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L积分与R积分的比较.doc

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PAGE PAGE 9 L积分与R积分的比较 1 引言 黎曼积分(R积分)起源于17世纪牛顿和莱布尼茨创立的微积分,接下来的两个世纪,经过欧拉、拉格朗日、拉普拉斯、柯西、维尔斯特拉斯、康托等人的努力,积分概念逐步发展,最终成形于黎曼,即R积分.但由于一个像狄利克雷函数这样简单的函数却不是R可积,这个发现充分暴露了R积分在某种程度上的局限性,为使积分学有更广泛的应用,人们期望能将可积函数类加以扩大,这就需要对R积分进行改造,把积分学推向前进,这个人就是勒贝格,他在1902年成功引入了一种新的积分—勒贝格积分(L积分).L积分是积分发展史上的一次革命,它使得积分论在集合论,测度论的基础上走向现代化,从而有可能在现代水平的层次上向其他现代数学分支渗透,促使了其他学科的发展,特别是三角级数和函数序列方面,概率论、泛函分析等学科也受到了L积分的积极影响. 本文将从以下不同角度系统比较勒贝格积分与黎曼积分. 2 黎曼积分与勒贝格积分的不同定义 2.1 R积分与L积分的极限式定义 定义2.1 (黎曼积分的定义) 设是定义在上的有界函数,任取一分点组,= … ,将区间分成部分,在每个小区间上任取一点,,作和= ,令= ( - ) ,如果对任意的分法与 的任意取法,当时, 趋于有限的极限,则称此极限值为在上的黎曼积分,记为 = (). 定义2.2 (勒贝格积分的定义) 设是一个勒贝格可测集, , 是定义在上的勒贝格可测函数,又设是有界的,就是说存在实数 及,使得 (,) .在[,]中任取一分点组, = … = ,记= (-) , = () ,并任取∈ (我们约定,当=Φ时, ()) ,作和,如果对任意的分法与的任意取法,当→时, 趋于有限的极限,则称 为在上关于勒贝格测度的积分,记作 =. 注 1 从定义2.1和定义2.2可以看出,它们的主要区别是:R积分是将给定函数的定义域划分而产生的,而L积分是划分函数的值域而产生的. 除了上面的定义之外,R积分与L积分还有其他形式的定义. 2.2 R积分与L积分的确界式定义 定义2.3 (黎曼积分的定义) 设在上有界,表示的任一分划,这里n为任一自然数,可随T而不同. 设,分别表示在[]上的上、下确界,, =,=,分别称为关于分划的大和数与小和数,这里=, ,分别叫做在上的达布上积分与下积分.这里上、下确界是对的一切可能分划而取的.如果=,(一般只有),则称在上R可积,并称此共同值为在上的R积分,记为. 定义2.4 (勒贝格积分的定义) 设是可测集()上的有界函数,记,,则,, , 分别称为在上的L上、下积分,如果,则称在上L可积,则称此共同值为在上的L积分,记为. 注 2 上述定义中的D为可测集的可测分划,为可测集. 3 L积分与R积分的比较 3.1 从可积函数的范围来看,L积分比R积分广泛 L可积函数的范围比 R积分广,主要体现在 L积分蕴涵了R积分,有下述定理. 引理 1 若是定义在上的有界函数,则在上是 R可积的充要条件是 在上的不连续点集是零测度集. 定理 1 定义在有限区间上的函数若为 R可积,则必 L可积,且积分值相等.即. 证明 由题设及引理 1, 在上几乎处处连续,因此是上的有界可测函数, . 其次对的任意分划: = b,根据 L 积分的可加性质有. 记,分别为 在上的上、下确界,得 , , 从而可知 , 于是上式两端对一切分划各取上下确界立即得到 , 这说明在上的 R 积分与L 积分是相等的. 反之L可积的函数未必 R 可积. 例1 ,在区间上不是R可积的,却是L可积的. 这是因为除了点外,闭区间上的其余点都是间断点,即它在一正测度集上间断,所以它不是 R可积的.但因为 有界可测,所以这个函数是 L 可积的. 3.2 从某些极限交换过程来看,L积分较R积分优越 对R积分来说,关于积分列求极限的问题,经常要求函数序列一致收敛(当然,这是充分条件),极限才可以与积分号交换顺序,这从运算的角度看不仅不方便,限制也过强,然而关于L积分,对函数列的要求就宽得多. 定理 2 (黎曼积分中的极限交换过程) 若函数列在上一致收敛,且每一项都连续,则 =. 证 设为函数列在上的极限函数,所以在上连续,从而 ,与在上都可积. 因为在上,故对任给正数,存在,当时,对一切 ,都有. 再根据定积分性质,当时,有 =, 定理得证. 注 3 这个定理意在指出函数列在R积分意义下必须一致收敛,极限运算与积分运算的顺序才可以交换.在L积分意义下,函数列的极限运算与积分运算换序要宽的多,体现在以

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