Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。
§ 2。非紧区间上的积分
1. 非紧区间上的积分的定义
设I为*延长线*R ‾ \overline{\mathbf{R}} R 中的紧区间[ a , b ] [a,\ b] [ a , b ] (a a a 和b b b 可能是无限的);设f f f 是在[ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ 上定义的函数,将其值取为R \mathbf{R} R 的完整规范空间E。概括 def。 1 of II, p. 51,我们可以说函数 g g g ,定义在[ a , b ] [a,\ b] [ a , b ] 上,E中的值,是f f f 的*原语*,如果它在[ a , b ] [a,\ b] [ a , b ] 上连续(特别是在端点a a a 和b b b ),并允许在该区间的可数子集的补集的[ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ 的所有点处导数等于f ( x ) f(x) f ( x ) 。
我们将把自己限制在以下情况:存在I = [ a , b ] I = [a,\ b] I = [ a , b ] 的点的有限严格递增的序列( c i ) 0 ≤ i ≤ n (c_i)_{0 \leq i \leq n} ( c i ) 0 ≤ i ≤ n ,使得c 0 = a , c n = b c_0 = a,\ c_n = b c 0 = a , c n = b ,并且f f f 在每个开区间[ c i , c i + 1 [ [c_i,\ c_{i+1}[ [ c i , c i + 1 [ 上受到“调节”。 虽然不一定在每个开区间包含点 c i c_i c i I I I 内部进行调节;这样的函数将被称为[ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ 上的“分段调节”。我们注认为[ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ 上的调节函数是分段调节的(取前面的定义中的n = 1 n = 1 n = 1 )。
如果f f f 承认一个原语g g g (在上面精确的意义上),并且如果c c c 是区间[ c i , c i + 1 [ ( 0 ≤ i ≤ n − 1 ) [c_i,\ c_{i+1}[\ (0 \leq i \leq n - 1) [ c i , c i + 1 [ ( 0 ≤ i ≤ n − 1 ) 的点,则通过假设,对于这个区间中的每个x x x ,有g ( x ) − g ( c ) = ∫ c x f ( t ) d t g(x) - g(c) = \int_c^x f(t)\,dt g ( x ) − g ( c ) = ∫ c x f ( t ) d t ;由于g g g 在I I I 上连续假设,因此可以看出,当x x x 从右侧趋向于c i c_i c i 以及当x x x 从左侧趋向于c i + 1 c_{i+1} c i + 1 时,E E E 中∫ c x f ( t ) d t \int_c^x f(t)\,dt ∫ c x f ( t ) d t 趋向于极限。相反,假设所有t t t 都满足这些条件,并令g i g_i g i 为f f f 在区间[ c i , c i + 1 [ ( 0 ≤ i ≤ n − 1 ) [c_i,\ c_{i+1}[\ (0 \leq i \leq n - 1) [ c i , c i + 1 [ ( 0 ≤ i ≤ n − 1 ) 上的原语;我们注立即知道函数g g g ,定义在c i c_i c i 的集合相对于I I I 的补集上,通过条件它等于0 ≤ i ≤ n − 1 0 \leq i \leq n - 1 0 ≤ i ≤ n − 1 在[ c i , c i + 1 [ [c_i,\ c_{i+1}[ [ c i , c i + 1 [ 上的g i ( x ) + ∑ k = 1 i ( g k − 1 ( c k − ) − g k ( c k + ) ) g_i(x) + \sum_{k=1}^i (g_{k-1}(c_k-) - g_k(c_k+)) g i ( x ) + ∑ k = 1 i ( g k − 1 ( c k − ) − g k ( c k + )) ,在每个连续I I I 中的点与c i c_i c i 不同,并在每个点处承认极限;因此,它可以通过连续性扩展到这些点中的每一个,并且扩展后的函数显然是f f f 在I I I 上的原语。此外,很明显,f f f 的所有其他原语都是形式g + a g + a g + a (E E E 的a a a 元素)。
