1変数関数についての定積分・可積分 :トピック一覧

�T. 定積分の定義:分割・分点・幅mesh/リーマン和/リーマン可積/定積分
�U. 積分可能性判定条件:
 1.使われる概念:過剰和・不足和/振動量・振幅/細分
        下積分・上積分/以上の概念間の関係
 2.積分可能性判定条件:ダルブーの定理/可積分条件 
 3.その帰結:
  閉区間単調関数はそこで可積分/閉区間連続関数はそこで可積分 
  閉区間上有界かつ不連続点が有限個ならばそこで可積分 

※1変数関数の定積分関連ページ:
 性質/原始関数/向き付き定積分/積分関数
 解析学の基本定理/置換積分・部分積分
※1変数関数の積分関連ページ:
 非有界関数の広義積分/無限区間の広義積分/スチルチェス積分
※多変数関数の積分関連ページ:
 矩形上の2変数関数の積分/一般集合上の2変数関数の積分 

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定義:分割 partition、分点、幅mesh

閉区間I[a,b]を、a=x0<x1<x2<…<xn=bを分点としたn個の小区間(ただし、すべて閉区間とする)に分けること、
すなわち、
Iを、I1=[a, x1], I2=[x1,x2],…,In=[xn-1,b] (a=x0<x1<x2<…<xn=b) に分けることを、
Iの分割(partitionあるいはdivision into subintervals)といい、記号��で表す。
各小区間の長さ��xk= xk− xk−1 (k=1,2,…,n) の最大値、
すなわち、|�處=max�� xk
を、分割�凾フ幅(mesh)と呼ぶ。

分割 partition、分点、幅mesh


【文献】
 ・杉浦『解析入門I』205-207;
 ・吹田新保『理工系の微分積分学』102;
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』328-9.
 ・『岩波数学辞典(第三版)』202項積分法


定義:リーマン和  Riemann sum


→cf.リーマン・スチルチェス和。2変数関数のリーマン和。 

 f(x) を閉区間I [a,b]上の有界な関数とする。
 閉区間Iの分割��によってできた小区間Ik (k=1,2,…,n)の各々から、
 代表点ζkをとり、以下のように、積: f (ζk)・�� xk を k=1からnまで足し合せる。
  
これを、�凵A{ζk }に関するfのリーマン和という。

※分割��、代表点ζkのとりかたは、いろいろであるから、リーマン和は、分割��、代表点ζkのとりかたに応じて、値を変えうる。リーマン和は、分割��、代表点ζkのある種の関数となっている。分割を細かくしていったときに、この関数が収束するかどうかという問題が、下記の積分可能の可否の問題に他ならない。 
リーマン和  Riemann sum

【文献】
 ・杉浦『解析入門I』205-207;
 ・吹田新保『理工系の微分積分学』102;
 ・神谷浦井『経済学のための数学入門』328-9;
 ・『岩波数学辞典(第三版)』202項積分法



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定義:リーマン積分可能(可積) Riemann integrable

定義:定積分 definite integral

[杉浦『解析入門I』205-207; 吹田新保『理工系の微分積分学』102; 神谷浦井『経済学のための数学入門』330.; 『岩波数学辞典(第三版)』202項積分法]

 f(x)を閉区間I[a,b]上の有界な関数とする。
 閉区間Iの分割��を限りなく細かくしていくと、
 分割��の取り方、それによってできた小区間Ik (k=1,2,…,n)の代表点ζkの取り方によらず、
 �凵A{ζk }に関するfのリーマン和 R[ f ;��;{ζk } ]が値J に収束するとき、
     ※正確を期して書けば、
     任意の(どんな)正の実数εに対して(でも)、
     「 0<|�處<δ ならば 
        任意の(分点の取りかたで作れる)分割��、任意の代表点の取り方{ζk }に対して、
        | R [ f ;��;{ζk}]−J|<ε 
       を成り立たせる、ある正の実数δが存在する」とき、
     ※これを、記号で表すと、R [ f ;��;{ζk}] → J(|�處→0)
                  ないし、
                 、
 f は閉区間I上で「(リーマン)積分可能」「(リーマン)可積分」である、という。
 また、このとき、
 値Jを「fのI上の定積分definite integral」「(リーマン)積分」などといい、
  
