Bourbaki

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}}中的紧区间[a, b][a,\ b](aa和bb可能是无限的);设ff是在[a, b[[a,\ b[上定义的函数,将其值取为R\mathbf{R}的完整规范空间E。概括 def。 1 of II, p. 51,我们可以说函数 gg,定义在[a, b][a,\ b]上,E中的值,是ff的*原语*,如果它在[a, b][a,\ b]上连续(特别是在端点aa和bb),并允许在该区间的可数子集的补集的[a, b[[a,\ b[的所有点处导数等于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]的点的有限严格递增的序列(ci)0≤i≤n(c_i)_{0 \leq i \leq n},使得c0=a, cn=bc_0 = a,\ c_n = b,并且ff在每个开区间[ci, ci+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 cic_i II 内部进行调节;这样的函数将被称为[a, b[[a,\ b[上的“分段调节”。我们注认为[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=1n = 1)。

如果ff承认一个原语gg(在上面精确的意义上),并且如果cc是区间[ci, ci+1[ (0≤i≤n−1)[c_i,\ c_{i+1}[\ (0 \leq i \leq n - 1)的点,则通过假设,对于这个区间中的每个xx,有g(x)−g(c)=∫cxf(t) dtg(x) - g(c) = \int_c^x f(t)\,dt;由于gg在II上连续假设,因此可以看出,当xx从右侧趋向于cic_i以及当xx从左侧趋向于ci+1c_{i+1}时,EE中∫cxf(t) dt\int_c^x f(t)\,dt趋向于极限。相反,假设所有tt都满足这些条件,并令gig_i为ff在区间[ci, ci+1[ (0≤i≤n−1)[c_i,\ c_{i+1}[\ (0 \leq i \leq n - 1)上的原语;我们注立即知道函数gg,定义在cic_i的集合相对于II的补集上,通过条件它等于0≤i≤n−10 \leq i \leq n - 1在[ci, ci+1[[c_i,\ c_{i+1}[上的gi(x)+∑k=1i(gk−1(ck−)−gk(ck+))g_i(x) + \sum_{k=1}^i (g_{k-1}(c_k-) - g_k(c_k+)),在每个连续II中的点与cic_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ff在II上的原语。此外,很明显,ff的所有其他原语都是形式g+ag + a(EE的aa元素)。

定义 1 088F

有人说向量函数*ff,*分段调节在一个区间*[a, b[[a,\ b[*of*R‾\overline{\mathbf{R}},*在这个区间上承认一个积分如果*ff*在*[a, b[[a,\ b[*上承认一个原语;如果* gg 是 ff 在 [a, b[[a,\ b[* 上的任意一个原语,并且* x0x_0 和 xx 是 [a, b[[a,\ b[* 的任意两个点,*一个调用元素* g(x)−g(x0)g(x) - g(x_0) 的积分 ff 从 x0x_0 到 xx,*1 用* ∫x0xf(t) dt\int_{x_0}^x f(t)\,dt 表示。

这个概念显然与当区间[x0, x][x_0,\ x]包含没有点cic_i时定义的概念一致。

注位于 def 之前。图 1 表明,对于 ff 在 [a, b[[a,\ b[ 上有积分,其限制对于每个区间 [ci, ci+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ff 在*非紧凑*区间 I⊂RI \subset \mathbf{R} 上进行调节,端点为 a, ba,\ b (a<ba < b),并且其中: 1 数 a, ba,\ b 中的任一者(至少)是无限的; 2 或 ff 不受紧凑区间包含至少点 a, ba,\ b 之一的调节(这两个假设并不相互排斥)。为了使ff在II上有积分,当点(x, y)(x,\ y)接近(a, b)∈R‾2(a,\ b) \in \overline{\mathbf{R}}^2同时保持在I×II \times I内时,整的∫axf(t) dt\int_a^x f(t)\,dt接近极限是必要且充分的:而这个极限正是∫abf(t) dt\int_a^b f(t)\,dt根据定义。 1. 通过滥用语言,人们说积分 ∫abf(t) dt\int_a^b f(t)\,dt 收敛(或 收敛),而不是说 ff 具有超过 II 的积分,而不是说。

例 088G

i) 整的 ∫1+∞dt/t2\int_1^{+\infty} dt/t^2 收敛并等于 1,对于

∫1xdtt2=1−1x. \int_1^x \frac{dt}{t^2} = 1 - \frac{1}{x}.

