = A \displaystyle \int_If(x)dx = A
必要性,若是 f ( x ) f(x) I I 上可积,设 I f ( x ) d x = A \displaystyle \int_If(x)dx = A ,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在 δ > 0 \delta>0 ,对任意的 I I 的分划 Δ \Delta ,对任意的标志点 ξ \xi ,都有 A ε < S ( f , Δ , ξ ) < A + ε A-\varepsilon<S(f,\Delta,\xi)< A+\varepsilon 由引理16.1,就有 A ε S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) A + ε A-\varepsilon\le \underline{S}(f,\Delta) \le \overline{S}(f,\Delta)\le A+\varepsilon 此时 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < 2 ε \overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<2\varepsilon lim λ ( Δ ) 0 [ S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) ] = 0 \displaystyle \lim_{\lambda(\Delta)\to 0}[\overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)]=0

也就是振幅和极限为0是可积的充要条件,在重积分的情形下一样能够证实达布定理

定理16.7(达布定理) 给定矩体 I I 及其上的有界函数 f ( x ) f(x) ,则有 lim λ ( Δ ) 0 S ( f , Δ ) = I f ( x ) d x lim λ ( Δ ) 0 S ( f , Δ ) = I f ( x ) d x \lim_{\lambda(\Delta)\to0}{\overline{S}(f,\Delta)} = \overline{\int}_If(x)dx\\ \lim_{\lambda(\Delta)\to0}{\underline{S}(f,\Delta)} = \underline{\int}_If(x)dx

证:仅证实 lim λ ( Δ ) 0 S ( f , Δ ) = I f ( x ) d x \displaystyle\lim_{\lambda(\Delta)\to0}{\overline{S}(f,\Delta)} = \overline{\int}_If(x)dx lim λ ( Δ ) 0 S ( f , Δ ) = I f ( x ) d x \displaystyle \lim_{\lambda(\Delta)\to0}{\underline{S}(f,\Delta)} = \underline{\int}_If(x)dx 的证实是相似的。
首先,咱们要说明的是,对于 R n R^n 的一个矩体 I = k = 1 n [ a k , b k ] \displaystyle I=\prod_{k=1}^n[a_k,b_k] ,做小开矩体 I = k = 1 n ( a k + δ , b k δ ) \displaystyle I^\prime=\prod_{k=1}^n{(a_k+\delta,b_k-\delta)} ,二者的体积差为 V ( I ) V ( I ) V(I^\prime)-V(I) δ 0 \delta\to 0 时趋于0,实际上 V ( I ) V ( I ) = k = 1 n ( b k a k ) k = 1 n ( b k a k 2 δ ) = c 1 δ + c 2 δ 2 + + c n δ n \begin{aligned} V(I^\prime)-V(I)=&\prod_{k=1}^n(b_k-a_k)-\prod_{k=1}^n(b_k-a_k-2\delta)\\=&c_1\delta+c_2\delta^2+\cdots+c_n\delta^n \end{aligned} 是关于 δ \delta 的多项式且常数项为0,对于某个特定的分划 Δ : I 1 , , I m \Delta:I_1,\cdots,I_m ,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,设 I k = i = 1 n [ a i ( k ) , b i ( k ) ] I_k=\prod_{i=1}^n{[a_i^{(k)},b_i^{(k)}]} ,做开矩体 I k ( δ ) = i = 1 n ( a i ( k ) + δ , b i ( k ) δ ) I_k^\prime(\delta)=\prod_{i=1}^n(a_i^{(k)}+\delta,b_i^{(k)}-\delta) ,存在 δ 0 > 0 \delta_0>0 ,当 δ < δ 0 \delta<\delta_0 时, k = 1 m V ( I k ) k = 1 m V ( I k ( δ ) ) < ε \displaystyle \sum_{k=1}^m V(I_k)-\sum_{k=1}^m V(I_k^\prime(\delta))<\varepsilon 。对于另外一个分划 Δ \Delta^\prime ,只要 λ ( Δ ) < δ 0 \lambda(\Delta^\prime)<\delta_0 ,则其和 Δ \Delta 某个小矩体边界相交的小矩体之并所有包含在 k = 1 n I k / k = 1 n I k ( δ 0 ) \displaystyle \bigcup_{k=1}^nI_k/\bigcup_{k=1}^nI_k^\prime(\delta_0) 内,从而这些小矩体的体积之和小于 ε \varepsilon 。下面咱们来证实达布定理。
由上积分的定义,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在分划 Δ 0 \Delta_0 ,使得 I f ( x ) d x ε 2 < S ( f , Δ 0 ) I f ( x ) d x \overline{\int}_If(x)dx-\frac{\varepsilon}{2}<\overline{S}(f,\Delta_0)\le \overline{\int}_If(x)dx f ( x ) M > 0 , x I |f(x)|\le M>0,\forall x\in I ,对 Δ 0 \Delta_0 ,存在 δ 0 > 0 \delta_0>0 ,对任意分划 Δ \Delta ,只要 λ ( Δ ) < δ 0 \lambda(\Delta)<\delta_0 ,则 Δ \Delta Δ 0 \Delta_0 小矩形边界相交的小矩体的体积和小于 ε 4 M \frac{\varepsilon}{4M} ,此时,令 Δ 0 \Delta_0^\prime Δ \Delta Δ 0 \Delta_0 的合并,则 S ( f , Δ ) \overline{S}(f,\Delta) S ( f , Δ 0 ) \overline{S}(f,\Delta_0^\prime) 有差别的项是那些与 Δ 0 \Delta_0 小矩形边界相交的小矩体,而哪些含在 Δ 0 \Delta_0 某个小矩形内部的小矩体对应的项是没有差别的,此时 S ( f , Δ ) S ( f , Δ 0 ) < 2 M ε 4 M = ε 2 |\overline{S}(f,\Delta)-\overline{S}(f,\Delta_0^\prime)|<2M\frac{\varepsilon}{4M}=\frac{\varepsilon}{2} S ( f , Δ ) I f ( x ) d x S ( f , Δ ) S ( f , Δ 0 ) + S ( f , Δ 0 ) I f ( x ) d x < ε \begin{aligned} &|\overline{S}(f,\Delta)-\overline{\int}_{I}f(x)dx|\\\le& |\overline{S}(f,\Delta)-\overline{S}(f,\Delta_0^\prime)|+|\overline{S}(f,\Delta_0^\prime)-\overline{\int}_{I}f(x)dx|\\<&\varepsilon \end{aligned} 这就证实了 lim λ ( Δ ) 0 S ( f , Δ ) = I f ( x ) d x \displaystyle\lim_{\lambda(\Delta)\to0}\overline{S}(f,\Delta)=\overline{\int}_If(x)dx