で表す。
また、f(x)を「被積分関数integrand」と呼び、定積分を求めることを「積分するintegrate」という。
→向きのついた定積分。
→Cf. リーマン・スチルチェス積分。 

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II. 積分可能性判定条件

リーマン和、そして、リーマン積分可能性は、その定義上、1. 分割��の取り方と、2.小区間Ik (k=1,2,…,n)の代表点ζkの取り方の両方に依存し、面倒である。2. 小区間の代表点ζkの取り方を用いずに、1. 分割��の取り方のみから、リーマン積分可能性を考えられないだろうか。そんな意図から展開されるのが、以下の議論。[杉浦『解析入門I』212]


定義:過剰和・不足和


・Iを閉区間[a,b]、f(x)をI上の有界な関数とする。
 閉区間Iの分割��によって生じた各小区間Ik (k=1,2,…,n)でのfの下限をmk、上限をMkとおく。
 すなわち、
  
・各小区間Ik (k=1,2,…,n)の長さ��xkと、そこでのfの下限mkとの積を、
 全ての区間について足し合わせたものを
 不足和と呼び、s[��]で表す。すなわち、
  
 不足和  

・各小区間Ik (k=1,2,…,n)の長さ��xkと、そこでのfの上限Mkとの積を、
 全ての区間について足し合わせたものを
 過剰和と呼び、S[��]で表す。すなわち、
  
 過剰和 

・不足和・過剰和は、リーマン和との間に以下の関係が成り立つ。
   s[��]≦R [ f ;��;{ζk}]≦S[��] 

   (どのように小区間の代表点{ζk}をとっても、これは成立する)

【文献】
 ・杉浦『解析入門I』212.
 ・吹田新保『理工系の微分積分学』103.



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定義:振動量・振幅 oscillation

[杉浦『解析入門I』212; 吹田新保『理工系の微分積分学』105.]

 Iを閉区間[a,b]、f(x)をI上の有界な関数とする。

 Iにおけるfの上限と下限との差を、f(x)のIにおける振幅といい、a ( f , I )で表す。
 すなわち、
  
 f(x)のIにおける振幅 

 また、Iの分割��によって生じた各小区間Ik (k=1,2,…,n)でのfの上限と下限との差を
 f(x)のIkにおける振幅・振動量などといい、ωk 、ω (Ik ; f )、a ( f, Ik )などと表す。
すなわち、
  
とおくと、
  
あるいは、
  
 f(x)のIkにおける振幅・振動量 

f(x)のIkにおける振動量は、不足和・過剰和との間に以下の関係が成り立つ
  
 なぜなら、
   
      
=(M1��x1+M2��x2+…+Mn��xn)−(m1��x1+m2��x2+…+mn��xn)
      =(M1��x1−m1��x1)+(M2��x2−m2��x2)+…+(Mn��xn−mn��xn)
      =(M1−m1) ��x1+(M2−m2) ��x2+…+(Mn−mn) ��xn
      
=ω1 ��x1+ω2 ��x2+…+ωn ��xn
      =右辺 



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定義:細分

[杉浦『解析入門I』212; 吹田新保『理工系の微分積分学』103.]

 ・閉区間 Iの二つの分割��、��' があって、�凾フ分点はすべて、��'の分点でもあるとき、��'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[��']。
  細分すると不足和は増える
  細分すると、過剰和は減る。  
 


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定義:下積分lower integral、上積分upper integral

[杉浦『解析入門I』213; 吹田新保『理工系の微分積分学』103.]

分割��の採り方によって、閉区間 Iにおけるf(x) の不足和s[��]・過剰和S[��]の大きさは変わってくる。
特に、「細分」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。
このような不足和s[��]の上限を、閉区間 Iにおけるf(x) の下積分と呼び、sで表す。
過剰和S[��]の下限を、閉区間 Iにおけるf(x) の上積分と呼び、Sで表す。
すなわち、閉区間 Iの分割全体の集合をDと表すと、
  



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定理:以上の基本概念間の関係について

[杉浦『解析入門I』213; 吹田新保『理工系の微分積分学』102-5; 高木『解析概論』91-97..]
Iを閉区間 [a,b]、f(x)をI上の有界な関数とする。
1. Iにおけるfの上限をM、下限をmと書くと、
  m ( b−a )≦s[��]≦S[��]≦M( b−a )
2. �凵���'なら、s[��]≦s [��'] ≦S[��'] ≦S[��]
3. 任意の二つの分割�凵A�凵fに対し、s[��]≦S[��']
4. s≦S.
5. g≦fならば、s(g)≦s(f)、S(g)≦S(f)
6. f(x)のIkにおける振動量は、不足和・過剰和との間に以下の関係が成り立つ
  


