106
§4.4 Lebesgue积分与Riemann积分
教学目的 本节讨论直线上的Riemann积分(包括广义Riemann积分)
与Lebesgue积分之间的关系.同时给出Riemann可积函数的一个判别条件,
本节要点 用测度理论可以给出函数Riemann可积的一个简明的充要条件,本节的主要结果表明Lebesgue积分是Riemann积分的推广,利用
Lebesgue积分的性质,可以解决一些Riemann积分的问题,
Riemann积分的回顾 设],[ ba是直线上的一个有界闭区间,一个有限序列
},,,{
10 k
xxxP "=称为是],[ ba的一个分割,若.
10
bxxxa
k
=<<<= " 设P和Q是
],[ ba的两个分割,如果,QP? 则称Q是P的一个加细,
设f是定义在],[ ba上的有界实值函数,
k
ii
xP
0
}{
=
=是],[ ba的一个分割,对每个
,,,1 ki "= 令
]}.,[:)(sup{,]},[:)(inf{
11 iiiiii
xxxxfMxxxxfm
∈=∈=
f关于分割P的Darboux下和与Darboux上和分别定义为
.)(),(,)(),(
1
1
1
1 ∑∑
=
=
=?=
k
i
iii
k
i
iii
xxMPfSxxmPfs
),( Pfs和),( PfS的几何意义分别是曲线)(xfy =的下方图形(曲边梯形)的内接阶梯形与外接阶梯形面积(见引言的插图),显然对],[ ba的任意一个分割P,总有
).,(),( PfSPfs ≤ 又容易验证以下实事,
(1),若
1
P和
2
P是],[ ba的两个分割,并且
2
P是
1
P的加细,则有
),,(),(
21
PfsPfs ≤ ).,(),(
12
PfSPfS ≤
(2).对],[ ba的任意两个分割
1
P和
2
P,总有
).,(),(
21
PfSPfs ≤
因此当P取遍],[ ba的所有分割时,f的下和),( Pfs的全体所成的数集上有界,上和
),( PfS的全体所成的数集下有界.令
},],[:),(sup{)(的分割是baPPfsfI =
}.],[:),(inf{)(的分割是baPPfSfI =
107
分别称I和I为f的下积分和上积分,如果,II = 则称f在],[ ba上是Riemann可积的,并且称I和I的公共值为f在],[ ba上的Riemann积分(简称为R积分),为避免与
Lebesgue积分混淆,下面将f在],[ ba上的Riemann积分和Lebesgue积分分别暂记为
(R)
b
a
fdx
∫
和(L),
b
a
fdx
∫
引理1 设f是定义在],[ ba上的有界实值函数,则以下三项是等价的;
).i( f在],[ ba上是Riemann可积的
).ii(对任意,0>ε 存在],[ ba的一个分割P,使得
.),(),( ε<? PfsPfS
).iii(存在],[ ba的一列分割},{
n
P 使得
.0)),(),((lim =?
∞→
nn
n
PfsPfS
证明 ).ii()i(? 设f在],[ ba上是Riemann可积的.记=I (R),
b
a
fdx
∫
则对任意
,0>ε 存在],[ ba的两个分割
1
P和
2
P使得
,
2
),(
1
ε
<? PfsI,
2
),(
2
ε
<?IPfS
令.
21
PPP ∪= 则P是
1
P和
2
P的加细,于是我们有
.)),(()),((),(),(),(),(
1212
ε<?+?≤?≤? PfsIIPfSPfsPfSPfsPfS
).iii()ii(?显然
).i()iii(?设
n
P是],[ ba的一列分割,使得
.0)),(),((lim =?
∞→
nn
n
PfsPfS
对任意,0>ε 取
0
n使得.),(),(
00
ε<?
nn
PfsPfS 于是
ε<?≤? ),(),(
00
nn
PfsPfSII,
由于0>ε是任意的,故必有.II =即f在],[ ba上是Riemann可积的.■
Riemann可积的充要条件与两种积分的关系
定理2 设f是定义在],[ ba上的有界实值函数,则
).i( f在],[ ba上Riemann可积的充要条件是f在],[ ba上几乎处处连续(即f的不连续点的全体是一个Lebesgue零测度集),
).ii(若f是Riemann可积的,则f是Lebesgue可积的,并且两种积分相等,即
(R)
b
a
fdx=
∫
(L),
b
a
fdx
∫
108
证明 设f在],[ ba上是Riemann可积的,由引理1知存在],[ ba的一列分割
)1}(,{
0
≥= nxxP
n
kn
§4.4 Lebesgue积分与Riemann积分
教学目的 本节讨论直线上的Riemann积分(包括广义Riemann积分)
与Lebesgue积分之间的关系.同时给出Riemann可积函数的一个判别条件,
本节要点 用测度理论可以给出函数Riemann可积的一个简明的充要条件,本节的主要结果表明Lebesgue积分是Riemann积分的推广,利用
Lebesgue积分的性质,可以解决一些Riemann积分的问题,
Riemann积分的回顾 设],[ ba是直线上的一个有界闭区间,一个有限序列
},,,{
10 k
xxxP "=称为是],[ ba的一个分割,若.