2) 整的∫01dt/t\int_0^1 dt / \sqrt{t}收敛并且等于2,对于

∫1xdtt=2(1−x)forx>0. \int_1^x \frac{dt}{\sqrt{t}} = 2(1 - \sqrt{x}) \quad \text{for} \quad x > 0.

3) 令(un)n≥1(\mathbf{u}_n)_{n \geq 1}为E的点的无限序列,并令f\mathbf{f}为由条件在区间[1,+∞[[1, +\infty[上定义的步长函数:n≤x<n+1n \leq x < n+1的f(x)=un\mathbf{f}(x) = \mathbf{u}_n。那么,要使积分 ∫1+∞f(t) dt\int_1^{+\infty} \mathbf{f}(t)\,dt 收敛,级数与一般项 un\mathbf{u}_n 在 E 中“收敛”是必要且充分的;确实,一个人有

∫1nf(t) dt=∑p=1n−1up, \int_1^n \mathbf{f}(t)\,dt = \sum_{p=1}^{n-1} \mathbf{u}_p,
所以条件是必要的;反之,若级数与一般项un\mathbf{u}_n收敛于E,则lim⁡n→∞un=0\lim_{n \to \infty} \mathbf{u}_n = 0;现在,如果n≤x≤n+1n \leq x \leq n+1,则有∫1nf(t) dt=∑p=1n−1up+un(x−n)\int_1^n \mathbf{f}(t)\,dt = \sum_{p=1}^{n-1} \mathbf{u}_p + \mathbf{u}_n(x-n)。所以当xx趋于+∞+\infty时,这个积分有极限∑n=1∞un\sum_{n=1}^{\infty} \mathbf{u}_n。

直接的,如果分段调节函数f\mathbf{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}和g\mathbf{g}是]a, b[]a,\ b[上受管制的函数、f′\mathbf{f}'和g′\mathbf{g}'的原语,1表示通过[f.g]∣xy[\mathbf{f}.\mathbf{g}]|_x^y的[f.g]∣ab[\mathbf{f}.\mathbf{g}]|_a^b极限(如果存在),因为(x, y)(x,\ y)趋于(a, b)(a,\ b)(与a<x≤y<ba < x \leq y < b);那么,如果(三个)表达式[f.g]∣ab[\mathbf{f}.\mathbf{g}]|_a^b、∫ab[f(t).g′(t)] dt\int_a^b [\mathbf{f}(t).\mathbf{g}'(t)]\,dt和∫ab[f′(t).g(t)] dt\int_a^b [\mathbf{f}'(t).\mathbf{g}(t)]\,dt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ff为实数函数,它在I=]a, b[I = ]a,\ b[上定义且连续,并且是]a, b[]a,\ b[上受管制的函数f′f'的原语;另一方面,令 gg 为开区间 J 包含于 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) 允许在 I 上积分,并且如果 ff 在点 aa 和 bb 处趋于极限(有限或非有限),则 gg 允许从 f(a+)f(a+) 到f(b−)f(b-),一个有公式