(1:証明)[杉浦『解析入門I』213;高木『解析概論』91;]

f(x)を閉区間I=[a,b]上の有界な関数とする。
Iにおけるfの上限をM、下限をm、
閉区間Iの分割��によって生じた各小区間Ik (k=1,2,…,n)でのfの下限をm k、上限をMkとおく。
また、各小区間
Ikの長さを��xkとおく。
すべての各小区間
Ik (k=1,2,…,n)において、m≦m k≦Mk≦M
よって、すべての各小区間
Ik (k=1,2,…,n)において、
 
m��xk≦m k��xk≦Mk��xk≦M��xk (��xk >0だから)
ゆえに、
  
 最左辺
=mΣ��xk =m(b−a)、最右辺= MΣ��xk =M(b−a)、過剰和・不足和の定義より、
  m ( b−a )≦s[��]≦S[��]≦M( b−a )
図:m ( b−a )≦s[��]
 
図: S[��]≦M( b−a )
  
(2:証明)

(3:証明) [杉浦『解析入門I』214; 吹田新保『理工系の微分積分学』103. を参照せよ。]

(4:証明) [杉浦『解析入門I』214; 吹田新保『理工系の微分積分学』103. を参照せよ。]

(5:証明) [杉浦『解析入門I』214を参照せよ。]




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定理:ダルブーDarbouxの定理

fを閉区間 Iの有界関数とし、Iの分割��を考える。
このとき、閉区間Iの分割��を限りなく細かくしていくと、
分割��の取り方(つまり、区間Iをn個の小区間にわける際の分点のとりかた)によらず、
Iにおけるfの過剰和S[��]は上積分Sに収束し、Iにおけるfの不足和s[��]は下積分sに収束する。
これを記号で表すと、
  |�處→0のとき、S[��]→S、s[��]→s
あるいは、
  
   ※ε-δ法による極限定義を用いて正確に書くと、
     任意の(どんな)正の実数εに対して(でも)、
     「 0<|�處<δ ならば 
        任意の(分点の取りかたで作れる)分割��に対して、
        | S[��]−S|<ε、 |s[��]−s|<ε  
       を成り立たせる、ある正の実数δが存在する」
     となる。上積分・下積分の定義から、常にS≦S[��], s[��]≦s なので、絶対値をはずして書くと、
     任意の(どんな)正の実数εに対して(でも)、
     「 0<|�處<δ ならば 
        任意の(分点の取りかたで作れる)分割��に対して、
       0≦S[��]−S<ε、0≦s−s[��]<ε  
       を成り立たせる、ある正の実数δが存在する」
     となる。移項して、不等式を変形すると、
     任意の(どんな)正の実数εに対して(でも)、
     「 0<|�處<δ ならば 
        任意の(分点の取りかたで作れる)分割��に対して、
       S≦S[��]<S+ε、s−ε<s[��]≦s  
       を成り立たせる、ある正の実数δが存在する」

 Cf.スチルチェス積分ではダルブーの定理は成立しない。

(証明)
 杉浦『解析入門I』214-216; 吹田新保『理工系の微分積分学』104. 
 を参照せよ。

 

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定理:可積分条件

以下の命題(1)〜(5)は、同値である。
 ※これらはダルブーの定理を用いて可積分の定義を言い換えたものになっている。
 Cf.スチルチェス積分では、
    命題(1)-(3)が同値、命題(4)-(5)が同値だが、命題(1)-(3)と命題(4)-(5)は同値ではなくなる。
fを閉区間I上の有界な関数とする。
命題(1) fはI上リーマン可積分。
命題(2) 閉区間Iの分割��を限りなく細かくしていくと、
分割��の取り方(つまり、区間Iをn個の小区間にわける際の分点のとりかた)によらず、
Iにおけるfの(過剰和−不足和)はゼロに収束する。
 すなわち、|�處→0のとき、S[��]−s[��]→0
 あるいは、
     