有人说向量函数*f f f ,*分段调节在一个区间*[ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ *of*R ‾ \overline{\mathbf{R}} R ,*在这个区间上承认一个积分如果*f f f *在*[ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ *上承认一个原语;如果* g g g 是 f f f 在 [ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ * 上的任意一个原语,并且* x 0 x_0 x 0 和 x x x 是 [ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ * 的任意两个点,*一个调用元素* g ( x ) − g ( x 0 ) g(x) - g(x_0) g ( x ) − g ( x 0 ) 的积分 f f f 从 x 0 x_0 x 0 到 x x x ,*1 用* ∫ x 0 x f ( t ) d t \int_{x_0}^x f(t)\,dt ∫ x 0 x f ( t ) d t 表示。
这个概念显然与当区间[ x 0 , x ] [x_0,\ x] [ x 0 , x ] 包含没有点c i c_i c i 时定义的概念一致。
注位于 def 之前。图 1 表明,对于 f f f 在 [ a , b [ [a,\ b[ [ a , b [ 上有积分,其限制对于每个区间 [ c i , c i + 1 [ [c_i,\ c_{i+1}[ [ c i , c i + 1 [ 应该允许在该区间上积分是充分必要的。在其他字中,约化对应于f f f 在*非紧凑*区间 I ⊂ R I \subset \mathbf{R} I ⊂ R 上进行调节,端点为 a , b a,\ b a , b (a < b a < b a < b ),并且其中: 1 数 a , b a,\ b a , b 中的任一者(至少)是无限的; 2 或 f f f 不受紧凑区间包含至少点 a , b a,\ b a , b 之一的调节(这两个假设并不相互排斥)。为了使f f f 在I I I 上有积分,当点( x , y ) (x,\ y) ( x , y ) 接近( a , b ) ∈ R ‾ 2 (a,\ b) \in \overline{\mathbf{R}}^2 ( a , b ) ∈ R 2 同时保持在I × I I \times I I × I 内时,整的∫ a x f ( t ) d t \int_a^x f(t)\,dt ∫ a x f ( t ) d t 接近极限是必要且充分的:而这个极限正是∫ a b f ( t ) d t \int_a^b f(t)\,dt ∫ a b f ( t ) d t 根据定义。 1. 通过滥用语言,人们说积分 ∫ a b f ( t ) d t \int_a^b f(t)\,dt ∫ a b f ( t ) d t 收敛 (或 收敛 ),而不是说 f f f 具有超过 I I I 的积分,而不是说。
i) 整的 ∫ 1 + ∞ d t / t 2 \int_1^{+\infty} dt/t^2 ∫ 1 + ∞ d t / t 2 收敛并等于 1,对于
∫ 1 x d t t 2 = 1 − 1 x .
\int_1^x \frac{dt}{t^2} = 1 - \frac{1}{x}.
∫ 1 x t 2 d t = 1 − x 1 .
2) 整的∫ 0 1 d t / t \int_0^1 dt / \sqrt{t} ∫ 0 1 d t / t 收敛并且等于2,对于
∫ 1 x d t t = 2 ( 1 − x ) for x > 0.
\int_1^x \frac{dt}{\sqrt{t}} = 2(1 - \sqrt{x}) \quad \text{for} \quad x > 0.
∫ 1 x t d t = 2 ( 1 − x ) for x > 0.