∫abg(f(t))f′(t) dt=∫f(a+)f(b−)g(u) du. \int_a^b g(f(t))f'(t)\,dt = \int_{f(a+)}^{f(b-)} g(u)\,du.
事实上,如果(x, y)(x,\ y)趋向于(a, b)(a,\ b),那么(f(x), f(y))(f(x),\ f(y))趋向于(f(a+), f(b−))(f(a+),\ f(b-))假设;只需在xx和yy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⊂RI \subset \mathbf{R} 上的调节函数 f\mathbf{f},端点为 aa 和 bb (a<ba < b),f\mathbf{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⊂IJ \subset I 形式 a 有向集合 K(I)\mathscr{K}(I) 相对于关系 ⊂1\subset ^1,如果 [α,β][ \alpha , \beta ] 和 [γ,δ][ \gamma , \delta ] 是 II 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), μ=max⁡(β,δ)\mu = \max(\beta, \delta),则区间[λ,μ][ \lambda , \mu ]包含在所考虑的两个区间II和包含中。对于 II 中包含的每个紧凑区间 J=[α,β]J = [ \alpha , \beta ],让我们将

∫Jf(t) dt=∫αβf(t) dt; \int_J f(t) \, dt = \int_\alpha^\beta f(t) \, dt;

为了使ff承认超过II的积分,映射J↦∫Jf(t) dtJ \mapsto \int_J f(t) \, dt相对于有向集合K(I)\mathfrak{K}(I)有极限是必要且充分的;这个极限就是积分∫abf(t) dt\int_a^b f(t) \, dt,我们再次用∫If(t) dt\int_I f(t) \, dt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 ff 为区间 I⊂RI \subset \mathbf{R} 上的调节函数,具有端点 aa 和 bb (a<ba < b)。为了使积分∫abf(t) dt\int_a^b f(t) \, dt存在,对于每个ε>0\varepsilon > 0存在一个包含在II中的紧致区间J0=[α,β]J_0 = [\alpha, \beta]是必要且充分的,这样对于包含在II中并且在公共的中没有内部点和J0J_0的任何紧致区间K=[x,y]K = [x, y],有一个∥∫Kf(t) dt∥≤ε\| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon.

事实上,由于EE是完备的,柯西准则表明,对于积分∫If(t) dt\int_I f(t) \, dt收敛,对于任何ε>0\varepsilon > 0,存在一个紧致区间J0=[α,β]J_0 = [\alpha, \beta],并且对于每个紧致区间JJ,使得J0⊂J⊂IJ_0 \subset J \subset I有∥∫Jf(t) dt−∫J0f(t) dt∥≤ε\| \int_J f(t) \, dt - \int_{J_0} f(t) \, dt \| \leq \varepsilon是必要且充分的。 命题源自以下引理:

引理 088I

设J0=[α,β]J_0 = [\alpha, \beta]为II包含的紧区间。在阶中,∥∫Jf(t) dt−∫J′f(t) dt∥≤ε\| \int_J f(t) \, dt - \int_{J'} f(t) \, dt \| \leq \varepsilon对于II和包含J′J'中包含的每个对紧致区间J,J′J, J'来说,对于每个紧致区间,∥∫Kf(t) dt∥≤ε\| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon是必要的,并且∥∫Kf(t) dt∥≤ε/2\| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon / 2就足够了KK 包含在 II 中,且公共的中没有内部点,且J0J_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 J0⊂J⊂IJ_0 \subset J \subset I 和 J0⊂J′⊂IJ_0 \subset J' \subset I,有

∥∫Jf(t) dt−∫J′f(t) dt∥≤ε \left\| \int_J f(t) \, dt - \int_{J'} f(t) \, dt \right\| \leq \varepsilon

特别是,对于x≤y≤αx \leq y \leq \alpha或β≤x≤y\beta \leq x \leq y(II中的xx和yy),一个人有∥∫xyf(t) dt∥≤ε\| \int_x^y f(t) \, dt \| \leq \varepsilon。相反,如果 ∥∫Kf(t) dt∥≤ε/2\| \int_K f(t) \, dt \| \leq \varepsilon / 2 对于每个紧凑区间 K⊂IK \subset I 使得 K∩J0=∅K \cap J_0 = \emptyset,并且如果 J=[x,y]J = [x, y]、J′=[z,t]J' = [z, t] 是包含在 II 和包含 J0J_0 中的两个紧凑区间,则有

