|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Интеграл | Интеграл (далее И) (от лат. integer - целый), одно из важнейших понятий математики, возникшее в связи с потребностью, с одной стороны, отыскивать функции по их производным (например, находить функцию, выражающую путь, пройденный движущейся точкой, по скорости этой точки), а с другой - измерять площади, объемы, длины дуг, работу сил за определенный промежуток времени и т. п. Соответственно с этим различают неопределенные и определенные И, вычисление которых является задачей интегрального исчисления.
Неопределенный интеграл. Первообразная функции f (x) одного действительного переменного - функция (x), производная которой при каждом значении х равна f (x). Прибавляя постоянную к первообразной какой-либо функции, вновь получают первообразную той же функции. Следовательно, имея одну первообразную (x) функции f (x), получают общее выражение всех первообразных этой функции в виде (x) + С. Это общее выражение первообразных называют неопределенным интегралом:
функции f (x). Одна из основных теорем интегрального исчисления устанавливает, что каждая непрерывная функция f (x) действительного переменного имеет неопределенный И
Определенный интеграл. Определенный И функции f (x) с нижним пределом а и верхним пределом b можно определить как разность
где (x) есть первообразная функции f (x); определение не зависит от того, какая из первообразных выбрана для вычисления определенного И Если функция f (x) непрерывна, то приведенное определение в случае a < b равносильно следующему определению, данному О. Коши (1823): рассматривают произвольное разбиение отрезка (a, b) точками
в каждом отрезке (xi-1, xi) (i = 1, 2,..., n) берут произвольную точку xi (xi-1 £ xi £ xi) и образуют сумму
Сумма n зависит от выбора точек xi и xi. Однако в случае непрерывной функции f (x) суммы n, получающиеся при различном выборе точек xi и xi, стремятся к вполне определенному пределу, если максимальная из разностей xi - xi-1 стремится к нулю при n R ¥. Этот предел и является определенным интегралом
По определению,
Определенный И, как указано выше, выражается через любую первообразную (x). Обратно, первообразная (x) может быть записана в виде
где а - произвольная постоянная. В соответствии с этим неопределенный И записывается в виде
О возникновении понятия И, а также о свойствах неопределенных и определенных И см. Иьное исчисление.
Обобщение понятия интеграла
И Римана. О. Коши применял свое определение И только к непрерывным функциям. Назвать, по определению, интегралом
предел сумм n при max(xi - xi-1) R 0 во всех тех случаях, когда этот предел однозначно определен, предложил Б. Риман (1853). Он же исследовал условия применимости такого определения. Более совершенную форму этим условиям придал А. Лебег (1902), пользуясь введенным им понятием меры множества (см. Меры теория). Для интегрируемости в смысле Римана функции f (x) на (a, b) является необходимой и достаточной совокупность двух условий: f (x) ограничена на (а, b), множество помещающихся на (a, b) точек разрыва функции f (x) имеет меру, равную нулю. Таким образом, непрерывность в каждой точке отрезка (а, b) совсем не обязательна для интегрируемости по Риману.
Неопределенный И и первообразную можно теперь определять формулами (5) и (4). Следует только заметить, что при этом первообразная (x) не обязана иметь подинтегральную функцию f (x) своей производной в каждой точке. Но в каждой точке непрерывности f (x), т. е., в силу результата Лебега, всюду, кроме, может быть, множества меры, равной нулю, будет
Г. Дарбу (1879) дал определение интеграла Римана, которое делает особенно наглядными условиями существования такого И Вместо сумм (3) Дарбу вводит суммы (называемые суммами Дарбу)
где Mk - верхняя грань функции f (x) на отрезке (xk-1,xk), а mk - нижняя грань f (x) на том же отрезке. Если  нижняя грань сумм  , а  - верхняя грань сумм  , то для существования интеграла Римана необходимо и достаточно условие  Общее значение  величин  и  и является интегралом Римана (6). Сами величины  и  называются верхним и, соответственно, нижним интегралами Дарбу.