3) 令( u n ) n ≥ 1 (\mathbf{u}_n)_{n \geq 1} ( u n ) n ≥ 1 为E的点的无限序列,并令f \mathbf{f} f 为由条件在区间[ 1 , + ∞ [ [1, +\infty[ [ 1 , + ∞ [ 上定义的步长函数:n ≤ x < n + 1 n \leq x < n+1 n ≤ x < n + 1 的f ( x ) = u n \mathbf{f}(x) = \mathbf{u}_n f ( x ) = u n 。那么,要使积分 ∫ 1 + ∞ f ( t ) d t \int_1^{+\infty} \mathbf{f}(t)\,dt ∫ 1 + ∞ f ( t ) d t 收敛,级数与一般项 u n \mathbf{u}_n u n 在 E 中“收敛”是必要且充分的;确实,一个人有
∫ 1 n f ( t ) d t = ∑ p = 1 n − 1 u p ,
\int_1^n \mathbf{f}(t)\,dt = \sum_{p=1}^{n-1} \mathbf{u}_p,
∫ 1 n f ( t ) d t = p = 1 ∑ n − 1 u p , 所以条件是必要的;反之,若级数与一般项
u n \mathbf{u}_n u n 收敛于E,则
lim n → ∞ u n = 0 \lim_{n \to \infty} \mathbf{u}_n = 0 lim n → ∞ u n = 0 ;现在,如果
n ≤ x ≤ n + 1 n \leq x \leq n+1 n ≤ x ≤ n + 1 ,则有
∫ 1 n f ( t ) d t = ∑ p = 1 n − 1 u p + u n ( x − n ) \int_1^n \mathbf{f}(t)\,dt = \sum_{p=1}^{n-1} \mathbf{u}_p + \mathbf{u}_n(x-n) ∫ 1 n f ( t ) d t = ∑ p = 1 n − 1 u p + u n ( x − n ) 。所以当
x x x 趋于
+ ∞ +\infty + ∞ 时,这个积分有极限
∑ n = 1 ∞ u n \sum_{n=1}^{\infty} \mathbf{u}_n ∑ n = 1 ∞ u n 。
直接的,如果分段调节函数f \mathbf{f} f 承认超过I的积分,则II的公式(4)到(9),p. 59仍然有效。类似地,II、p. 59扩展的公式(10)按如下方式:假设f \mathbf{f} f 和g \mathbf{g} g 是] a , b [ ]a,\ b[ ] a , b [ 上受管制的函数、f ′ \mathbf{f}' f ′ 和g ′ \mathbf{g}' g ′ 的原语,1表示通过[ f . g ] ∣ x y [\mathbf{f}.\mathbf{g}]|_x^y [ f . g ] ∣ x y 的[ f . g ] ∣ a b [\mathbf{f}.\mathbf{g}]|_a^b [ f . g ] ∣ a b 极限(如果存在),因为( x , y ) (x,\ y) ( x , y ) 趋于( a , b ) (a,\ b) ( a , b ) (与a < x ≤ y < b a < x \leq y < b a < x ≤ y < b );那么,如果(三个)表达式[ f . g ] ∣ a b [\mathbf{f}.\mathbf{g}]|_a^b [ f . g ] ∣ a b 、∫ a b [ f ( t ) . g ′ ( t ) ] d t \int_a^b [\mathbf{f}(t).\mathbf{g}'(t)]\,dt ∫ a b [ f ( t ) . g ′ ( t )] d t 和∫ a b [ f ′ ( t ) . g ( t ) ] d t \int_a^b [\mathbf{f}'(t).\mathbf{g}(t)]\,dt ∫ a b [ f ′ ( t ) . g ( t )] d t 中的两个有意义,那么第三个也有意义,并且II、p. 59的公式(10)有效。
最后,令f f f 为实数函数,它在I = ] a , b [ I = ]a,\ b[ I = ] a , b [ 上定义且连续,并且是] a , b [ ]a,\ b[ ] a , b [ 上受管制的函数f ′ f' f ′ 的原语;另一方面,令 g g g 为开区间 J 包含于 f ( I ) f(I) f ( I ) 上的连续向量函数;如果函数 g ( f ( x ) ) f ′ ( x ) g(f(x))f'(x) g ( f ( x )) f ′ ( x ) 允许在 I 上积分,并且如果 f f f 在点 a a a 和 b b b 处趋于极限(有限或非有限),则 g g g 允许从 f ( a + ) f(a+) f ( a + ) 到f ( b − ) f(b-) f ( b − ) ,一个有公式
∫ a b g ( f ( t ) ) f ′ ( t ) d t = ∫ f ( a + ) f ( b − ) g ( u ) d u .
\int_a^b g(f(t))f'(t)\,dt = \int_{f(a+)}^{f(b-)} g(u)\,du.
