当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第七章 定积分 > 第一节 积分概念与积分存在条件 > 函数的可积性
刚才我们给出了一个
有界函数f(x)在[a,b]区间上
有定积分它的定义
那么我们知道通过分割取点求和求极限
以及判断极限的
它的极限值与分割的任意性
和取点的任意性无关
我们可以得到
这么一个定积分的值
那么我们有一个
非常非常大的问题摆在那
就是什么样的函数
它的定积分是存在的
什么样的函数定积分是不存在的
那么我们现在开始新的一节
就是函数的可积性
给[a,b]区间以及定义在
[a,b]区间上的一个函数f(x)
如果说f(x)在[a,b]区间内
根据我们刚才写的五个过程
它是可积的是存在的
则称f这个函数在[a,b]
这个区间上是可积函数
我们给一个很简单的一个符号
我们就说f属于R[a,b]
因为我们现在的积分的定义
是在Riemann定义上的积分
所以我们就用R[a,b]
也就是Riemann可积的
问题就来了就是什么样的f是属于R[a,b]
也就是什么样的函数f
是在[a,b]区间上是可积的
为此我们特意先给一个反例
告诉你不可积的函数
确实是有的
我们知道一个很有名的函数
叫做Dirichlet函数
Dirichlet函数等于
1 当x属于有理数的时候
等于0当x属于无理数的时候
我们来看看[0,1]这个区间上
a=0b=1这个区间上[0,1]这个区间上
Dirichlet函数可积不可积
我们同样来看看[0,1]这个区间上
我们作分割作极限
Σi从1到nD(ξi)乘上Δxi
这时候我们做因为你说
对任意的分割任意的取点
这个极限值都要相同的
我们来看看
我们分割是随便作分割
但是取点我们可以取
下面两种情况取点
在每一个小区间上的ξi
这个ξi都是有理数
这是一种取点方法
另外一种取点的话
ξi属于xi-1到xi
都取无理数
如果说[xi-1,xi]是一个非空的一个区间
那么我们从实数理论告诉我们
这个区间任意一个非空的区间上
既有有理数又有无理数
所以我可以做到
每一个小区间上
我全部取有理数
我也可以做到
在每一个小区间上
我全部取无理数
这时候你会发现
它的在这种情况下的Riemann和
我们知道D(ξi)是不是都是等于1
所以这时候你算出来的Riemann和
Σi从1到nD(ξi)乘上Δxi
D(ξi)取1把它拿出来之后
就是区间长度的和
既然是区间长度的和
那就恒等于1的
所以取了极限之后
λ趋于0+的极限之后
那么这个Riemann和的极限
都是等于1的
所以极限也等于1
反过来来讲第二种选取方法
如果说我每一个ξi取的都是无理数
那么这时候我取到的D(ξi)都等于0
那么Σi从1到nD(ξi)
全部都是乘上Δxi
全部都是0
所以它的极限λ趋于0+
它也是0所以对Dirichlet函数来讲
问题就来了
Riemann和的极限
实际上是跟你这个取点的方法是有关的
张三去取全部取有理数
那么Riemann和的极限就是1
李四去取全部每个点都取无理数
Riemann和的极限就是0
所以你会发现Riemann和的
极限的这种两种不同的值
就表示Riemann和的极限
实际上跟你那个取点的方法是有关的
既然是有关的因为我们刚才讲
12345第五步告诉你
你要去验证我这个Riemann和的极限值
和你那个分割的任意性无关
和取点的任意性也无关
而我们现在突然发现
跟取点的任意性是有关的
所以我们说Dirichlet函数这个函数
不是在[a,b]区间上
[0,1]区间上它不是Riemann可积的
从这个意义上来讲
我们也确确实实知道
肯定是在有那些函数
这个函数它不是可积函数
我们回过头去再去看看Dirichlet函数
如果说大家在学函数的连续性的时候
我们知道Dirichlet
函数在[0,1]这个区间上
实际上是点点不连续的