1 回想一下(*集合理论*,III,p. 144),II的子集的集合F\mathfrak{F}*相对于关系*⊂\subset,如果对于任何X∈FX \in \mathfrak{F}, Y∈FY \in \mathfrak{F},存在Z∈FZ \in \mathfrak{F}使得X⊂ZX \subset Z和Y⊂ZY \subset Z。如果S(X)S(X)表示由U∈FU \in \mathfrak{F}形成的F\mathfrak{F}的子集,使得U⊃XU \supset X,则F\mathfrak{F}上的过滤器的S(X)S(X)形式基,称为截面*的*过滤器F\mathfrak{F};将F\mathfrak{F}的映射ff的极限(如果存在)转换为拓扑空间,相对于F\mathfrak{F}的截面的滤波器,称为f相对于有向集合的*极限* F\mathfrak{F}(*cf. Gen.Top.*、I、p. 70 和 Gen.Top.、IV、p. 348)。

∥∫Jf(t) dt−∫J′f(t) dt∥=∥∫xzf(t) dt+∫tyf(t) dt∥≤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,
自从
x≤α≤β≤yandz≤α≤β≤t. x \leq \alpha \leq \beta \leq y \quad \text{and} \quad z \leq \alpha \leq \beta \leq t.

例 088J

如果区间I是*有界*,并且如果ff在I上有*有界*,那么积分∫If(t) dt\int_I f(t)\,dt总是存在,对于值定理来说,对于y≤α≤β≤zy \leq \alpha \leq \beta \leq z,

∥∫yαf(t) dt∥≤(α−a)sup⁡t∈I∥f(v)∥,∥∫βzf(t) dt∥≤(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)\|
只要α−a\alpha - a和b−βb - \beta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ff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ff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

命题 2 088K

令 ff 为区间 I⊂RI \subset \mathbf{R} 上的实数调节函数 ≥0\geq 0,端点为 aa 和 bb (a<ba < b)。为了使积分∫abf(t) dt\int_a^b f(t)\,dt存在,当J穿过I中包含的紧区间集合时,数∫Jf(t) dt\int_J f(t)\,dt的集合在上面有界是必要且充分的;那么积分∫abf(t) dt\int_a^b f(t)\,dt就是∫Jf(t) dt\int_J f(t)\,dt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≥0f \geq 0,关系 J⊂J′J \subset J' 意味着

∫Jf dt≤∫J′f dt; \int_J f\,dt \leq \int_{J'} f\,dt;
因此,映射J↦∫Jf dtJ \mapsto \int_J f\,dt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↦∫Jf(t) dtJ \mapsto \int_J f(t)\,dt无界时,相对于有向集合K(I)\mathscr{K}(I)有极限+∞+\infty;然后有人滥用语言说积分∫abf(t) dt\int_a^b f(t)\,dt等于+∞+\infty。在n 1 扩展(当处理函数≥0\geq 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ff和gg是间隔I⊂RI \subset \mathbf{R}上的两个实调节函数,使得0≤f(x)≤g(x)0 \leq f(x) \leq g(x)在每个点,其中ff和gg是连续的(cf.* II、p. 61,第 6 条)。如果gg右II的积分收敛,ff的积分也收敛,并且有∫If(t) dt≤∫Ig(t) dt\int_I f(t)\,dt \leq \int_I g(t)\,dt。此外,在II的每点处,两个积分不能等于除非f(x)=g(x)f(x) = g(x),其中ff和gg是连续的。*

现在对于每个紧凑区间 J⊂IJ \subset I 都有

∫Jf(t) dt≤∫Jg(t) dt; \int_J f(t)\,dt \leq \int_J g(t)\,dt;