∫ a b g ( f ( t )) f ′ ( t ) d t = ∫ f ( a + ) f ( b − ) g ( u ) d u . 事实上,如果
( x , y ) (x,\ y) ( x , y ) 趋向于
( a , b ) (a,\ b) ( a , b ) ,那么
( f ( x ) , f ( y ) ) (f(x),\ f(y)) ( f ( x ) , f ( y )) 趋向于
( f ( a + ) , f ( b − ) ) (f(a+),\ f(b-)) ( f ( a + ) , f ( b − )) 假设;只需在
x x x 和
y y y 之间应用II、p. 60的公式(12),并传递到极限即可获得(1)。
给定非紧区间 I ⊂ R I \subset \mathbf{R} I ⊂ R 上的调节函数 f \mathbf{f} f ,端点为 a a a 和 b b b (a < b a < b a < b ),f \mathbf{f} f 具有超过I 的积分的条件可以通过以下方式呈现。紧致区间 J ⊂ I J \subset I J ⊂ I 形式 a 有向集合 K ( I ) \mathscr{K}(I) K ( I ) 相对于关系 ⊂ 1 \subset ^1 ⊂ 1 ,如果 [ α , β ] [ \alpha , \beta ] [ α , β ] 和 [ γ , δ ] [ \gamma , \delta ] [ γ , δ ] 是 I I I 中包含的两个紧致区间,并且如果有人放入 λ = min ( α , γ ) \lambda = \min(\alpha, \gamma) λ = min ( α , γ ) , μ = max ( β , δ ) \mu = \max(\beta, \delta) μ = max ( β , δ ) ,则区间[ λ , μ ] [ \lambda , \mu ] [ λ , μ ] 包含在所考虑的两个区间I I I 和包含中。对于 I I I 中包含的每个紧凑区间 J = [ α , β ] J = [ \alpha , \beta ] J = [ α , β ] ,让我们将
∫ J f ( t ) d t = ∫ α β f ( t ) d t ;
\int_J f(t) \, dt = \int_\alpha^\beta f(t) \, dt;
∫ J f ( t ) d t = ∫ α β f ( t ) d t ;
为了使f f f 承认超过I I I 的积分,映射J ↦ ∫ J f ( t ) d t J \mapsto \int_J f(t) \, dt J ↦ ∫ J f ( t ) d t 相对于有向集合K ( I ) \mathfrak{K}(I) K ( I ) 有极限是必要且充分的;这个极限就是积分∫ a b f ( t ) d t \int_a^b f(t) \, dt ∫ a b f ( t ) d t ,我们再次用∫ I f ( t ) d t \int_I f(t) \, dt ∫ I f ( t ) d t 表示。
引用了 1 引用了 II § 1. 。原语和积分
命题 1(柯西积分准则) 088H
令 f f f 为区间 I ⊂ R I \subset \mathbf{R} I ⊂ R 上的调节函数,具有端点 a a a 和 b b b (a < b a < b a < b )。为了使积分∫ a b f ( t ) d t \int_a^b f(t) \, dt ∫ a b f ( t ) d t 存在,对于每个ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 存在一个包含在I I I 中的紧致区间J 0 = [ α , β ] J_0 = [\alpha, \beta] J 0 = [ α , β ] 是必要且充分的,这样对于包含在I I I 中并且在公共的中没有内部点和J 0 J_0 J 0 的任何紧致区间K = [ x , y ] K = [x, y] K = [ x , y ] ,有一个∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε \| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon ∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε .
