矩形上の2重積分 double integral


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     パラメーターを含む積分の性質、累次積分 
     面積(定義、性質、面積ゼロ・negligible・零集合) 
     矩形上の可積分条件(その3) 

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II. 閉矩形における有界2変数関数積分可能条件の説明に用いられる概念


【文献】

 ・吹田・新保『理工系の微分積分学』190
 ・高木『解析概論』p.325-6  
  ※小平『解析入門II』317-20;黒田『微分積分』348.は連続関数に限定して議論するゆえ、すべて可積分に。



定義:閉矩形における有界関数f(x,y)の過剰和・不足和
  lower Reamann Sum , upper Riemann Sum


[吹田・新保『理工系の微分積分学』190;高木『解析概論』p.325;小平『解析入門II』318;片山『微分積分学』202;
  Lang.Undergraduate Analysis470.杉浦『解析入門I』213:n次元区間一般;  ]
  cf. 1変数関数のリーマン可積分条件の検討におけるfの過剰和・不足和 
(舞台設定)
 K : Kは、R2上の閉区間(閉矩形) { (x ,y ) | a≦x≦b, c≦y≦d }=[a,b]×[c,d]を表すとする。
 
Kij : Kの分割��によってできたmn個の小矩形を
      
Kij ={ (x ,y ) | xi−1≦x≦xi , yj−1≦y≦yj }=[ xi−1, xi ]×[ yj−1, yj ] (i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )
        ただし、x0= a, xm=b, y0= c, yn =d、
   で表すとする。
 
f(x ,y ): ここでは、関数f(x ,y )として、Kの上で定義された有界関数のみを考える。
 
mij , Mij:各小矩形Kij(i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )でのfの下限をmij、上限をMijであらわす。すなわち、
       
      ※ここでは、
f(x ,y )として、K上有界な関数のみを考えているので、mij、Mijも有界。   
(本題)
・
R2上の閉区間(閉矩形)K=[a,b]×[c,d]におけるf(x,y)の不足和s[��]とは、
 「
小矩形Kijにおけるfの下限 mij 」と「 小矩形Kijの面積 」との積を、
 全ての
小矩形 (i=1,2,…,m, j=1,2,…,n で、全部でmn個ある)について足し合わせたもの。
 すなわち、
  
・
R2上の閉区間(閉矩形)Kにおけるf(x,y)の過剰和S[��]とは、
 「
小矩形Kijにおける fの上限Mij」と「 小矩形Kijの面積 」との積を、
 全ての小矩形 (i=1,2,…,m, j=1,2,…,n で、全部でmn個ある)について足し合わせたもの。
 すなわち、
  
      ※ここでは、f(x ,y )として、K上有界な関数のみを考えているので、mij、Mijも有界。
        よって、過剰和・不足和も、有界。→下積分・上積分の存在。 
      ※過剰和・不足和を、上方和・下方和と呼ぶテキストもある[片山『微分積分学』202.]



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定義:振動量・振幅 oscillation

  [ 吹田・新保『理工系の微分積分学』190;高木『解析概論』p.325;杉浦『解析入門I』2120:n次元区間一般;]

  cf. 1変数関数のリーマン可積分条件の検討におけるfの振幅 

(舞台設定)
 
K : Kは、R2上の閉区間(閉矩形) { (x ,y ) | a≦x≦b, c≦y≦d }=[a,b]×[c,d]を表すとする。
 
Kij : Kの分割��によってできたmn個の小矩形を
      
Kij ={ (x ,y ) | xi−1≦x≦xi , yj−1≦y≦yj }=[ xi−1, xi ]×[ yj−1, yj ] (i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )
        ただし、x0= a, xm=b, y0= c, yn =d、
   で表すとする。
 
f(x ,y ): ここでは、関数f(x ,y )として、Kの上で定義された有界関数のみを考える。
 
mij , Mij:各小矩形Kij(i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )でのfの下限をmij、上限をMijであらわす。すなわち、
       
(本題1)
小矩形Kijにおけるf(x,y)の振幅・振動量とは、
Kij(i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )でのfの上限と下限との差のこと。
記号:
ωij 、ω (Kij ; f )、a ( f, Kij )などで表す。
すなわち、

  ωij =Mij− mij 
あるいは、
  
(本題2)
   [ 高木『解析概論』p.325。]

f(x,y)のKijにおける振動量と、過剰和S[��]・不足和s[��]との間に以下の関係が成り立つ
  
 なぜなら、
(以下、Kijの面積を、��Kijと表記)
   