10
bxxxa
k
=<<<= " 设P和Q是
],[ ba的两个分割,如果,QP? 则称Q是P的一个加细,
设f是定义在],[ ba上的有界实值函数,
k
ii
xP
0
}{
=
=是],[ ba的一个分割,对每个
,,,1 ki "= 令
]}.,[:)(sup{,]},[:)(inf{
11 iiiiii
xxxxfMxxxxfm
∈=∈=
f关于分割P的Darboux下和与Darboux上和分别定义为
.)(),(,)(),(
1
1
1
1 ∑∑
=
=
=?=
k
i
iii
k
i
iii
xxMPfSxxmPfs
),( Pfs和),( PfS的几何意义分别是曲线)(xfy =的下方图形(曲边梯形)的内接阶梯形与外接阶梯形面积(见引言的插图),显然对],[ ba的任意一个分割P,总有
).,(),( PfSPfs ≤ 又容易验证以下实事,
(1),若
1
P和
2
P是],[ ba的两个分割,并且
2
P是
1
P的加细,则有
),,(),(
21
PfsPfs ≤ ).,(),(
12
PfSPfS ≤
(2).对],[ ba的任意两个分割
1
P和
2
P,总有
).,(),(
21
PfSPfs ≤
因此当P取遍],[ ba的所有分割时,f的下和),( Pfs的全体所成的数集上有界,上和
),( PfS的全体所成的数集下有界.令
},],[:),(sup{)(的分割是baPPfsfI =
}.],[:),(inf{)(的分割是baPPfSfI =
107
分别称I和I为f的下积分和上积分,如果,II = 则称f在],[ ba上是Riemann可积的,并且称I和I的公共值为f在],[ ba上的Riemann积分(简称为R积分),为避免与
Lebesgue积分混淆,下面将f在],[ ba上的Riemann积分和Lebesgue积分分别暂记为
(R)
b
a
fdx
∫
和(L),
b
a
fdx
∫
引理1 设f是定义在],[ ba上的有界实值函数,则以下三项是等价的;
).i( f在],[ ba上是Riemann可积的
).ii(对任意,0>ε 存在],[ ba的一个分割P,使得
.),(),( ε<? PfsPfS
).iii(存在],[ ba的一列分割},{
n
P 使得
.0)),(),((lim =?
∞→
nn
n
PfsPfS
证明 ).ii()i(? 设f在],[ ba上是Riemann可积的.记=I (R),
b
a
fdx
∫
则对任意
,0>ε 存在],[ ba的两个分割
1
P和
2
P使得
,
2
),(
1
ε
<? PfsI,
2
),(
2
ε
<?IPfS
令.
21
PPP ∪= 则P是
1
P和
2
P的加细,于是我们有
.)),(()),((),(),(),(),(
1212
ε<?+?≤?≤? PfsIIPfSPfsPfSPfsPfS
).iii()ii(?显然
).i()iii(?设
n
P是],[ ba的一列分割,使得
.0)),(),((lim =?
∞→
nn
n
PfsPfS
对任意,0>ε 取
0
n使得.),(),(
00
ε<?
nn
PfsPfS 于是
ε<?≤? ),(),(
00
nn
PfsPfSII,
由于0>ε是任意的,故必有.II =即f在],[ ba上是Riemann可积的.■
Riemann可积的充要条件与两种积分的关系
定理2 设f是定义在],[ ba上的有界实值函数,则
).i( f在],[ ba上Riemann可积的充要条件是f在],[ ba上几乎处处连续(即f的不连续点的全体是一个Lebesgue零测度集),
).ii(若f是Riemann可积的,则f是Lebesgue可积的,并且两种积分相等,即
(R)
b
a
fdx=
∫
(L),
b
a
fdx
∫
108
证明 设f在],[ ba上是Riemann可积的,由引理1知存在],[ ba的一列分割
)1}(,{
0
≥= nxxP
n
kn