И Лебега. Введенное Лебегом понятие меры множества позволило дать значительно более широкое определение И Чтобы определить И (6), Лебег делит точками
... < y-2 < y-1 < y0 < y-1 < ... < yi <...
область возможных значений переменного у = f (x) и обозначает Mi множество тех точек х из отрезка (a, b), для которых
yi-1 £ f (x) < yi.
Сумма определяется равенством<
= i hi m(Mi),
где hi берется из отрезка yi-1 £ hi < yi, а m(Mi) обозначает меру множества Mi. Функция f (x) называется интегрируемой в смысле Лебега на отрезке (a, b), если ряды, определяющие суммы , абсолютно сходятся при max(yi - yi-1) R 0. Предел этих сумм и называется интегралом Лебега (6). Можно определить первообразную в смысле Лебега как функцию (x), удовлетворяющую равенству (4), где И в правой части понимается по Лебегу. Как и в случае интеграла Римана, равенство (7) будет при этом выполняться во всех точках, кроме, может быть, множества, имеющего меру, равную нулю.
Для интегрируемости по Лебегу ограниченной функции f (x) необходимо и достаточно, чтобы она принадлежала к числу измеримых функций в смысле Лебега. Все функции, встречающиеся в математическом анализе, измеримы в этом смысле. Более того, до настоящего времени (1972) не построено ни одного индивидуального примера неизмеримой функции. Таким образом, для случая ограниченных функций Лебег решил задачу определения интеграла (6) с общностью, исчерпывающей потребности математического анализа. Среди функций, интегрируемых по Лебегу, имеется сколько угодно функций, всюду разрывных и, следовательно, неинтегрируемых по Риману. Наоборот, каждая интегрируемая по Риману функция интегрируема и по Лебегу.
Определение Лебега обобщается на случай интегрирования по полупрямой и по полной прямой, т. е. на случай И вида
После этого обобщения теория Лебега охватывает все случаи абсолютно сходящихся несобственных интегралов.
Общность, достигнутая в определении Лебега, весьма существенна во многих вопросах математического анализа; например, только с введением интеграла Лебега могла быть установлена теорема Фишера - Риса в теории тригонометрических рядов, в силу которой любой ряд
для которого
представляет функцию f (x), порождающую коэффициенты an и bn по формулам
где И понимаются в смысле Лебега.
И Стилтьеса. В конце 19 в. определение интеграла Римана подверглось совершенно иному обобщению, чем то, к которому привело введение понятия меры множества. Это обобщение было дано Т. Стилтьесом (1894). Пусть f (x) - непрерывная функция действительного переменного х, определенная на отрезке (a, b), и (x) - определенная на том же отрезке ограниченная монотонная (неубывающая или невозрастающая) функция. Для определения интеграла Стилтьеса берут произвольное разбиение (2) отрезка (a, b) и составляют сумму
f (x1) ((x1) - (x0)) + f (x2) ((x2) - (x1)) +...+ f (xn) ((xn) - (xn-1)), (8)
где x1, x2, ..., xn - произвольные точки, выбранные соответственно на отрезках (x0, x1), (x1, x2), ..., (xn-1, xn). Пусть d - наибольшее расстояние между двумя последовательными точками деления в разбиении (2). Если взять любую последовательность разбиений, для которой d стремится к нулю, то сумма (8) будет иметь определенный, всегда один и тот же предел, как бы ни выбирались точки x1, x2, ..., xn на соответствующих отрезках. Этот предел называют, следуя Стилтьесу, интегралом функции f (x) относительно функции (x) и обозначают символом
И (9) (его называют также интегралом Стилтьеса) существует и в том случае, когда ограниченная функция (x), не будучи сама монотонной, может быть представлена в виде суммы или разности двух ограниченных монотонных функций 1(x) и 2(x):
(x) = 1(x) - 2(x),
т. е. является функцией с ограниченным изменением (см. Изменение функции).