由于∫Jg(t) dt≤∫Ig(t) dt\int_J g(t)\,dt \leq \int_I g(t)\,dt,整的∫Jf dt\int_J f\,dt有界于上,因此积分∫If(t) dt\int_I f(t)\,dt收敛;此外,在经过到极限,一个人有∫If(t) dt≤∫Ig(t) dt\int_I f(t)\,dt \leq \int_I g(t)\,dt。进一步假设f(x)<g(x)f(x) < g(x)在点x∈Ix \in I处ff和gg连续;存在 II 中包含的紧凑区间 [c, d][c,\ d],不会减少到(单个)点,并且使得 x∈[c, d]x \in [c,\ d];一个有∫cdf(t) dt<∫cdg(t) dt\int_c^d f(t)\,dt < \int_c^d g(t)\,dt(II,p. 61,cor.1),而另一方面,由于从上面的∫acf(t) dt≤∫acg(t) dt\int_a^c f(t)\,dt \leq \int_a^c g(t)\,dt和∫dbf(t) dt≤∫dbg(t) dt\int_d^b f(t)\,dt \leq \int_d^b g(t)\,dt,我们可以看到,在逐项添加时,∫abf(t) dt<∫abg(t) dt\int_a^b f(t)\,dt < \int_a^b g(t)\,dt。

这个命题提供了最常用的方法来判断函数f≥0f \geq 0的积分是否收敛:即,将ff与一个更简单的函数g≥0g \geq 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

定义 2 088L

有人说,如果正数函数 ∥f(x)∥\| \mathbf{f}(x) \| 的积分收敛,则规定的函数 f\mathbf{f} 在区间 I⊂RI \subset \mathbf{R} 上的积分绝对收敛。

命题 4 088M

如果f\mathbf{f}在II上的积分绝对收敛,则它是收敛的,并且有

引用了 2

引用了 II § 1. 。原语和积分, § 2. 。非紧区间上的积分

∣∫If(t) dt∣≤∫I∥f(t)∥ dt.(2) \left| \int_I \mathbf{f}(t)\,dt \right| \leq \int_I \| \mathbf{f}(t) \| \,dt.\tag{2}

事实上,对于每个紧凑区间 J⊂IJ \subset I 都有 (II, p. 61, 公式 (16))

∣∫Jf(t) dt∣≤∫J∥f(t)∥ dt.(3) \left| \int_J \mathbf{f}(t)\,dt \right| \leq \int_J \| \mathbf{f}(t) \| \,dt.\tag{3}

如果正函数 ∥f(x)∥\| \mathbf{f}(x) \| 的积分是收敛的,则对于每个 ε>0\varepsilon > 0,都存在一个包含在 II 中的紧凑区间 [α, β][\alpha,\ \beta],这样,对于包含在 II 中且在公共的中没有内部点的每个紧凑区间 [λ, γ][\lambda,\ \gamma], [α, β][\alpha,\ \beta],一个有∫λγ∥f(t) dt∥≤ε\int_{\lambda}^{\gamma} \| \mathbf{f}(t) \, dt \| \leq \varepsilon(II,p. 65,道具1);推论出∣∫λγf(t) dt∣≤ε\left| \int_{\lambda}^{\gamma} \mathbf{f}(t)\,dt \right| \leq \varepsilon,这表明II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)。

推论 088N

令E,F,GE, F, G是R\mathbf{R}上的三个完整范数空间,(x,y)↦x.y(x, y) \mapsto x.y是从E×FE \times F到GG的连续双线性映射。令f,g\mathbf{f}, \mathbf{g}为II上的两个调节函数,值分别位于EE和FF。如果 f\mathbf{f} 有界于 II 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 \| 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) \|,那么一个人在I上有∥[f(x).g(x)]∥≤hk∥g(x)∥\| [f(x).g(x)] \| \leq h k \| 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)] dt∥≤hk∫I∥g(t)∥ dt. \left\| \int_I [f(t).g(t)] \, dt \right\| \leq h k \int_I \| g(t) \| \, dt.

注 088O

积分可以收敛,但不绝对收敛;这就是II、p. 64的例 3 所示,其中级数与一般项unu_n收敛,但不是绝对收敛。

习题

参见习题为 § 2。

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。