Definiția integralei dată de Gaston Darboux este complet echivalentă cu cea dată de Bernhard Riemann , totuși integralele definite cu metoda Darboux au avantajul de a fi mai simplu de definit decât cele ale Riemann, în virtutea abordării mai constructive a definiției lor.
Luați în considerare o funcție continuă{\ displaystyle f \ colon [a, b] \ subset \ mathbb {R} \ to \ mathbb {R}} , care pe acest interval este limitat în virtutea teoremei lui Weierstrass . Împărțiți gama printr-o partiție{\ displaystyle {\ mathcal {P}} = \ {x_ {0}, \ x_ {1}, \ \ dots, \ x_ {n-1}, \ x_ {n} | x_ {0} = a <x_ {1} <\ dots <x_ {n-1} <x_ {n} = b \}} în {\ displaystyle n} intervale {\ displaystyle [x_ {k-1}, x_ {k}] \ subset [a, b]} .
Somme di Darboux: inferior (verde) și superior (verde + galben). Rețineți că funcția reprezentată în grafic a fost aleasă pozitivă doar pentru comoditate.
Pentru fiecare interval al partiției, sunt definite cele două cantități:
{\ displaystyle \ lambda _ {k}: = \ inf _ {x \ in [x_ {k-1}, x_ {k}]} f (x); \ qquad \ Lambda _ {k}: = \ sup _ {x \ în [x_ {k-1}, x_ {k}]} f (x).}
Aceste două valori sunt limita inferioară și limita superioară a ordonatelor punctelor de pe graficul funcției {\ displaystyle f (x)} limitat la interval {\ displaystyle [x_ {k-1}, x_ {k}]} . Astfel de valori există datorită faptului că funcția este limitată pe întreaga gamă.
Este definit ca suma mai mică a lui Darboux , a {\ displaystyle f} legat de partiție {\ displaystyle {\ mathcal {P}}} , numărul real:
Din lema anterioară putem deduce că mulțimile{\ displaystyle \ delta} Și {\ displaystyle \ Delta} sunt separate, adică:
{\ displaystyle s \ leq S, \ qquad \ forall s \ in \ delta, \, \ forall S \ in \ Delta.}
Axioma lui Dedekind asupra completitudinii {\ displaystyle \ mathbb {R}} apoi afirmă că există cel puțin un număr real{\ displaystyle \ xi \ in \ mathbb {R}} astfel încât:
{\ displaystyle s \ leq \ xi \ leq S, \ qquad \ forall s \ in \ delta, \, \ forall S \ in \ Delta.}
Dacă există un singur element de separare {\ displaystyle \ xi} între {\ displaystyle s} Și {\ displaystyle S,} apoi scrie asta {\ displaystyle f (x)} este integrabil în al doilea Darboux sau Darboux-integrabil{\ displaystyle [a, b]} și elementul {\ displaystyle \ xi} este indicat cu:
Este {\ displaystyle N \ subset \ mathbb {R} ^ {n}} un domeniu normal , {\ displaystyle f \ colon N \ to \ mathbb {R} ^ {n}} limitat e {\ displaystyle \ mu} o măsură . Este {\ displaystyle {\ mathcal {P}} = \ {N_ {1}, \ \ dots, \ N_ {k} \}} o partiție de {\ displaystyle N} în domenii normale.
Este definit ca suma mai mică a lui Darboux , a {\ displaystyle f} legat de partiție {\ displaystyle {\ mathcal {P}}} , numărul real:
{\ displaystyle s ({\ mathcal {P}}, f): = \ sum _ {i = 1} ^ {k} \ mu (N_ {i}) \, \ inf {\ underset {x \ in N_ { i}} {f (x)}}.}
În mod similar, suma superioară a lui Darboux este definită ca {\ displaystyle f} legat de partiție {\ displaystyle {\ mathcal {P}}} , numărul real:
{\ displaystyle S ({\ mathcal {P}}, f): = \ sum _ {i = 1} ^ {k} \ mu (N_ {i}) \, \ sup {\ underset {x \ in N_ { i}} {f (x)}}.}
În virtutea unei leme privind mâinile normale și partițiile lor, se poate concluziona că:
Prin urmare {\ displaystyle f} Darboux se spune că este integrabil în {\ displaystyle N} de sine {\ displaystyle \ sup {\ underset {\ mathcal {P}} {(s ({\ mathcal {P}}, f))}} = \ inf {\ underset {\ mathcal {P}} {(S ({ \ mathcal {P}}, f))}} = \ xi} și în acest caz se presupune că:
{\ displaystyle \ int _ {N} f (x) \, dx_ {1} \ dots dx_ {n}: = \ xi.}
Integrabilitatea Darboux și integrabilitatea Riemann
În general, o funcție este Darboux-integrabilă dacă și numai dacă este Riemann-integrabilă , iar valorile celor două integrale, dacă există, sunt egale între ele.