Если интегрирующая функция (х) имеет ограниченную и интегрируемую по Риману производную "(x), то интеграл Стилтьеса сводится к интегралу Римана по формуле
В частности, когда (x) = х + С, интеграл Стилтьеса (9) превращается в обыкновенный интеграл Римана (6).
Дальнейшие обобщения. Концепции И, созданные Стилтьесом и Лебегом, удалось впоследствии объединить и обобщить на интегрирование по любому (измеримому) множеству в пространстве любого числа измерений. Классические кратные интегралы вполне охватываются этим подходом. Потребности таких дисциплин, как теория вероятностей и общая теория динамическим систем, привели к еще более широкому понятию абстрактного интеграла Лебега, основанному на общих понятиях меры множества и измеримости функций. Пусть Х - пространство, в котором выделена определенная система В его подмножеств, называемых "измеримыми", причем эта система обладает свойствами замкнутости по отношению к обычным теоретико-множественным операциям, выполняемым в конечном или счетном числе. Пусть m - конечная мера, заданная на В. Для В-измеримой функции у = f (x), хÎХ, принимающей конечное или счетное число значений y1, y2, ..., yn, ..., соответственно на попарно непересекающихся множествах A1, ..., Аn, ..., сумма которых есть X, интеграл функции f (x) по мере m, обозначаемый
 ,
определяется как сумма ряда
в предположении, что этот ряд абсолютно сходится. Для других f интегрируемость и И определяются путем некоторого естественного предельного перехода от указанных кусочно постоянных функций.
Пусть А - измеримое множество и jА(х) = 1 для х, принадлежащих А, и jА(х) = 0 для х, не принадлежащих А. Тогда интеграл от f (x) по множеству А определяют, полагая
При фиксированных m и А И в зависимости от f может рассматриваться как линейный функционал; при фиксированном f И, как функция множества А, есть счетно аддитивная функция.
Следует отметить, что, несмотря на кажущуюся отвлеченность, это общее понятие И в наибольшей степени подходит для определения такого понятия, как математическое ожидание (в теории вероятностей), и даже для общей формулировки задачи проверки статистических гипотез. И по отношению к так называемой мере Винера и различным ее аналогам используют в статистической физике (здесь в качестве Х фигурирует пространство непрерывных на каком-либо отрезке функций). Упоминавшиеся до сих пор обобщения понятия И были такими, что f и |f | оказывались интегрируемыми или неинтегрируемыми одновременно.
Обобщения первоначального понятия И в другом направлении относятся к функциям одного переменного, но зато дают много больше в исследовании интегрирования неограниченных функций. Еще Коши в случае функции f (x), неограниченной в точке х = с, определил интеграл
 ,
когда a < c < b, как предел выражения
 ,
при e1 R 0 и e2 R 0. Аналогично И с бесконечными пределами
определяется как предел И
 ,
при а R - ¥ и b R + ¥. Если при этом не требуется интегрируемости |f (x)|, т. е. f (x) интегрируема "не абсолютно", то это определение Коши не поглощается лебеговским.
Еще более широкое обобщение понятия И в этом направлении было предложено А. Данжуа (1912) и А. Я. Хинчиным (1915).
Лит.: Лебег А., Интегрирование и отыскание примитивных функций, пер. с франц., М.-Л., 1934; Сакс С., Теория интеграла, пер. с англ., М., 1949; Камке Э., И Лебега - Стилтьеса, пер. с нем., М., 1959; Уитни Х., Геометрическая теория интегрирования, пер. с англ., М., 1960; Рудин У., Основы математического анализа, пер. с англ., М., 1966; Данфорд Н., Шварц Дж. Т., Линейные операторы. Общая теория, пер. с англ., М., 1962; Неве Ж., Математические основы теории вероятностей, пер. с франц., М., 1969; Federer Н., Geometric measure theory, В. - Hdlb. - . ., 1969.
Под редакцией академика А. Н. Колмогорова. |
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 06.11.2024 02:53:11
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