事实上,由于E E E 是完备的,柯西准则表明,对于积分∫ I f ( t ) d t \int_I f(t) \, dt ∫ I f ( t ) d t 收敛,对于任何ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 ,存在一个紧致区间J 0 = [ α , β ] J_0 = [\alpha, \beta] J 0 = [ α , β ] ,并且对于每个紧致区间J J J ,使得J 0 ⊂ J ⊂ I J_0 \subset J \subset I J 0 ⊂ J ⊂ I 有∥ ∫ J f ( t ) d t − ∫ J 0 f ( t ) d t ∥ ≤ ε \| \int_J f(t) \, dt - \int_{J_0} f(t) \, dt \| \leq \varepsilon ∥ ∫ J f ( t ) d t − ∫ J 0 f ( t ) d t ∥ ≤ ε 是必要且充分的。 命题源自以下引理:
设J 0 = [ α , β ] J_0 = [\alpha, \beta] J 0 = [ α , β ] 为I I I 包含的紧区间。在阶中,∥ ∫ J f ( t ) d t − ∫ J ′ f ( t ) d t ∥ ≤ ε \| \int_J f(t) \, dt - \int_{J'} f(t) \, dt \| \leq \varepsilon ∥ ∫ J f ( t ) d t − ∫ J ′ f ( t ) d t ∥ ≤ ε 对于I I I 和包含J ′ J' J ′ 中包含的每个对紧致区间J , J ′ J, J' J , J ′ 来说,对于每个紧致区间,∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε \| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon ∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε 是必要的,并且∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε / 2 \| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon / 2 ∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε /2 就足够了K K K 包含在 I I I 中,且公共的中没有内部点,且J 0 J_0 J 0 。
引用了 3 引用了 E III § 1. 序关系。 有序集 , TG I § 7. Limits , TG IV § 5. 实值函数
事实上,如果对于 J 0 ⊂ J ⊂ I J_0 \subset J \subset I J 0 ⊂ J ⊂ I 和 J 0 ⊂ J ′ ⊂ I J_0 \subset J' \subset I J 0 ⊂ J ′ ⊂ I ,有
∥ ∫ J f ( t ) d t − ∫ J ′ f ( t ) d t ∥ ≤ ε
\left\| \int_J f(t) \, dt - \int_{J'} f(t) \, dt \right\| \leq \varepsilon
∫ J f ( t ) d t − ∫ J ′ f ( t ) d t ≤ ε
特别是,对于x ≤ y ≤ α x \leq y \leq \alpha x ≤ y ≤ α 或β ≤ x ≤ y \beta \leq x \leq y β ≤ x ≤ y (I I I 中的x x x 和y y y ),一个人有∥ ∫ x y f ( t ) d t ∥ ≤ ε \| \int_x^y f(t) \, dt \| \leq \varepsilon ∥ ∫ x y f ( t ) d t ∥ ≤ ε 。相反,如果 ∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε / 2 \| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon / 2 ∥ ∫ K f ( t ) d t ∥ ≤ ε /2 对于每个紧凑区间 K ⊂ I K \subset I K ⊂ I 使得 K ∩ J 0 = ∅ K \cap J_0 = \emptyset K ∩ J 0 = ∅ ,并且如果 J = [ x , y ] J = [x, y] J = [ x , y ] 、J ′ = [ z , t ] J' = [z, t] J ′ = [ z , t ] 是包含在 I I I 和包含 J 0 J_0 J 0 中的两个紧凑区间,则有
1 回想一下(*集合理论*,III,p. 144),I I I 的子集的集合F \mathfrak{F} F *相对于关系*⊂ \subset ⊂ ,如果对于任何X ∈ F X \in \mathfrak{F} X ∈ F , Y ∈ F Y \in \mathfrak{F} Y ∈ F ,存在Z ∈ F Z \in \mathfrak{F} Z ∈ F 使得X ⊂ Z X \subset Z X ⊂ Z 和Y ⊂ Z Y \subset Z Y ⊂ Z 。如果S ( X ) S(X) S ( X ) 表示由U ∈ F U \in \mathfrak{F} U ∈ F 形成的F \mathfrak{F} F 的子集,使得U ⊃ X U \supset X U ⊃ X ,则F \mathfrak{F} F 上的过滤器的S ( X ) S(X) S ( X ) 形式基,称为截面*的*过滤器F \mathfrak{F} F ;将F \mathfrak{F} F 的映射f f f 的极限(如果存在)转换为拓扑空间,相对于F \mathfrak{F} F 的截面的滤波器,称为f相对于有向集合的*极限* F \mathfrak{F} F (*cf. Gen.Top.*、I、p. 70 和 Gen.Top. 、IV、p. 348)。
∥ ∫ J f ( t ) d t − ∫ J ′ f ( t ) d t ∥ = ∥ ∫ x z f ( t ) d t + ∫ t y f ( t ) d t ∥ ≤ ε ,
\left\| \int_J f(t)\,dt - \int_{J'} f(t)\,dt \right\| = \left\| \int_x^z f(t)\,dt + \int_t^y f(t)\,dt \right\| \leq \varepsilon,
∫ J f ( t ) d t − ∫ J ′ f ( t ) d t = ∫ x z f ( t ) d t + ∫ t y f ( t ) d t ≤ ε , 自从
x ≤ α ≤ β ≤ y and z ≤ α ≤ β ≤ t .
x \leq \alpha \leq \beta \leq y \quad \text{and} \quad z \leq \alpha \leq \beta \leq t.
x ≤ α ≤ β ≤ y and z ≤ α ≤ β ≤ t .