Liniaritatea
Lasa-i sa fie {\ displaystyle f} Și {\ displaystyle g} două funcțiicontinue definite într-un interval{\ displaystyle [a, b]} și sunt {\ displaystyle \ alpha, \ beta \ in \ mathbb {R}} . Atunci:
{\ displaystyle \ int _ {a} ^ {b} [\ alpha f (x) + \ beta g (x)] \, dx = \ alpha \ int _ {a} ^ {b} f (x) \, dx + \ beta \ int _ {a} ^ {b} g (x) \, dx}
Aditivitate
Este {\ displaystyle f}continuu și definit într-un interval {\ displaystyle [a, b]} și fie {\ displaystyle c \ in [a, b]} . Atunci:
{\ displaystyle \ int _ {a} ^ {b} f (x) \, dx = \ int _ {a} ^ {c} f (x) dx + \ int _ {c} ^ {b} f (x ) \, dx}
Monotonie
Lasa-i sa fie {\ displaystyle f} Și {\ displaystyle g} două funcțiicontinue definite într-un interval {\ displaystyle [a, b]} Și{\ displaystyle f (x) \ geq g (x)} . Atunci:
{\ displaystyle \ int _ {a} ^ {b} f (x) \, dx \ geq \ int _ {a} ^ {b} g (x) dx}
Teorema comparației
Lasa-i sa fie {\ displaystyle f} Și {\ displaystyle g} două funcțiicontinue definite într-un interval {\ displaystyle [a, b]} și astfel încât{\ displaystyle f (x) \ leq g (x)} în {\ displaystyle [a, b]} . Atunci:
{\ displaystyle \ int _ {a} ^ {b} f (x) dx \ leq \ int _ {a} ^ {b} g (x) \, dx}
Valoare absolută
Este {\ displaystyle f}integrabil într-un interval {\ displaystyle [a, b]} , atunci noi avem:
{\ displaystyle \ left | \ int _ {a} ^ {b} f (x) \, dx \ right | \ leq \ int _ {a} ^ {b} \ left | f (x) \ right | \, dx}
De sine {\ displaystyle f: [a, b] \ to \ mathbb {R}} este continuu apoi există {\ displaystyle c \ in [a, b]} astfel încât:
{\ displaystyle {{1} \ over {ba}} \ int _ {a} ^ {b} f (x) \, dx = f (c)}
Limitându-ne la integrale pe intervale de {\ displaystyle \ mathbb {R}} , se dă un interval {\ displaystyle [a, b]} , cu {\ displaystyle a \ leq b \ in \ mathbb {R}} .
Scris {\ displaystyle \ Delta x_ {i} = x_ {1} -x_ {i} -1} , de sine {\ displaystyle f} este o funcție reală mărginită definită pe {\ displaystyle [a, b]} Și {\ displaystyle {\ mathcal {P}}} o partiție de {\ displaystyle [a, b]} apare:
{\ displaystyle {\ begin {align} & M_ {i} = \ sup _ {x_ {i} -1 \ leq x \ leq x_ {i}} f (x), & m_ {i} = \ inf _ { x_ {i} -1 \ leq x \ leq x_ {i}} f (x); \\ & U ({\ mathcal {P}}, f) = \ sum _ {i = 1} ^ {n} M_ {i} \ Delta x_ {i}, & L ({\ mathcal {P}}, f) = \ sum _ {i = 1} ^ {n} m_ {i} \ Delta x_ {i}; \\ & {\ overline {\ int _ {a} ^ {b}}} fdx = \ inf U ({\ mathcal {P}}, f) și {\ underline {\ int _ {a} ^ {b}}} fdx = \ sup L ({\ mathcal {P}}, f) \ end {align}}}
unde este {\ displaystyle \ inf, \ sup} sunt calculate ca toate partițiile din {\ displaystyle [a, b]} , și se spune că cele două integrale sunt, respectiv, integrala Riemann superioară și inferioară. Dacă cele două integrale sunt egale, {\ displaystyle f} spunem Riemann-integrable ( {\ displaystyle f \ in {\ mathcal {R}} ([a, b])} ), și definim integrala Riemann a {\ displaystyle f} pe {\ displaystyle [a, b]} valoarea comună a celor două integrale:
Deoarece există fiecare funcție limitată {\ displaystyle m, M \ in \ mathbb {R}} astfel încât {\ displaystyle m \ leq f (x) \ leq M} pentru fiecare {\ displaystyle x \ in [a, b]} avem:
{\ displaystyle m (ba) \ leq L ({\ mathcal {P}}, f) \ leq U ({\ mathcal {P}}, f) \ leq M (ba)}
sunt definite integralele Riemann superioare și inferioare, chiar dacă nu au neapărat aceeași valoare.
Arată că {\ displaystyle f \ in {\ mathcal {R}} ([a, b])} dacă și numai dacă pentru fiecare {\ displaystyle \ varepsilon> 0} există o partiție {\ displaystyle {\ mathcal {P}}} astfel încât {\ displaystyle U ({\ mathcal {P}}, f) -L ({\ mathcal {P}}, f) <\ varepsilon} . Dacă această condiție este adevărată, atunci:
{\ displaystyle \ left | \ sum _ {i = 1} ^ {n} f (t_ {i}) \ Delta x_ {i} - \ int _ {a} ^ {b} fdx \ right | <\ varepsilon}
Bibliografie
Michiel Berstch, Roberta Dal Passo, Lorenzo Giacomelli Mathematical Analysis , McGraw-Hill, Milano