広義積分の計算1:解析学の基本定理 

【トピック一覧】
 ・有限区間での広義積分についての解析学の基本定理  
 ・無限区間での広義積分についての解析学の基本定理  
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定理:有限区間での広義積分についての
   微分積分学の基本定理
    fundamental theorem of differential and integral calculus
   解析学の基本定理fundamental theorem of calculus 

  [高木『解析概論』109:解析学の基本定理の広義積分への拡張;小平『解析入門I』180-183.]
  cf.定積分の範囲での解析学の基本定理 

・閉区間I=[a,b]において、
 有限個の不連続点 c1 , c2 , …, cm ( a≦ c1 < c2 < …< cm ≦b )を除いて、f(x)が連続、
 かつ、
・閉区間I=[a,b]で連続(な関数G(x))、かつ、 c1 , c2 , …, cm を除いて微分可能で導関数がf(x)となる
 関数G(x)が存在するならば、
   (すなわち不連続点を除いて原始関数が存在し、かつ
     f(x)の不連続点でもその原始関数が連続であるなら、
     その原始関数の一つをG(x)と置くということ、)
広義積分は収束し、
その値を下式で計算できる。
   

(証明:第1段階) [小平『解析入門I』180-181;高木『解析概論』109.]
「閉区間 [a,b]において、両端(x=a,b)を除いてf(x)が連続、
  かつ
 閉区間 [a,b] で連続・両端(x=a,b)を除いて微分可能で導関数がf(x)となるG(x)が存在するならば、
  広義積分は収束し、その値を
    
  で計算できる。」
を示す。
仮定の整理:開区間 (a,b)においてf(x)が連続。…�@
   開区間 (a,b)においてG'(x)=f(x) (すなわち(a,b)でG(x)はf(x)の原始関数)…�A
   G(x)は、閉区間 [a,b] で連続 (つまり開区間 (a,b)で連続かつx=aで右連続、x=bで左連続)…�B
Step1: 
 a<a'<b'<bを満たす限りにおいて任意の a', b' を選び、閉区間 [a', b'] をつくる。
 �@より、閉区間 [a', b'] においてf(x)は連続(定理より、そこでリーマン可積でもある)。…�C
Step2: 
 �A�Cより、
 定積分
   
 にたいして、定積分の範囲内での解析学の基本定理を適用可能。よって、
    …�D
Step3: 
 a'→a+0、b'→b−0 としても、 a<a'<b'<bを満たすので、
 閉区間 [a', b']において、f(x)について�Cが成り立ち、定積分について�Dも成り立つ。
 つまり、
    …�E
Step4: 
 �Bで、G(x)はx=aで右連続、x=bで左連続とされていた。 
 右連続・左連続の定義にしたがって、数式に書きなおすと、
   
 これを使って、�Eを書きかえると、
    …�F
Step5:
 �Fの左辺は、広義積分の定義に他ならない。
 よって、�Fは、�@〜�Bの仮定の下でなら、
 広義積分  が収束し、 
 下式で計算できることを意味している。
   
(証明:第2段階)
 証明:第1段階のごく一部を変えるだけで、
「閉区間 [a,b]において、両端(x=a,b)の一方を除いてf(x)が連続、
   ( つまり、半開区間 (a,b] ないし [a,b)でf(x)が連続 )
  かつ
 閉区間 [a,b]で連続・f(x)の不連続点を除いて微分可能で導関数がf(x)となるG(x)が存在するならば、
 広義積分は収束し、その値を
    
  で計算できる。」
を示せる(だから省略)。
(証明:第3段階) [小平『解析入門I』182;高木『解析概論』109.] 
「閉区間 [a,b]において、有限個の不連続点c1 , c2 , …, cm (a=c1 < c2 < …< cm=b)を除いて、f(x)が連続、
  かつ
 閉区間 [a,b] で連続かつ、c1 , c2 , …, cm を除いて微分可能で導関数がf(x)となるG(x)が存在する
 ならば、 
  広義積分は収束し、その値を
    
  で計算できる。」
を示す。
仮定の整理:

