黎曼积分和勒贝格积分定义的比较大学论文Word格式文档下载.docx

1、黎曼积分和勒贝格积分分别是数学分析和实变函数的主要核心内容。 虽然莱布尼茨和牛顿两人发现了微积分， 而且还给出了定积分的相关论述，但是现在我 们所学习的教科书中有关定积分的现代化定义是黎曼积分给出来的。 勒贝格积分是黎曼积分非常重要的推广，勒贝格积分与黎曼积分的最主要不同在于前者是对 函数的函数值的区域进行定义区分，而后者是对函数定义域进行定义划分。这两 种积分既有联系又有区别，通过对这两种积分的对比研究，可以让我们加深对积 分理论及应用的更多理解。研究清楚这些问题对我们学习数学非常重要， 所以以下我们将对这些问题进 行一一深入探讨与研究。2积分理论的发展在很早的时候柯西对连续函数做出了积分的

2、定义。黎曼在柯西的基础上对“基本上”连续的函数积分进一步给出了相关定义。很早之前人们运用黎曼积分 来进行计算曲边形的面积、物体的重心以及物理学上的功和能等方面都是很方便 的。但是随着深入的认识，人们便开始经常地去处理解决一些复杂的函数。 例如由一列性质优良的函数组成的级数所定义出来的函数， 和两个变元的函数对一个变元积分后所得到的一元函数等。在谈论它们的可积性、可微性、连续性时，经 常遇到极限与积分能否交换顺序的相似问题，通常只有在很强的假定下（一致收 敛）才能对这种问题作出确定性的回答。 所以，人们在理论和使用上都急切的想 要建立一种新的积分，它既能够维持黎曼积分在计算和几何直观上具有有效性

3、， 又能够确保极限与积分交换顺序等条件上有很大的改良与突破。 这就需要对黎曼积分概念进行改良。把积分学推向进步的是勒贝格，他在 1902年成功引进一种新的积分一一勒贝格积分，同时还引入了一门新的数学分支学科一一实变函数 论。勒贝格理论主要包括勒贝格积分概念、点集的测度和可测函数， 1872年，康托提出集合论，引进了点集的概念，间断点可以看做一个整体进行考察， 这样 子就为间断点与可积性关系的探究提供了办法，勒贝格在原来的基础上推广了长 度，建立点集测度的概念，与此同时，定义了内测度 m“（E）和外测度m （E），如 果m（E）=m （E）时，我们称E为可测集，并称内测度和外测度的公共值 I为点

4、集E的测度。勒贝格的测度概念把黎曼可积函数类变得非常的了然。 勒贝格又把可测集上的函数定义为可测函数，那么 E是一有界可测集，f（x）是定义在E上的实函数，如果对任一实数a，点集E=x: f （x） . a还是勒贝格可测集，则f （x） 是E上的可测函数。容易知道，可测函数不是连续函数的简单推广，它是在测度 论基础上构造出来的，但它能把连续函数、可导函数、单调函数作为特例加以概 括。能够证明，区间上的任意连续函数都是可测函数，狄利克雷函数则是不连续 的可测函数。利用可测函数，在研究黎曼积分的定义方式后， 考虑到由于间断点 所造成的振幅过大的困难，勒贝格大胆地改变了对黎曼积分作函数定义域分割的

5、方法，而采用对函数值域分割的方法，从而寻求到“缩小”振幅，消除间断点困 难的简单、巧妙而富有哲理性的逆向思维方式。并在点集论、测度论、可测函数 等已有基本概念上创建一种新的积分类型一一勒贝格积分。彻底解决了黎曼积分 自身局限性所造成的各种困难问题， 定义了他自己的积分概念。这两种积分既有区别又有联系，通过对这两种积分的对比研究，能让我们加深对积分理论及应用 的理解。3黎曼积分和勒贝格积分定义的比较3.1黎曼积分黎曼积分是为了处理计算平面上封闭曲线围成图形的面积问题而产生的 ，它是从划分闭区间a,b 1上着手,利用极限想法来进行定义的。定义1设函数f（x）在a,b 1上有以下定义。随意给 bb】