      
= { M11��K11+M12��K12+…+M1n��K1n 
         
+M21��K21+M22��K22+…+M2n��K2n 
          … 
           
+M n 1��K n 1+M n 2��K n 2+…+M n n��K n n}
       
−{ m11��K11+m12��K12+…+m1n��K1n 
          
+m21��K21+m22��K22+…+m2n��K2n 
          … 
           
+m n 1��K n 1+m n 2��K n 2+…+m n n��K n n}
      =(M11��K11− m11��K11)+(M12��K12− m12��K12)+…+(M1n��K1n− m1n��K1n)
         +(M21��K21− m21��K21)+(M22��K22− m22��K22)+…+(M2n��K2n− m2n��K2n) 
          … 
           
+(Mn1��Kn1− mn1��Kn1)+(Mn2��Kn2− mn2��Kn2)+…+(Mnn��Knn− mnn��Knn) 
      
=(M11− m11) ��K11+(M12− m12) ��K12+…+(M1n− m1n) ��K1n
          +
(M21− m21) ��K21+(M22− m22) ��K22+…+(M2n− m2n) ��K2n 
            …
             +
(M n 1− m n 1) ��Kn 1+(M n 2− m n 2) ��Kn 2+…+(M n n− m n n) ��Kn n  
      
=ω11��K11+ω12��K12+…+ω1n��K1n
          +ω
21��K21+ω22��K22+…+ω2n��K2n 
            …
             +ω
n1��Kn 1+ωn2��Kn 2+…+ωn n��Kn n 
      =右辺 

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定義:細分refinement

[杉浦『解析入門I』213:n次元区間一般;黒田『微分積分』348; Lang.Undergraduate Analysis470:証明付 ]
  cf. 1変数関数のリーマン可積分条件の検討における細分 
・
R2上の閉区間(閉矩形) Kの二つの分割�凵A��' があって、�凾フ分点・分割線はすべて、��'の分点・分割線でもあるとき、��'は�凾フ細分であるという。�凵���'と記す。
細分してゆくほど、
不足和は大きくなり、過剰和は小さくなる。
すなわち、�凵���
'なら、s[��]≦s [��']、S[��]≧S[��']。
・R2上の閉区間(閉矩形) Kの二つの分割��1、��2 があって、��1の分点・分割線、��2の分点・分割線を、すべてあつめて、分点・分割線とした分割を、��1と��2の共通の細分と呼ぶ。[黒田『微分積分』348.]

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定理:閉矩形における有界関数f(x,y)の不足和・過剰和の性質
1.    [杉浦『解析入門I』式3.4(p.213):n次元区間一般; 小平『解析入門II』式7.1:319;]
R2上の閉区間(閉矩形) Kにおける有界f(x,y)の不足和・過剰和は、
Kにおけるf(x,y)のリーマン和R[ f ; �� ; {Pij } ]との間に以下の関係が成り立つ。
    
任意の(どんな)「小矩形Kijの代表点{Pij }=(ζij ,ηij )のとりかた」にたいして(でも、)
     s[��]≦R[ f ; �� ; {Pij } ]≦S[��] 

2.    [杉浦『解析入門I』式3.4(p.213):n次元区間一般; ;片山『微分積分学』202.]
細分してゆくほど、R2上の閉区間(閉矩形) Kにおける有界f(x,y)の不足和は大きくなり、過剰和は小さくなる。
すなわち、��
≦��'ならば、s[��]≦s [��']、S[��]≧S[��']。
(1についての解説)
 
f(x,y)の不足和・過剰和、リーマン和の定義を確認してみると、
  
  
  

 ちがうのは、
mij , Mij, Pijの個所だけ。これが、どういう風に定義されていたのかを確認してみると、
    
mij , Mij:各小矩形Kij(i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )でのfの下限をmij、上限をMijであらわす。
    
Pij : 各小矩形Kij (i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )の各々から、勝手に選んだ代表点
 だから、任意の
Pijに対して常に、各小矩形Kijで、mij ≦ f ( Pij ) ≦ Mij   
    よって、各
小矩形Kijで、 mij (K ijの面積)≦ f ( Pij ) (K ijの面積) ≦ Mij (K ijの面積) 



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定義:閉矩形における有界関数fの下積分lower integral・上積分upper integral

[吹田・新保『理工系の微分積分学』190; 高木『解析概論』p.325-6; Lang.Undergraduate Analysis471; 
  黒田『微分積分』348.は連続関数に限定して議論するゆえ、すべて可積分に。
  杉浦『解析入門I』213:n次元区間一般;     ]
    cf. リーマン可積分条件の検討におけるfの下積分・上積分 
(舞台設定)
 