也就是说这个函数的性质太糟糕了
糟糕到点点不连续了
那么以至于
最后从定积分的角度来讲
它是不可积的了
为了说明什么样的函数才可积
那么我们刚才讲的是可积的它的定义
分割取点Riemann和求极限
这些都是可以做到的
但是最后一步是很难做到的
你去验证你这个极限值与分割的任意性
和取点的任意性无关
那么你想象一下
怎么去验证一个极限值
和分割的任意性
取点的任意性无关
这个事情好像似乎是做不到的一件事情
原因很简单
你对一个函数做定积分
你做一辈子的分割
去做一辈子的积分
你哪怕这一辈子做出来的事情
最后你发现积分值
这个极限值和分割的任意性
和取点的任意性都无关
你即使做了一辈子
你也做不到
去证明它的分割的任意性
和取点的任意性
确实不影响最后的极限值
因为万一有人再做出来
其它的分割有关了
所以在定积分的定义里面
实际上第五条是一个
非常非常难验证的事情
那为了讲清楚什么样的函数才是可积函数
那么我们要给这个定积分的定义
找一套等价的定义
或者说找一个充分必要条件
这就是我们下面要讲的这么一个定理
这个定理告诉我们
如果f这个函数属于R[a,b]
也就是说在[a,b]这个区间上
有界闭区间上
是Riemann可积的
它的充分必要条件
就是limλ趋于0+ Σi从1到
n Δωi(f)乘上Δxi要等于0
其中我们给一些定义
Δωi(f)我们把它写成
x属于xi-1到xi区间上的f(x)
减去 x属于xi-1到xi这个小区间上的f(x)
那么我们已经讲过
在第一章的时候我们就已经讲过
sup表示f(x)这个函数
在xi-1和xi这个区间上的
它的值域的上确界
inf表示f(x)这个函数
在这个xi-1到xi这个小区间上的下确界
也就是上确界减下确界
如果我们再给一个条件
f这个函数是一个连续函数
那么我们可以证明
上确界就是f这个函数
在xi-1到xi这个小区间上的最大值
而下确界恰好是f(x)这个函数
在xi-1到xi这个有界闭区间上的最小值
也就是最大值减最小值
如果f不一定是连续函数
那么最大值和最小值
那就不一定存在了
所以我们刚才讲的
就不一定成立了
我们把这个Δωi
或者说如果连续函数
是最大值减去最小值
我们把它称之为
f这个函数在这个小区间xi-1到xi
这个小区间上的振幅
最大值减去最小值
不就是它的一个振幅
那么上确界减去下确界
从某种意义上来讲
也是反映了这个函数
在xi-1到xi这个区间上的
它的变化值的变化的范围
最上确界下确界
一减的话就是变化的那种幅度
那么我们把它叫做振幅
那么这个定理告诉我们
如果f是一个可积函数
那么充分必要条件
就是f在每一个小区间上的振幅
乘上Δxi它的和在λ趋于0的情况下
一定是等于0
也就是说它的振幅要
相对来讲不能太大
那么这个定理本身是数学上的一个
非常非常好的一个定理
也是很有趣的一个定理
那么这个定理实际上就在反映
我们原来f是一个可积函数
我们讲1234都可实现
然后第五个条件实际上是不具有可操作性的
因为所有的人几辈子都证不出来第五个条件
你要证明它的无关性
实际上是不可操作的
那么它把不可操作的这么一个证明过程
等价于这个条件了
就具有可操作性
所以这个充分必要条件
实际上给我们来判断
一个函数到底可积不可积
它在[a,b]区间上的定积分到底有没有
我们这是一个非常非常
好的一个充分必要条件
或者说等价的条件
但是由于篇幅关系
时间关系我们在我们这门课里
我们就不会详细地证明这个定理
如果有兴趣的同学
就可以看一下相应的数学分析的书
一般来讲一本数学分析书的话
一般有这种详细的证明
我们在这儿
我们就默认了
就不去证了
那么从这个定理里面
我们可以推出一系列的推论
第一个推论
就是如果f是一个[a,b]区间上的连续函数
那么f就是[a,b]区间上的Riemann可积函数
我们把它简称为
连续函数必可积
如果说你把R[a,b]和C[a,b]都是集合