6、一个划分T :a = x 人、 0时，那么积分和J的极限是I，即 k=1l（m lim f （ k:k =1，且数I与划分T无关，也与；的取值无关，则称 函数f （x）在a, b 1黎曼可积，I是在a, b 1上的黎曼积分，表示为I =（R）. f（x）dx。假设当l（T） 0时，积分和二n极限不存在，称函数f （x）在a,b】 a上是不可积。黎曼积分的定义知道：若函数f（x）在a,b上黎曼可积，那么f（x） 在h,b 上必定有界。换句话说，若函数f （x）在a,b 1上无界，则f （x）在!a,b上必定不是黎曼可积3.2勒贝格积分利用与黎曼积分类似的思想，从划分函数值域着手利用极限思想来定义

7、勒贝 格积分。定义2设函数f（X）是a,b 上的有界可测函数，m :： f （x） . M。任意给m, M 1个划分 T: m = y ： y_ ： yn = M。然后考虑集合 Ek = x： yk_ f （x） ： yk，n n当k=1,2_,n，给勒贝格定义小和s及大和S，s =為ykmEk，S =為ykmEk，k=4 k=J则会有 inf S 二sups 和 0 zS-s ： t（b a），其中 t =max yk - yk：k =1,2，n。所 以定义函数f （x）在la, b 1上的勒贝格积分为inf S二sups = （L） & f （x）dx。由定义可以知道在有界区间上的有界可测

8、函数勒贝格积分总是存在的。 比较黎曼积分的定义1和勒贝格积分的定义2,会使人们觉得，黎曼积分是对区间la,b 1 进行划分来思索的，然而勒贝格积分是从对函数值域进行划分来思索的。但这并 不是它们真正区分的实质。因为我们也可以不需要划分函数值域的方法去定义 L 黎曼积分，以下称为3定义。定义3设f （x）是Rn上的非负可测的简易函数，它在点集 A（i =1,2,，p）上p p取值cf（x） c/A, A二Rn,Aj Aj-_（i = j）。假如E是可测集，那么定义iT ip非负可测简易函数f （x）在E上的勒贝格积分为（L）已f（x）dx cix（E Ai）。设i Af （x）是E Rn上的非负

9、可测函数，我们定义f （x）是E上的勒贝格积分，为（L） f（x）dx= sup h（x）dx:h（x）是Rn上的非负可测简易函数。若E h（x）兰（x）x生 E（L） E f（X）dx ，则称f （x）在E上是勒贝格可积的。设f （x）是E Rn上的可测函数，f lx）二max f（x）,0，f （x）二maX -f （x）,0，如果积分（L） * f（x）dx中最起码有一个是有限的，则称（L） E f （x）dx = （L） jE f x）dx-（L） ! f x）dx为 f（x）在 E 上的勒贝格积分；如果上面式子右边两个积分都有限时，则称 f（x）在E上是勒贝格可积的。从勒贝格积分的定

10、义3可以知道，在这没有对函数值域作出任何的划分，而是从非负可测简单函数角度来定义可测函数的勒贝格积分， 固然勒贝格积分的这两个定义是相等的。虽然在 a,b 上黎曼可积的函数是勒贝格可积的，但反过来 说明就不一定是成立的。所以对区间作划分上的区别只是表面现象， 并不是勒贝 格积分定义的本义性质。4黎曼积分与勒贝格积分的关系我们已经差不多建立好了勒贝格积分理论，在进一步说明这一理论的其他内 容之前，我们可以先揭示它与黎曼积分的关系。它们的关系能用一个公式来表示， 它不但阐明勒贝格积分是黎曼积分的一种推广，而且为一般有界函数的黎曼可积 性提供了一个简单的判别准则。本文将从一维的情形进行探讨，在这里要