这样,就能够获得可积的第二个充要条件

定理16.8(可积的充要条件2) 给定矩体 I I 及其上的有界函数 f ( x ) f(x) ,可积的充要条件是 I f ( x ) d x = I f ( x ) d x \overline{\int}_If(x)dx=\underline{\int}_If(x)dx

定理16.9(可积的充要条件3) 给定矩体 I I 及其上的有界函数 f ( x ) f(x) ,可积的充要条件是对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在分划 Δ \Delta ,知足 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < ε \displaystyle \overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<\varepsilon

证:
充分性,若对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在分划 Δ \Delta ,知足 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < ε \displaystyle \overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<\varepsilon ,因为 S ( f , Δ ) f ( x ) d x f ( x ) d x S ( f , Δ ) \underline{S}(f,\Delta)\le \underline{\int}f(x)dx\le\overline{\int}f(x)dx\le\overline{S}(f,\Delta) f ( x ) d x f ( x ) d x S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < ε \overline{\int}f(x)dx-\underline{\int}f(x)dx\le \overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<\varepsilon ε \varepsilon 的任意性,上下积分相等,所以 f ( x ) f(x) I I 上可积
必要性,若 f ( x ) f(x) I I 上可积,则上下积分相等,由上下积分的定义,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在分划 Δ 1 \Delta_1 ,知足 S ( f , Δ 1 ) I f ( x ) d x < ε 2 \left|\overline{S}(f,\Delta_1)-\int_If(x)dx\right|<\frac{\varepsilon}{2} 存在分划 Δ 2 \Delta_2 ,知足 S ( f , Δ 1 ) I f ( x ) d x < ε 2 \left|\underline{S}(f,\Delta_1)-\int_If(x)dx\right|<\frac{\varepsilon}{2} Δ 1 , Δ 2 \Delta_1,\Delta_2 的合并分划 Δ 0 \Delta_0 Δ 0 \Delta_0 即知足条件。

定理16.11(可积的充要条件4) 有界函数 f ( x ) f(x) 在矩体 I I 上可积的充要条件是 ε > 0 \forall \varepsilon>0 δ > 0 \forall \delta>0 ,存在分划 Δ \Delta Δ \Delta 中振幅大于 δ \delta 的小矩体体积和小于 ε \varepsilon