如果区间I是*有界*,并且如果f f f 在I上有*有界*,那么积分∫ I f ( t ) d t \int_I f(t)\,dt ∫ I f ( t ) d t 总是存在,对于值定理来说,对于y ≤ α ≤ β ≤ z y \leq \alpha \leq \beta \leq z y ≤ α ≤ β ≤ z ,
∥ ∫ y α f ( t ) d t ∥ ≤ ( α − a ) sup t ∈ I ∥ f ( v ) ∥ , ∥ ∫ β z f ( t ) d t ∥ ≤ ( b − β ) sup t ∈ I ∥ f ( x ) ∥
\left\| \int_y^\alpha f(t)\,dt \right\| \leq (\alpha - a) \sup_{t \in I} \|f(v)\| , \quad \left\| \int_\beta^z f(t)\,dt \right\| \leq (b - \beta) \sup_{t \in I} \|f(x)\|
∫ y α f ( t ) d t ≤ ( α − a ) t ∈ I sup ∥ f ( v ) ∥ , ∫ β z f ( t ) d t ≤ ( b − β ) t ∈ I sup ∥ f ( x ) ∥ 只要
α − a \alpha - a α − a 和
b − β b - \beta b − β 足够小就可以满足柯西准则。
人们可能注,在这种情况下,I上的f f f 原语不一定在I的左端点(或右端点)处具有右(或左)导数(当此数有限时),这与I是紧致的且f f f 的情况相反受 I(*cf.* II、p. 33、执行 1)监管。
2. 非紧区间上的正函数积分
令 f f f 为区间 I ⊂ R I \subset \mathbf{R} I ⊂ R 上的实数调节函数 ≥ 0 \geq 0 ≥ 0 ,端点为 a a a 和 b b b (a < b a < b a < b )。为了使积分∫ a b f ( t ) d t \int_a^b f(t)\,dt ∫ a b f ( t ) d t 存在,当J穿过I中包含的紧区间集合时,数∫ J f ( t ) d t \int_J f(t)\,dt ∫ J f ( t ) d t 的集合在上面有界是必要且充分的;那么积分∫ a b f ( t ) d t \int_a^b f(t)\,dt ∫ a b f ( t ) d t 就是∫ J f ( t ) d t \int_J f(t)\,dt ∫ J f ( t ) d t 的集合中最小的上界。
引用了 2 引用了 TG IV § 5. 实值函数 , II § 1. 。原语和积分
事实上,由于 f ≥ 0 f \geq 0 f ≥ 0 ,关系 J ⊂ J ′ J \subset J' J ⊂ J ′ 意味着
∫ J f d t ≤ ∫ J ′ f d t ;
\int_J f\,dt \leq \int_{J'} f\,dt;
∫ J f d t ≤ ∫ J ′ f d t ; 因此,映射
J ↦ ∫ J f d t J \mapsto \int_J f\,dt J ↦ ∫ J f d t 是递增,命题源自单调极限定理(*Gen.Top.*,IV,p. 349,第2个)。
当映射J ↦ ∫ J f ( t ) d t J \mapsto \int_J f(t)\,dt J ↦ ∫ J f ( t ) d t 无界时,相对于有向集合K ( I ) \mathscr{K}(I) K ( I ) 有极限+ ∞ +\infty + ∞ ;然后有人滥用语言说积分∫ a b f ( t ) d t \int_a^b f(t)\,dt ∫ a b f ( t ) d t 等于+ ∞ +\infty + ∞ 。在n 1 扩展(当处理函数≥ 0 \geq 0 ≥ 0 时)中建立的积分的性质,适用于某些相关积分是无限的情况,前提是它们所在的关系有意义。