    (記号|�處→0は、分割の幅が→0なら、そのようなすべての分割の取り方に対して、という意味。
      ダルブーの定理を参照のこと。)
   ※ε-δ法による極限定義を用いて正確に書くと、
     任意の(どんな)正の実数εに対して(でも)、
     「 0<|�處<δ ならば 
        任意の(分点の取りかたで作れる)分割��に対して、
        | S[��]−s[��]|<ε 
       を成り立たせる、ある正の実数δが存在する」
     となる。ここでつねにs[��]≦S[��]であるから(∵)、絶対値を外して書くと、
     任意の(どんな)正の実数εに対して(でも)、
     「 0<|�處<δ ならば 
        任意の(分点の取りかたで作れる)分割��に対して、
       0≦S[��]−s[��]<ε 
       を成り立たせる、ある正の実数δが存在する」
     となる。
命題(3)リーマンの可積分条件
閉区間Iの分割��によって生じた各小区間Ik (k=1,2,…,n) におけるfの振幅をωkと置く。
分割��を限りなく細かくしていくと、
分割��の取り方(つまり、区間Iをn個の小区間にわける際の分点のとりかた)によらず、
小区間Ikの幅とそこでの振幅との積(�凅k・ωk)をk=1からnまで足し合せた和は0に収束する。
すなわち、
  
  ※利用例:単調関数は可積分、可積分な関数の積も可積分、積分の三角不等式、。
命題(4)ダルブーの可積分条件 上積分S=下積分s
命題(5) 任意のε>0に対し、
    S[��]−s[��]<ε 
    すなわち、
    
    を満たすIの分割��が存在する。 
  
(2:証明) (1)⇒(2)[杉浦『解析入門I』217;. を参照せよ。]
(3:証明) (2)⇔(3)[杉浦『解析入門I』217を参照せよ。]
 小区間の振幅ωk 、過剰和S[�兢 、不足和s[�兢)の定義から、 
   
 が成立する故に。
(4:証明)
 (1)⇔(4)[吹田新保『理工系の微分積分学』104-5.]
 (4)⇒(1) [杉浦『解析入門I』217; を参照せよ。]
 (5)⇒(4) [杉浦『解析入門I』218; を参照せよ。] 
(5:証明) [杉浦『解析入門I』218; を参照せよ。]

 

 

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定理:閉区間I[a,b]上の単調関数は(無数の点で不連続でも)I上積分可能

  [杉浦『解析入門I』218; 吹田新保『理工系の微分積分学』106;
  高木『解析概論』定理32(p.96.)証明付;小平『解析入門I』158証明ナシ]

証明1:リーマンの可積分条件の利用

  [杉浦『解析入門I』218; 吹田新保『理工系の微分積分学』』106.]

 fは閉区間I[a,b]上の単調増加関数、�凾ヘ、Iの任意の分割であるとする。
 また、分割�凾ノよってできたn個の小区間を、Ik (k=1,2,…,n)、それぞれの幅を��xkで表し、
 分割の幅を|�處で、Ikにおける振幅をωkで表す。

  ・ fは単調増加関数であるから、各小区間の振幅の和は、区間全体の振幅に等しくなる。
   すなわち、Σωk = f(b)−f(a) …�@
        
         閉区間上の単調関数は可積分 
  ・          ∵meshの定義:|�處 = max��xk
         ∵�@ 
  ゆえに、
   
  となり、可積分条件を満たす。


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定理:閉区間 I上の連続関数はI上積分可能。

 証明:一様連続性、リーマンの可積分条件の利用

  [杉浦『解析入門I』227; 吹田新保『理工系の微分積分学』106.]

 
fは閉区間I[a,b]上の連続関数、�凾ヘ、Iの任意の分割であるとする。
 また、
分割�凾ノよってできたn個の小区間を、Ik (k=1,2,…,n)、Ikそれぞれの幅を��xkで表し、
 