证:
充分性,若是 ε > 0 \forall \varepsilon>0 δ > 0 \forall \delta>0 ,存在分划 Δ \Delta Δ \Delta 中振幅大于 δ \delta 的小矩体体积和小于 ε \varepsilon 。则设 f ( x ) M ( x I ) |f(x)|\le M(\forall x\in I) ε > 0 \forall \varepsilon>0 ,令 δ 0 = ε 2 I \delta_0=\frac{\varepsilon}{2|I|} ,令 ε 0 = ε 4 M \varepsilon_0=\frac{\varepsilon}{4M} ,则存在分划 Δ ε \Delta_\varepsilon ,知足 Δ ϵ \Delta_\epsilon 中振幅大于 δ 0 \delta_0 的小矩体的体积和小于 ε 0 \varepsilon_0 。将 Δ ε \Delta_\varepsilon 中的小矩体分为两类,一类是振幅大于 δ 0 \delta_0 的小矩体,全体记为 Δ 1 \Delta_1 ,另外一类是振幅不超过 δ 0 \delta_0 的小矩体,全体记为 Δ 2 \Delta_2 ,则 S ( f , Δ ε ) S ( f , Δ ε ) = I k Δ 1 ω ( I k ) I k + I k Δ 2 ω ( I k ) I k 2 M I k Δ 1 I k + δ 0 I k Δ 2 I k < 2 M ε 0 + δ 0 I = ε \begin{aligned} &\overline{S}(f,\Delta_\varepsilon)-\underline{S}(f,\Delta_\varepsilon)=\sum_{I_k\in \Delta_1}\omega(I_k)|I_k|+\sum_{I_k\in\Delta_2}\omega(I_k)|I_k|\\ \le&2M\sum_{I_k\in \Delta_1}|I_k|+\delta_0\sum_{I_k\in\Delta_2}|I_k|<2M\varepsilon_0+\delta_0|I|=\varepsilon \end{aligned} 所以 f ( x ) f(x) I I 上可积。
必要性,若是 f ( x ) f(x) I I 上可积,若是 ε 0 > 0 \exists \varepsilon_0>0 δ 0 > 0 \exists \delta_0>0 ,对任意分划 Δ \Delta ,其振幅大于 δ 0 \delta_0 的小矩体的体积和大于 ε 0 \varepsilon_0 ,则对任意的分划 Δ \Delta ,将 Δ ε \Delta_\varepsilon 中的小矩体分为两类,一类是振幅大于 δ 0 \delta_0 的小矩体,全体记为 Δ 1 \Delta_1 ,另外一类是振幅不超过 δ 0 \delta_0 的小矩体,全体记为 Δ 2 \Delta_2 ,因而 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) = I k Δ 1 ω ( I k ) I k + I k Δ 2 ω ( I k ) I k I k Δ 1 ω ( I k ) I k > δ 0 I k Δ 1 I k δ 0 ε 0 > 0 \begin{aligned} &\overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)=\sum_{I_k\in \Delta_1}\omega(I_k)|I_k|+\sum_{I_k\in\Delta_2}\omega(I_k)|I_k|\\\ge&\sum_{I_k\in \Delta_1}\omega(I_k)|I_k|>\delta_0\sum_{I_k\in\Delta_1}|I_k|\ge \delta_0\varepsilon_0>0 \end{aligned} f ( x ) f(x) 可积矛盾,所以, ε > 0 \forall \varepsilon>0 δ > 0 \forall \delta>0 ,存在分划 Δ \Delta Δ \Delta 中振幅大于 δ \delta 的小矩体体积和小于 ε \varepsilon