K : Kは、R2上の閉区間(閉矩形) { (x ,y ) | a≦x≦b, c≦y≦d }=[a,b]×[c,d]を表すとする。
 
Kij : Kの分割��によってできたmn個の小矩形を
      
Kij ={ (x ,y ) | xi−1≦x≦xi , yj−1≦y≦yj }=[ xi−1, xi ]×[ yj−1, yj ] (i=1,2,…,m, j=1,2,…,n )
        ただし、x0= a, xm=b, y0= c, yn =d、
   で表すとする。
 
f(x ,y ): ここでは、関数f(x ,y )として、Kの上で定義された有界関数のみを考える。
(文脈)
R2上の閉区間(閉矩形) Kの分割��の採り方によって、
Kにおけるf(x,y)の不足和s[��]・過剰和S[��]の大きさは変わってくる。
特に、不足和・過剰和の性質2.でみたように、分割��を細分して行くほど、
不足和s[��]は大きくなり、過剰和S[��]は小さくなる。

(定義)
・Kにおけるf(x,y) の下積分sとは、
  
Kの分割��の採り方に応じて不足和s[��]がとりうる様々な値の上限のこと。
・Kにおけるf(x,y) の上積分Sとは、
  
Kの分割��の採り方に応じて過剰和S[��]がとりうる様々な値の下限のこと。
すなわち、
Dで、R2上の閉区間(閉矩形) Kにたいして採りうるあらゆる分割��の集合を表すなら、
  


定理:閉矩形における有界関数f(x,y)の下積分と上積分の性質

  [吹田・新保『理工系の微分積分学』190; 杉浦『解析入門I』式3.4(p.213):n次元区間一般;] 
 1. R2上の閉区間(閉矩形) Kにおける有界関数f(x,y)の下積分s≦上積分S 
 
2. 不足和・過剰和・上積分・下積分の関係
   
下積分・上積分の定義から、不足和・過剰和との関係も絡めると、
   任意の
分割��の採り方に対して、
   
R2上の閉区間(閉矩形) Kにおける有界関数f(x,y)の不足和s[��]≦下積分s≦上積分S≦過剰和S[��]
      すなわち、  0≦S−s≦S[��]−s[��] 
 
3. 不足和・過剰和・上積分・下積分・リーマン和の関係
  
不足和・過剰和・リーマン和の関係:
        
任意の(どんな)「小矩形Kijの代表点{Pij }のとりかた」にたいして(でも)、
           
 s[��]≦R[ f ; �� ; {Pij } ]≦S[��] 
  と上記
2.の不等式から、
      
下積分s, 上積分S, リーマン和R[ f ; �� ; {Pij } ] ∈閉区間[ s[��], S[��] ] となるから、
  
任意の(どんな) 「小矩形Kijの代表点{Pij }のとりかた」にたいして(でも)、

  |S−リーマン和R[ f ; �� ; {Pij } ]|≦S[��]−s[��] 、 |R[ f ; �� ; {Pij } ]−s|≦S[��]−s[��]

                   [杉浦『解析入門I』356:定理17.7証明のなかで; .]  
 

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(reference)

日本数学会編集『岩波数学辞典(第三版)』 岩波書店、1985年、202項積分法(pp.520-525)→リーマン積分、
高木貞治『解析概論:改訂第3版』岩波書店、1983年、第8章90-92節pp.325-332. .
吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年、第7章1節(pp.189-196).
小平邦彦『解析入門II』 (軽装版)岩波書店、2003年、第7章(pp.317-330.)。連続関数に限定
黒田成俊『21世紀の数学1:微分積分』共立出版、2002年、第10章1節(pp.346-352.)。連続関数に限定。
高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、第3章3.8節I(pp. 106-108):矩形上ではなく、いきなり一般の積分範囲上。
杉浦光夫『解析入門I』東京大学出版会、1980年、pp.205-229:矩形上;pp.254-279:一般の積分範囲。(2重積分についてというよりもむしろ、主にn変数関数全般についてリーマン積分を論じている。)
Walter Rudin,Principles of Mathematical Analysis,Mcgraw-Hill,1953-1976.
=ウォ−ルタ−・ルディン『現代解析学』共立出版、1971年、第9章9.28-: n変数関数。
片山孝次『微分積分学』(現代数学レクチャーズB-8)、培風館、1980年、p.202.極めて簡潔な要約。 
高橋陽一郎『岩波講座現代数学への入門:微分と積分2』 岩波書店、1995年、5章2節(pp.138-146.):。このテキストは、リーマン積分とルベーク積分の間という特殊な立場を進んで行っている気がする。ついていってよいのかどうか。
和達三樹『理工系の数学入門コース1:微分積分』岩波書店、1988年、pp.138-9. アイデアだけ。厳密な議論なし。
小形正男『理工系数学のキーポイント7:多変数の微分積分』岩波書店、1996、87-89. アイデアだけ。厳密な議論なし。
Lang,Serge.Undergraduate Analysis(Undergraduate Texts in Mathematics),Springer-Verlag New York Berlin Heidelberg Tokyo,1983,Chapter 19. Multiple Integrals. (pp.468-482.)。