11、用到黎 曼积分理论的下述结果：设f（x）是定义在I = a,b上的有界函数， n是对l.a,b所做的分划序列：（n）:a =x0（nX）vvxkn（n）=b（n =1,2,），Mnf = maxXj（n）Xi）:1 兰 i 兰 kn，减P = 0，若令（对每个i以及n ） M ）=supf （x）必）兰x兰xf， mj（n）=inf f （x）必丿）兰x兰Xj（n，贝U关于f （x）的Darboux上，下积分下述等式成kn b knS M）-x（n L ）， f f （x dx = lim mF Xx - x（n L ）。记-（x）是 f （x）在!a,b 上的” a b振幅（函数），我们有x

12、dx二f（x）dx f （x）dx。左端是（x）在I上的勒贝1 L b L a格积分。证明 因为f （x）在a,b 1上是有界的，所以-（x）是!a,b上的有界函数，所以 L a,b 。对于之前所述说的分划序列 n，作下列函数列有E =x a, b】:x是 A In =1,2,的分点，显然m E A0且有lim - n （x）二-（x）, xa,b】E。我们记A, B各是f （x）在 a,b】上的上确界、下确界，存在一切x，有 .,n （x）岂A - B，所以根据控制收敛定理（控制函数是常数函数）可以得到lim （x）dx - x dx。从另一方面看，因为kn妙 x dx =瓦（M ）mf x

13、F）x（n ）kn k n=X M f认F Lx）匸送mf认卩）一 xU 4 ）i 4 i 4-b b得至U |门x dx = lim |门 j x dx = f x dx - f x dx。定理1函数黎曼可积的充分必要条件是函数不连续点的一切要成一零测 集。5黎曼积分和勒贝格积分性质的比较5.1被积函数绝对可积性的比较我们都知道如果f在a,b 1上是可积的，那么f在a,b 1上也是可积的，这就 说明了对于勒贝格积分来说，f在a,b】上可积与| f在la,b】上可积是相互等的， 但是对于黎曼积分来说，这个性质反而不成立。x是有理数.例1 f（x）=J，X ；，显然，f（x）在0,1上不是黎曼可

14、积；但是日，X是无理数f （x）三1， f （x）在0,1 1上黎曼可积。5.2被积函数的有界性的比较由定理1我们知道函数黎曼可积的充分必要条件是函数不连续点的全体要成一零测集，函数连续点的全体所构成的集合也一定是稠密集， 简略说明，黎曼积分理论是针对连续函数或“基本上”连续的函数而建立，同时说明可积函数必 定是有界的。定理2如果函数f黎曼可积，那么f必定有界。设f（x） _0在可测集E Rq上是可测的，这时我们可定义f（x）dx=limf（x）dx，称f （x）在E上的勒贝格积分。其中E n “EnEn =EnKn, Kn =X=（X1,X2, Xq）: x 乞 n。令 f （x） =max

15、 f （x）,C, f _（xmax -f （x）,0，则 f （x） = f （x） - f （x），容易得 出，如果f（x）在E上是可测的，那么（x）与f（x）在上也是可测，反之亦然。而且对于测度有限的可测集上的可积函数 f（X）来说，总是有e f （x）dx 二已 f（x）dx-已 f _（x）dx。定义4设f（x）在可测集E Rq上是可测的，假如在上述定义下的e f （x）dx和e f -（x）dx不同时为 时，那么我们称f（x）在E上积分是确定的， 并且定义e f （x）dx = e f O）dx - e f lx）dx是f（x）在E上的勒贝格积分，要是此 积分有限，我们称f（x）在

16、E上勒贝格可积。定理3设f （x）为可测集E Rq （mE ：）上的有界函数，那么f （x）在E上勒 贝格可积的充分必要条件是f（x）在E上是可测的。由此我们知道勒贝格积分与黎曼积分相比较下有着明显的优点， 它将可积函数类扩大成一般可测函数，而不仅仅是限于有界函数。5.3中值定理 在黎曼积分中，有以下中值定理： 定理4 （第一中值定理）设f在a,b 1上连续，则存在 - a,bi，使得ba f （x）dx = f （ ）（b-a）。定理5 （第二中值定理）设f在a,b 1上可积，（i）如果函数g在a,b 上递减，且g（x）_O，则存在 a,b，使得a f （x）g（x）dx =g（a） a f