例16.1 f ( x ) f(x) I I 上可积,则 f ( x ) |f(x)| I I 上可积

证:对任意的点集 D D ,对任意的 x 1 , x 2 D x_1,x_2\in D ,则 f ( x 1 ) f ( x 2 ) f ( x 1 ) f ( x 2 ) |f(x_1)-f(x_2)|\ge ||f(x_1)|-|f(x_2)|| ω ( f , D ) = sup x 1 , x 2 D f ( x 1 ) f ( x 2 ) ω ( f , D ) = sup x 1 , x 2 D f ( x 1 ) f ( x 2 ) \begin{aligned} \omega(f,D)=&\sup_{x_1,x_2\in D}|f(x_1)-f(x_2)|\\\ge&\omega(|f|,D)=\sup_{x_1,x_2\in D}||f(x_1)|-|f(x_2)|| \end{aligned} 所以,对任意的 I I 的分划 Δ : I 1 , , I n \Delta:I_1,\cdots,I_n ,则 k = 1 n ω ( f , I k ) I k k = 1 n ω ( f , I k ) I k \sum_{k=1}^n\omega(f,I_k)|I_k|\ge\sum_{k=1}^n\omega(|f|,I_k)|I_k| 因为 f ( x ) f(x) I I 上可积,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在分划 Δ \Delta ,有 k = 1 n ω ( f , I k ) I k < ε \sum_{k=1}^n\omega(f,I_k)|I_k|<\varepsilon 所以 k = 1 n ω ( f , I k ) I k < ε \sum_{k=1}^n\omega(|f|,I_k)|I_k|<\varepsilon 所以 f ( x ) |f(x)| 可积

例16.2 f ( x ) f(x) I I 上可积,矩体 I I I^\prime\subset I ,则 f ( x ) f(x) I I^\prime 上可积

证:因为 f ( x ) f(x) I I 上可积,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在分划 Δ : I 1 , , I n \Delta:I_1,\cdots,I_n ,使得 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < ε \overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<\varepsilon 取分划 Δ \Delta^\prime ,是 Δ \Delta 的加细,而且包含 I I 1 , I I 2 , , I I n I^\prime\cap I_1,I^\prime\cap I_2,\cdots,I^\prime\cap I_n ,这也是 I I^\prime 的一个分划,记为 Δ 0 \Delta_0 ,因为 Δ \Delta^\prime Δ \Delta 的加细,则 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < ε \overline{S}(f,\Delta^\prime)-\underline{S}(f,\Delta^\prime)\le\overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<\varepsilon ,而 S ( f , Δ 0 ) S ( f , Δ 0 ) \overline{S}(f,\Delta_0)-\underline{S}(f,\Delta_0) 只是 S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) \overline{S}(f,\Delta^\prime)-\underline{S}(f,\Delta^\prime) 的部分项,所以 S ( f , Δ 0 ) S ( f , Δ 0 ) < ε \overline{S}(f,\Delta_0)-\underline{S}(f,\Delta_0)<\varepsilon ,所以 f ( x ) f(x) I I^\prime 上可积。

例16.3 f ( x ) f(x) I I 上可积, I I 0 I\subset I_0 I 0 I_0 也是矩体,则令 f ( x ) = { f ( x ) x I 0 x I \overline{f}(x)=\begin{cases} f(x)&x\in I\\ 0&x\notin I \end{cases} f \overline{f} I 0 I_0 上可积,而且 I f ( x ) d x = I 0 f ( x ) d x \int_If(x)dx=\int_{I_0}f(x)dx

证:因为 f ( x ) f(x) I I 上可积,对任意的 ε > 0 \varepsilon>0 ,存在 I I 的分划 Δ \Delta S ( f , Δ ) S ( f , Δ ) < ε 2 \overline{S}(f,\Delta)-\underline{S}(f,\Delta)<\frac{\varepsilon}{2} ,设 f ( x ) M ( x I ) |f(x)|\le M(\forall x\in I) ,将 I I 的分划 Δ \Delta 扩充为 I 0 I_0 的分划 Δ 0 \Delta_0 ,使得 Δ 0 \Delta_0 中与 I I 的边界相交的小矩体的体积和小于 ε 4 M \frac{\varepsilon}{4M} ,将 Δ 0 \Delta_0 的小矩体分为三类,第一类为原来 Δ \Delta 的小矩体,即 Δ \Delta ,第二类为不在 Δ \Delta 内,但与 I I 的边界交非空的小矩体,全体记为 Δ 1 \Delta_1 ,其他的小矩体记为 Δ 2 \Delta_2 ,所以 S ( f , Δ 0 ) S ( f , Δ 0 ) = I k Δ ω ( I k ) I k + I k Δ 1 ω ( I k ) I k < ε 2 + 2 M I k Δ 1 I k < ε \begin{aligned} &\overline{S}(f,\Delta_0)-\underline{S}(f,\Delta_0)\\=&\sum_{I_k\in \Delta}\omega(I_k)|I_k|+\sum_{I_k\in\Delta_1}\omega(I_k)|I_k|\\<&\frac{\varepsilon}{2}+2M\sum_{I_k\in\Delta_1}|I_k|<\varepsilon \end{aligned}