命题 3(比较原理)。 让f f f 和g g g 是间隔I ⊂ R I \subset \mathbf{R} I ⊂ R 上的两个实调节函数,使得0 ≤ f ( x ) ≤ g ( x ) 0 \leq f(x) \leq g(x) 0 ≤ f ( x ) ≤ g ( x ) 在每个点,其中f f f 和g g g 是连续的( cf.* II、p. 61,第 6 条)。如果g g g 右I I I 的积分收敛,f f f 的积分也收敛,并且有∫ I f ( t ) d t ≤ ∫ I g ( t ) d t \int_I f(t)\,dt \leq \int_I g(t)\,dt ∫ I f ( t ) d t ≤ ∫ I g ( t ) d t 。此外,在I I I 的每点处,两个积分不能等于除非f ( x ) = g ( x ) f(x) = g(x) f ( x ) = g ( x ) ,其中f f f 和g g g 是连续的。*
现在对于每个紧凑区间 J ⊂ I J \subset I J ⊂ I 都有
∫ J f ( t ) d t ≤ ∫ J g ( t ) d t ;
\int_J f(t)\,dt \leq \int_J g(t)\,dt;
∫ J f ( t ) d t ≤ ∫ J g ( t ) d t ;
由于∫ J g ( t ) d t ≤ ∫ I g ( t ) d t \int_J g(t)\,dt \leq \int_I g(t)\,dt ∫ J g ( t ) d t ≤ ∫ I g ( t ) d t ,整的∫ J f d t \int_J f\,dt ∫ J f d t 有界于上,因此积分∫ I f ( t ) d t \int_I f(t)\,dt ∫ I f ( t ) d t 收敛;此外,在经过到极限,一个人有∫ I f ( t ) d t ≤ ∫ I g ( t ) d t \int_I f(t)\,dt \leq \int_I g(t)\,dt ∫ I f ( t ) d t ≤ ∫ I g ( t ) d t 。进一步假设f ( x ) < g ( x ) f(x) < g(x) f ( x ) < g ( x ) 在点x ∈ I x \in I x ∈ I 处f f f 和g g g 连续;存在 I I I 中包含的紧凑区间 [ c , d ] [c,\ d] [ c , d ] ,不会减少到(单个)点,并且使得 x ∈ [ c , d ] x \in [c,\ d] x ∈ [ c , d ] ;一个有∫ c d f ( t ) d t < ∫ c d g ( t ) d t \int_c^d f(t)\,dt < \int_c^d g(t)\,dt ∫ c d f ( t ) d t < ∫ c d g ( t ) d t (II,p. 61,cor.1),而另一方面,由于从上面的∫ a c f ( t ) d t ≤ ∫ a c g ( t ) d t \int_a^c f(t)\,dt \leq \int_a^c g(t)\,dt ∫ a c f ( t ) d t ≤ ∫ a c g ( t ) d t 和∫ d b f ( t ) d t ≤ ∫ d b g ( t ) d t \int_d^b f(t)\,dt \leq \int_d^b g(t)\,dt ∫ d b f ( t ) d t ≤ ∫ d b g ( t ) d t ,我们可以看到,在逐项添加时,∫ a b f ( t ) d t < ∫ a b g ( t ) d t \int_a^b f(t)\,dt < \int_a^b g(t)\,dt ∫ a b f ( t ) d t < ∫ a b g ( t ) d t 。
这个命题提供了最常用的方法来判断函数f ≥ 0 f \geq 0 f ≥ 0 的积分是否收敛:即,将f f f 与一个更简单的函数g ≥ 0 g \geq 0 g ≥ 0 进行比较,其积分已经知道是否收敛;我们将在第二章中看到。在最常见的情况下,V如何搜索比较器函数;我们将每天推导判据积分和级数的收敛性。
3. 绝对收敛积分
有人说,如果正数函数 ∥ f ( x ) ∥ \| \mathbf{f}(x) \| ∥ f ( x ) ∥ 的积分收敛,则规定的函数 f \mathbf{f} f 在区间 I ⊂ R I \subset \mathbf{R} I ⊂ R 上的积分绝对收敛。
∣ ∫ I f ( t ) d t ∣ ≤ ∫ I ∥ f ( t ) ∥ d t . (2)
\left| \int_I \mathbf{f}(t)\,dt \right| \leq \int_I \| \mathbf{f}(t) \| \,dt.\tag{2}