17、 （x）dx。（ii ）如果函数g在a,b 上递增，且g（x）_O，则存在 !a,b，使得b bf（x）g（x）dx = g（b）匚f （x）dx。推论2设函数f在a,b 1上可积，如果g为单调函数，则存在 la,bl，使得a f （x）g（x）dx =g（a） a f （x）dx g（b） f （x）dx。在勒贝格积分中，我们知道了从非负可测函数积分的几何意义到一般可测函 数积分的几何意义。定理6 （非负可测函数积分的几何意义）设 f（x）是可测集E Rn上的非负函数，那么当f（x）在E上可测时，有e f （x）dmG（E, f）推论 3 设 f（x）是 Eu Rn 上可积函数，则 E f

18、（x）dx = mG（E, f mG（E, f J 5.4被积函数连续性的比较如果f （x）是定义在a,b 上的有界函数，那么f（x）在la,b 1上是黎曼可积的充 分条件是f（x）在a,b上的不连续点集是零测度集。定理7定义在有限区间a,b 1上的函数若是黎曼可积，那么勒贝格可积，并且积分值是相等的，即（R） f（x）dx=（L） f （x）dx。La La这表明了 f（x）在a,b 1上黎曼可积与勒贝格积分是相等的，反过来证明勒贝格可 积的函数未必黎曼可积。例2f（x）=x，；在0,1 上的函数，不是黎曼可积的，却是勒贝格、1, x 壬 0, 1Q可积的。那是因为除了点X=1外，闭区间0,

19、1 1上的其余点都是属于间断点，那么 它在一正测度集上是间断的，所以它不是黎曼可积的，但是因为 f （x）是有界可测，所以说这个函数是勒贝格可积的。5.5收敛条件在黎曼积分的意义下，函数列只有满足一致收敛的条件，才能够保证极限与 积分的交换顺序，但是这一条件过分强了。如 fn（x） =xn（O岂X，n =1,2,， 当n； :时，fn （x）收敛但是非一致收敛于f （x） = :，然而此时仍然有这就说明，黎曼积分收敛定理中的一致收敛只是积分运算与极限运算交换的 充分条件，而不是必要条件。在勒贝格意义下，不是一致收敛也能保证积分与极限运算的交换的定理8 （勒贝格控制收敛定理）设（1）fn（x）是

20、可测集E上的可测函数列;（2）fn（x） EF（x）a ex E，n =1,2,，并且 F（x）在 E 上 L 可积;（3）什&）= f（X）（依测度收敛）则 F（x）在 E 上 L 可积，并且 lim fn（x）dx f （x）dx。E E通过定理6, 7, 8能对黎曼积分收敛定理作出了一些适当的改进， 改进后的定理是：定理9设fn（x）（n =1,2,）、f（x）和F（x）在la,b上R可积且（1）治）处处收敛于f（x）；（2）fn （x） F （x）那么有 lim （R） a fn （x）dx = （ R） a f （x）dx O下面我们重新来考察前面所提到的函数列 fn（x）二xn（0

21、空X乞1）, n = 1,2,，和极限函数f（X）二0；0亍1；,显然fn（x）和f（x）满足定理9的条件，因此，虽然 fn（x）不一致收敛于f （x），但是由定理9可知必定有1 1 1lim （R） 0 fn （x）dx = （R） lim fn（x）dx = （R） 由此得知，定理9的确比原来的黎曼积分收敛定理要优越，但是还要注意， 定理9要求fn （x）在b,b 1上必定要一致有界的（因F（x）可积必有界），这显然使得积分号下取极限这一重要运算手段受到了非常大的限制与影响，不仅仅如此, 定理9中关于极限函数f （x）可积性的假设也是不能丢掉的。例3将0,1 1中全体有理数列出：r,r2作