分割の幅を|��|で、Ikにおける振幅をωkで表す。
 ・
定理より、閉区間 I[a,b]上の連続関数は一様連続である。
  すなわち、
  
任意の正数εを決めると、それに応じて、点x0∈Iの選び方に関わり無く、
     
| f(x)−f(x0)|<ε   ( | x−x0| < δ、 x,x0∈I )…�@
  を満たす「
ある」正数δが存在する。
 ・�@を満たす正数δよりも、
meshが細かい分割、
  すなわち、
|��|<δとなるような任意の分割�凾�考える。
  すると、小区間
Ik (k=1,2,…,n)に含まれる任意の2点 xk , x k 0について、 
  
| xk − x k 0|≦��xk≦|��|< δ、 x,x0∈ Ik 
  ゆえに�@より、
  
| f( xk )−f( x k 0 )|<ε
  これと、
Ikにおける振幅がωk=sup| f( xk )−f( x k 0 )|となることから、
  ω
k≦ε …�A←なぜ等号?わからないが、どちらのテキストも等号付。
 ・|�處<δとなるような(|�處=δよりも細かい)任意の分割�凾ゥら生じた
  小区間の振幅ωk(k=1,2,…,n)を考えると、
     ∵�A
        …�B
   が成り立つ。 
 ・以上を整理すると、
  [手順1]任意の正数εを決める、
  [手順2]それに応じて、�@を満たす「ある正数」δが存在する。(一様連続だから)
  [手順3]そのδよりも細かいmeshの分割では、
      小区間の振幅が、最初に決めたε以下になり(�A)、
      ゆえに、Σωk��xk≦ε( b-a ) (�B)も成り立つ。
  ということだから、最初に、任意の正数εを小さくすれば、Σωk��xkは、どこまでも小さく出来る。
  
S[��]−s[��]=Σωk��xkだから、(∵)
  �Bから、
  任意のε(b-a)>0にたいして 
  S[��]−s[��]<ε(b-a)を満たすIの分割�凾ェ存在するということになり、
  可積分条件命題5を満たす。  

  



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定理:不連続点をもつ関数の可積分条件(1)〔十分条件〕

 f(x)は閉区間 [a,b]上の有界な関数であるとする。
 f(x)が閉区間 [a,b]上に、有限個数の不連続点しかもたないならば、
  (有限個の点を除いてすべて連続ならば)
 f(x)は閉区間 [a,b]で積分可能。

[高木『解析概論』p.96.、小平『解析入門I』158.]

(証明) 高木『解析概論』p.96.をみよ。
 

定理:不連続点をもつ関数の可積分条件(2)

 f(x) は閉区間 [a,b]上の有界な関数であるとする。
 f(x) が閉区間 [a,b]上に、不連続点を含む区間の長さの合計を限りなく小さくできるならば、
 f(x) は積分可能

 [高木『解析概論』p.96.、小平『解析入門I』158.]

〔証明〕
 本質的だが、ここでは省略。
 測度論とルベーグ積分から入るとよい。  

定理:

高橋『経済学とファイナンスのための数学』79ページには、
「閉区間[a,b]上で有界な関数は積分可能」とあるが、
高木『解析概論』p.96.、小平『解析入門I』158.によれば、
この高橋一『経済学とファイナンスのための数学』の記述は間違い。
正しくは、「閉区間Iにおいて、f(x)が有限個数の不連続点を持ち、有界ならば、積分可能」ということらしい。
[注意1]で「もちろん有界だけでは積分可能ではない。」として、高木は例まで示している。
無数の不連続点をもつ関数の積分を考えるには、ルベーク積分論を勉強したほうがよいらしい。
 



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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、204項積分論(pp.530-533)→ルベーク積分。
吹田・新保『理工系の微分積分学』学術図書出版社、1987年。pp.102-106.
高橋一『経済学とファイナンスのための数学』新世社、1999年、pp.75-79.
小平邦彦『解析入門I』 (軽装版)岩波書店、2003年 pp.153-158。あらかじめ閉区間上の連続関数に限定して議論を進めている。
杉浦光夫『解析入門I』東京大学出版会、1980年、pp.205-229: n次元一般での定義;229-247:1変数関数の積分に特殊な性質(原始関数、…)。
高木貞治『解析概論:改訂第3版』岩波書店、1983年、p. 91-97.
青本和彦『岩波講座現代数学への入門:微分と積分1』岩波書店、1995年、122-126.軽く説明。
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、pp.1-11:単関数を用いてかなり厳密(ルベーク積分までは行かない);pp.115-117。
矢野健太郎・田代嘉宏『社会科学者のための基礎数学 改訂版』裳華房、1993年、pp.106-9.
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.88-91. あらかじめ閉区間上の連続関数に限定して議論を進めている。
神谷和也・浦井憲『経済学のための数学入門』東京大学出版会、1996年、pp.328-334.
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.