∫ I f ( t ) d t ≤ ∫ I ∥ f ( t ) ∥ d t . ( 2 )
事实上,对于每个紧凑区间 J ⊂ I J \subset I J ⊂ I 都有 (II, p. 61, 公式 (16))
∣ ∫ J f ( t ) d t ∣ ≤ ∫ J ∥ f ( t ) ∥ d t . (3)
\left| \int_J \mathbf{f}(t)\,dt \right| \leq \int_J \| \mathbf{f}(t) \| \,dt.\tag{3}
∫ J f ( t ) d t ≤ ∫ J ∥ f ( t ) ∥ d t . ( 3 )
如果正函数 ∥ f ( x ) ∥ \| \mathbf{f}(x) \| ∥ f ( x ) ∥ 的积分是收敛的,则对于每个 ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 ,都存在一个包含在 I I I 中的紧凑区间 [ α , β ] [\alpha,\ \beta] [ α , β ] ,这样,对于包含在 I I I 中且在公共的中没有内部点的每个紧凑区间 [ λ , γ ] [\lambda,\ \gamma] [ λ , γ ] , [ α , β ] [\alpha,\ \beta] [ α , β ] ,一个有∫ λ γ ∥ f ( t ) d t ∥ ≤ ε \int_{\lambda}^{\gamma} \| \mathbf{f}(t) \, dt \| \leq \varepsilon ∫ λ γ ∥ f ( t ) d t ∥ ≤ ε (II,p. 65,道具1);推论出∣ ∫ λ γ f ( t ) d t ∣ ≤ ε \left| \int_{\lambda}^{\gamma} \mathbf{f}(t)\,dt \right| \leq \varepsilon ∫ λ γ f ( t ) d t ≤ ε ,这表明I I I 上的积分收敛(II,p. 16,命题1); (3) 中的经过到极限推出不等式 (2)。
令E , F , G E, F, G E , F , G 是R \mathbf{R} R 上的三个完整范数空间,( x , y ) ↦ x . y (x, y) \mapsto x.y ( x , y ) ↦ x . y 是从E × F E \times F E × F 到G G G 的连续双线性映射。令f , g \mathbf{f}, \mathbf{g} f , g 为I I I 上的两个调节函数,值分别位于E E E 和F F F 。如果 f \mathbf{f} f 有界于 I I I 并且 g* 的积分在 I 上绝对收敛,则 [f, g] 的积分绝对收敛。
事实上,存在数 h > 0,使得 ∥ [ x . y ] ∥ ≤ h ∥ x ∥ . ∥ y ∥ \| [x.y] \| \leq h \| x \| . \| y \| ∥ [ x . y ] ∥ ≤ h ∥ x ∥.∥ y ∥ 相同(Gen. Top., IX, p. 173, th. 1);如果一个人放入k = sup x ∈ I ∥ f ( x ) ∥ k = \sup_{x \in I} \| f(x) \| k = sup x ∈ I ∥ f ( x ) ∥ ,那么一个人在I上有∥ [ f ( x ) . g ( x ) ] ∥ ≤ h k ∥ g ( x ) ∥ \| [f(x).g(x)] \| \leq h k \| g(x) \| ∥ [ f ( x ) . g ( x )] ∥ ≤ hk ∥ g ( x ) ∥ ;比较原理现在表明 [f.g] 的积分绝对收敛,并且根据 (2),
∥ ∫ I [ f ( t ) . g ( t ) ] d t ∥ ≤ h k ∫ I ∥ g ( t ) ∥ d t .
\left\| \int_I [f(t).g(t)] \, dt \right\| \leq h k \int_I \| g(t) \| \, dt.
∫ I [ f ( t ) . g ( t )] d t ≤ hk ∫ I ∥ g ( t ) ∥ d t .
习题
参见习题为 § 2 。