22、函数列fn（X）1, X =1，2,，n（ n= 1,2,；O0,其他显然对每个自然数n, fn（x）是0,11上黎曼可积的函数，并且积分值都是零,容易知道极限函数F（x）是狄利克雷函数，它不是黎曼可积的，那就没有办 法去讨论积分号下取极限的问题。另一方面，从定理8得出，在勒贝格积分理论中，没有要求函数列一定要一 致有界，只要有一个控制函数就行；也没有要求 fn（x）必须处处收敛于F（x），只要fn（x）能够依测度收敛F（x）就行，也不用假设极限函数的可积性，这是因为定 理8本身就可以保证极限函数一定是可积的。例如，对定理9中的fn（x）和f （x）,必定有 n马（L）阮fn （x）dx =

23、（L） f （x）dx。通过以上几点可以知道，黎曼积分相对于勒贝格积分有着明显的局限性。6黎曼积分（广义）与勒贝格积分区别及联系勒贝格可积函数的范围要比黎曼积分广，这主要体现在勒贝格积分包含了黎 曼积分，勒贝格积分与极限的交换容易达成主要表现在： 积分与极限的交换问题在勒贝格积分范围内比黎曼积分范围内更为完美的解决， 主要体现在控制收敛的定理上。对于正常的黎曼积分和勒贝格积分有如下的关系：定义在有限区间上的 函数，如果黎曼积分可积，那么勒贝格积分可积，并且积分值是相等的，但是相 对于广义积分来说，却不一定是这样。定理10设f（x）是a,b】上几乎处处连续的函数，并且对任意的 ；0，f（x） 在

24、a ；,b 1上是有界的，且f （x）在a,b 1上是不变号的，则（R） f（x）dx = Au（L）j,bf （x）dx = A。注：上述定理说明了不变号的函数广义黎曼积分和勒贝格积分的关系， 那么对a,b 1上变号的函数f（x）结论是不成立的。由此我们知道广义黎曼积分是推不出勒贝格积分的，反之若（OQbjf （x）dx存在，那么（R） f （x）dx也存在。 上面我们考虑的是有界区域上的无界函数，下面我们将考虑无限区域情形。 定理11若f（x）在，：上连续并且是黎曼可积的，则有（R）匚f（x）dx = （L ）J：f （x）dx。证明：因为f（x）在：，：上连续并且黎曼可积，由定义可知，对

25、任意的闭区间 b,b 1，f （x）在 a,b 上是黎曼可积的，且有 limL abf（x）dx=：L _f（x）dx b;二 一-并有限，所以，对每个 n A1，令 fn（x） =| f （x） X n,n x ），x n, nu （_co，邑），,r，根据单调收敛则 fn （x） : n却是可测函数列，且|m，fn（X）=| f（x，xe定理可知lim （L |f （x）dx =（L yt （xdx。所以，f （x）在（q ,2）上勒贝格可 积，并且f（xXL,n：（xk f（x），（-曲址），再由勒贝格控制收敛定理知二： n n n -（L ）仁 f （X）dx =（L）L（x） X S

26、 Jx dx = nlimJL）L f（X）dx =lim（R f （x）dx =（ R ）Jf （x）dxbo bo则（Rf （x）dx =（L ）J f （x）dx- -定理12设f（x）是E = a,七1上的非负函数，并且是广义黎曼可积，那么f（x）在 a,p 上勒贝格可积，且（L ）广f （x）dx = （R）jf （x）dx。证明 因为f（x）在E上是广义黎曼可积，且是非负连续函数，则对任意自然 数n ， f（x）在En二a, nl上黎曼可积，贝U由闭区间上两个积分的关系可得n n n nL f（x）dx 二 R ii f （x）dx，所以 lim L ii f （x）dx = lim Rj| f （x）dx，因此 “a “a n ： a n aL a f（x）dx 二 R a f