・a=c1 < c2 < …< cm=b     …(0)
・k=1,…,m−1のすべてについて(つまり、不連続点で仕切られた小区間のすべてについて)、
 以下が成り立つ。
  開区間 ( ck ,ck+1 ) においてf(x)が連続。…�@
  開区間 ( ck ,ck+1 )においてG'(x)=f(x) (すなわち( ck ,ck+1 )でG(x)はf(x)の原始関数)…�A
  G(x)は、閉区間 [ck ,ck+1] で連続 (つまり開区間 (ck ,ck+1)で連続かつx= ckで右連続、x= ck+1で左連続)…�B
Step1:
 仮定�@�A�Bより、各閉区間 [ck ,ck+1](k=1,…,m−1)について、証明:第1段階を適用可能。 
 これを適用すると、k=1,…,m−1のすべてについて、下式左辺の広義積分が右辺に収束する。
     …�C
Step2:
 広義積分の区間加法性を繰り返し用いて、k=1,…,m−1のすべてについて足し合せると、
   
 右辺に�Cを代入すると、
   
        ={G(c2)-G(c1)}+{ G(c3)-G(c2)}+{ G(c4)-G(c3)}+…+{ G(cm)-G(cm−1)}
        = G(cm) -G(c1) (この二項以外はすべてキャンセルされていく)
          …�D
 (0)で a=c1 、cm=b とされていたから、
 �Dは以下のように書きかえられる。
   
(証明:第4段階) [小平『解析入門I』182;高木『解析概論』109.] 

「閉区間 [a,b]において、有限個の不連続点c1 , c2 , …, cm (a<c1 < c2 < …< cm<b)を除いて、f(x)が連続、
  かつ
 閉区間 [a,b] で連続かつ、c1 , c2 , …, cm を除いて微分可能で導関数がf(x)となるG(x)が存在する
 ならば、 
  広義積分は収束し、その値を
    
  で計算できる。」
を示す。
仮定の整理:

・a<c1 < c2 < …< cm<b     …(0)
・k=1,…,m−1のすべてについて(つまり、不連続点で仕切られた小区間のすべてについて)、
 以下が成り立つ。
  開区間 ( ck ,ck+1 ) においてf(x)が連続。…�@
  開区間 ( ck ,ck+1 )においてG'(x)=f(x) (すなわち( ck ,ck+1 )でG(x)はf(x)の原始関数)…�A
  G(x)は、閉区間 [ck ,ck+1] で連続 (つまり開区間 (ck ,ck+1)で連続かつx= ckで右連続、x= ck+1で左連続)…�B
・閉区間 [a, c1]において、c1を除いて、f(x)が連続 
 閉区間 [a, c1] で連続かつ、c1を除いて、f(x)が微分可能で導関数がf(x)となるG(x)が存在する…�C
・閉区間 [cm , b]において、c1 を除いて、f(x)が連続 
 閉区間 [cm , b] で連続かつ、c1を除いて、f(x)が微分可能で導関数がf(x)となるG(x)が存在する…�D
Step1:
 仮定�@�A�Bより、閉区間 [c1 ,cm]について、証明:第3段階を適用可能。 
    …�E
Step2:
 仮定�C�Dより、閉区間 [a,c1] [cm,b] について、証明:第2段階を適用可能。
   …�F
    …�G
Step3:
 広義積分の区間加法性を繰り返し用いると、 
  
 この右辺に�E�F�Gを代入して、
  
       =G(b)−G(a) 
  


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定理:無限区間での広義積分についての
   微分積分学の基本定理fundamental theorem of differential and integral calculus
   解析学の基本定理fundamental theorem of calculus 

  [小平『解析入門I』182-183.]
  cf.定積分の範囲での解析学の基本定理 

 無限区間 (a,+∞)で定義された関数f(x)について考える。
 a<tを満たすtを一つ選び開区間(a,t)をつくる。
 どんな風にtをとって、開区間(a,t)をつくったとしても、
 ・開区間(a,t)において高々有限個の点を除いてf(x)が連続、
 かつ、
 ・広義積分は収束している
とする。
このとき、
は、無限区間 (a,+∞)で連続なxの関数となる。
極限
が存在するならば、
広義積分は収束している
広義積分その値を下式で計算できる。
   
※疑問:きわめてtautological.
 の収束は、
 極限が存在しなければならないというが、
 この極限が存在するということは、G(x)の定義、広義積分の定義から、すなわち、
  
 が存在するということになる。
 だから、
 「が収束するならば、が収束する」などという
  ヘンな説明になっているのでは?。



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(reference)

小平邦彦『解析入門I』 (軽装版)岩波書店、2003年、180-183.;。
高木貞治『解析概論 改訂第三版』岩波書店、1983年、109;