diff --git a/src/第11章 黎曼积分.md b/src/第11章 黎曼积分.md index 1ac51fd..96a2885 100644 --- a/src/第11章 黎曼积分.md +++ b/src/第11章 黎曼积分.md @@ -55,9 +55,11 @@ $$ 其中 $c_J$ 为 $f$ 在 $J$ 上的常数值。特别地,当 $J$ 为空集时,取 $c_J:=0$。 -- **定义 11.2.6(逐段常值积分 2)**:设 $I$ 是有界区间,$f:I\to\mathbb R$ 是逐段常值函数,那么存在 $P$ 是 $I$ 的划分满足 $f$ 是关于 $P$ 逐段常值的。定义 $f$ 的逐段常值积分为 $f$ 关于 $P$ 的逐段常值积分。 +- **定义 11.2.6(逐段常值积分 2)**:设 $I$ 是有界区间,$f:I\to\mathbb R$ 是逐段常值函数,那么存在 $P$ 是 $I$ 的划分满足 $f$ 是关于 $P$ 逐段常值的。定义 $f$ 的逐段常值积分 $\textit{p.c.}\int_If$ 为 $f$ 关于 $P$ 的逐段常值积分。 - **证明**:我们需要证明,对于 $I$ 的不同划分 $P,P'$ 满足 $f$ 关于 $P$ 和关于 $P'$ 都是逐段常值的,有 $f$ 关于 $P$ 的逐段常值积分和 $f$ 关于 $P'$ 的逐段常值积分相同。 + **证明**:我们需要证明,对于 $I$ 的不同划分 $P,P'$ 满足 $f$ 关于 $P$ 和关于 $P'$ 都是逐段常值的,有 $f$ 关于 $P$ 的逐段常值积分和 $f$ 关于 $P'$ 的逐段常值积分相同。先证明 $P'$ 是 $P$ 的加细时的情况,再利用公共加细即可。 + + 当 $P'$ 为 $P$ 的加细时,考虑由 $S(J):=\{J'\in P':J'\subseteq J\}$ 定义的函数 $S:P\to 2^{P'}$,证明好 $S$ 的性质即可。 - **定理 11.2.7**:设 $I$ 是有界区间,$f:I\to\mathbb R$ 和 $g:I\to\mathbb R$ 是逐段常值函数。 @@ -198,14 +200,14 @@ **证明**:只考虑实数 $a,b$ 满足 $a0$ 是任意正实数。那么 $\{x\in (a,b):f(x)0$ 且对于任意 $x\in (a,a+\delta_1)$ 有 $M\leq f(x)0\\0&x=0\\-1&x<0\end{cases}$ 定义函数 $\operatorname{sgn}:\mathbb R\to\mathbb R$。设 $f:[-1,1]\to\mathbb R$ 是在 $0$ 处连续的有界函数。那么 $f$ 关于 $\operatorname{sgn}$ 是黎曼-斯蒂尔杰斯可积的,且 $\int_{[-1,1]}f\text{d}\operatorname{sgn}=2f(0)$。 + + **证明**:设 $M$ 是 $f$ 的界。设 $\varepsilon>0$ 是任意正实数,存在 $0<\delta<1$,使得对于任意 $x\in[-1,1]$ 且 $|x|<\delta$ 有 $|f(x)-f(0)|<\varepsilon$。那么考虑由 $g(x):=\begin{cases}M&x\in [-1,-\delta]\\f(0)+\varepsilon&x\in(-\delta,\delta)\\M&x\in[\delta,1]\end{cases}$ 定义的函数 $g:[-1,1]\to\mathbb R$,它是逐段常值函数且 $g\geq f$,从而: + $$ + \begin{aligned} + \overline\int_{[-1,1]}f\text{d}\operatorname{sgn}&\leq\int_{[-1,1]}g\text{d}\operatorname{sgn}\\ + &=M(\operatorname{sgn}(-\delta)-\operatorname{sgn}(-1))+(f(0)+\varepsilon)(\operatorname{sgn}(\delta)-\operatorname{sgn}(-\delta))+M(\operatorname{sgn}(1)-\operatorname{sgn}(\delta))\\ + &=2f(0)+2\varepsilon + \end{aligned} + $$ + 同理可证 $\underline\int_{[-1,1]}f\text d\operatorname{sgn}\geq 2f(0)-2\varepsilon$。从而可知 $\int_{[-1,1]}f\text{d}\operatorname{sgn}=2f(0)$。 #### 11.9 微积分基本定理 @@ -295,4 +346,32 @@ #### 11.10 基本定理的推论 -- **命题 11.10.1(分部积分公式)**: \ No newline at end of file +- **命题 11.10.1(分部积分公式)**:设 $a,b\in\mathbb R$ 满足 $a0$ 是任意正实数,存在逐段常值函数 $g$ 使得 $g\geq f$ 且 $\int_{[a,b]}g\text d\alpha<\int_{[a,b]}f\text d\alpha+\varepsilon_1$,从而 $\int_{[a,b]}g\alpha'<\int_{[a,b]}f\text d\alpha+\varepsilon_1$。设 $\varepsilon_2>0$ 是任意正实数,存在逐段常值函数 $h$ 使得 $h\geq g\alpha'$ 且 $\int_{[a,b]}h<\int_{[a,b]}g\alpha'+\varepsilon_2<\int_{[a,b]}f\text d\alpha+\varepsilon_1+\varepsilon_2$。而 $g\geq f$ 和 $\alpha'$ 非负说明 $h\geq g\alpha'\geq f\alpha'$,从而可证 $\overline\int_{[a,b]}f\alpha'\leq \int_{[a,b]}f\text d\alpha$,对另一侧类似证明后可以得到 $\int_{[a,b]}f\alpha'=\int_{[a,b]}f\text d\alpha$。 + +- **引理 11.10.4**:设 $\varphi:[a,b]\to[\varphi(a),\varphi(b)]$ 是单调不降的连续函数,$f:[\varphi(a),\varphi(b)]\to\mathbb R$ 是逐段常值函数。那么 $f\circ \varphi:[a,b]\to\mathbb R$ 也是逐段常值函数,且 $\int_{[a,b]}f\circ \varphi\text{d}\varphi=\int_{[\varphi(a),\varphi(b)]}f$。 + + **证明**:设 $[\varphi(a),\varphi(b)]$ 的划分 $P$ 使得 $f$ 关于 $P$ 是逐段常值的。考虑 $Q=\{\{x\in [a,b]:\varphi(x)\in J\}:J\in P\}$,可以证明 $Q$ 是 $[a,b]$ 的划分,且 $f\circ\varphi$ 是关于 $Q$ 逐段常值的,且 $P,Q$ 之间根据 $\varphi$ 构成双射关系,且: + $$ + \int_{[a,b]}f\circ\varphi\text d\varphi=\sum_{K\in Q}d_{K}\varphi[K]=\sum_{K\in Q}c_{\varphi(K)}|\varphi(K)|=\sum_{J\in P}c_J|J|=\int_{[\varphi(a),\varphi(b)]}f + $$ + +- **命题 11.10.5**:设 $\varphi:[a,b]\to[\varphi(a),\varphi(b)]$ 是单调不降的连续函数,$f:[\varphi(a),\varphi(b)]\to\mathbb R$ 是黎曼可积函数。那么 $f\circ \varphi:[a,b]\to\mathbb R$ 是关于 $\varphi$ 黎曼-斯蒂尔杰斯可积的,且 $\int_{[a,b]}f\circ \varphi\text{d}\varphi=\int_{[\varphi(a),\varphi(b)]}f$。 + +- **命题 11.10.6(变量替换公式)**:设 $\varphi:[a,b]\to[\varphi(a),\varphi(b)]$ 是单调不降的可微函数,$\varphi'$ 是黎曼可积函数,$f:[\varphi(a),\varphi(b)]\to\mathbb R$ 是黎曼可积函数。那么 $(f\circ\varphi)\varphi':[a,b]\to\mathbb R$ 是黎曼可积函数,且 $\int_{[a,b]}(f\circ\varphi)\varphi'=\int_{[\varphi(a),\varphi(b)]}f$。 + + **证明**:联合命题 11.10.3 和命题 11.10.5 可知。 + +事实上,除命题 11.10.1 外,上述所有命题中的所有非 $\alpha,\varphi$ 这种函数,将它们的定义域由闭区间改为开区间都是成立的,但由于 $\alpha,\varphi$ 的定义域必须是闭区间,而且 $\int_{[a,b]}f=\int_{(a,b)}f$,所以也就无所谓了。 \ No newline at end of file