R[a,b]表示一个集合
这个集合里边的元素是函数
这个函数满足都是可积的
C[a,b]也表示一个集合
这个集合里边元素也是函数
而表示这个函数的条件
都要是连续函数
所以说从集合的角度上来讲
我们可以知道
C[a,b]包含在R[a,b]这个集合里面
也就说连续函数作为一个集合
是可积函数集合的一个子集
这是第一个推论
那么我们证明
我们详细就不证了
我们只给出一些现成的结论
有人就要问了
不连续的函数到底可积不可积
结论也是非常非常漂亮的
有些不连续的函数
仍然是可积的
什么样的不连续函数
如果f在[a,b]这个区间内
只有有限个不连续点
或者说间断点
那这样一个函数
仍然是在[a,b]区间内
仍然是一个可积函数
也就是说在[a,b]区间内不连续不可怕
有一个两个不连续点都没问题
十个八个也没问题
有限个不连续点
都没有问题
那么在这里面
我们讲所谓不连续点
第一类不连续点也叫不连续点
第二类不连续点也叫不连续点
所以这个间断点
既包括了第一类间断点
也包括了第二类间断点
那么在这个问题上
大家回过头去再去想一想
我们原来讲过的不定积分
原函数的问题
我们现在是讲定积分
有限个间断点
都可以允许定积分存在
但是我们在原函数的时候我们讲过
只要有一个第一类间断点
那么这个函数原函数就一定不存在了
大家仔细再想一下
这两个之间到底有什么关系没有
实际上来讲f在[a,b]区间内
有有限个间断点
f仍然是可积的
f在[a,b]区间内有时候有无穷多个间断点
它也是可积的
只要这个无穷多不是太多
那么我们就要有很大的问题
什么叫无穷多不太多
那么我们就有一个概念
就是所谓可列
也就一些东西你可以贴上商标
比如说第一个第二个第三个第四个
我贴上商标的这些东西
我们就叫可列个
所以你可以发现
数列是一个可列的点
实际上这个结论还可以再放松到
f在[a,b]这个有界闭区间里面
如果说它的间断点是可列个
可列无穷多个
那么f仍然是可积的
那么你就要问了
Dirichlet函数为什么出问题
Dirichlet函数当时我们讲过
它在[0,1]区间上是
点点不连续
每一点都是间断点
那你想点点不连续的点的
那些函数是不是太过分了
它每一点都是间断点
那么它已经属于不可列的间断点
所以这时候这个函数它是不可积的
刚才我们已经验算了这个函数是不可积的
如果f在[a,b]这个区间内
是一个单调函数
单调增的单调降的
我们也可以推出
f这个函数一定是可积函数
单调函数也是可积函数
所以从这个意义上来讲
大家仔细想一下
这个可积函数
实际上是范围比较广的一个东西
也就是说连续函数是可积函数
这不会例外的
因为连续函数性质比较好
有限个间断点
它也是一个可积函数
甚至可列无穷多个间断点
它依然是一个可积函数
所以可积函数的范围
是比较广的一个范围
从这个角度上来讲
连续函数是可积函数的一个真子集
它是它的一个真子集
单调函数在[a,b]区间内的一个单调函数
它仍然是一个可积函数
而我们来看看
刚才我们讲过
Dirichlet函数是不可积的
那么我们来验算一下
Dirichlet函数
满足不满足这条性质
我们随便给一个小区间
xi-1到xi这个小区间
这两个点当然是非空的小区间
也就是xi-1不等于xi
那么我们来看看
在x属于xi-1到xi这个小区间
Dirichlet函数的上确界
不就是等于1
那么下确界x属于xi-1到xi
Dirichlet函数的下确界就等于0
那么我们就可以发现
这每一个小区间xi-1到xi这个小区间上
Dirichlet函数的这个函数的振幅
就是1-0就是等于1
那么它从Σi从1到
nΔωi Dirichlet函数的振幅
乘上Δxi那么我们讲
这个东西是恒等于1的
所以它就等于Σi从1到nΔxi
那么也就是说
所有小区间的长度的和
它不就是等于1
显然跟这个极限等于0就矛盾了
所以从这意义上来讲
我们也可以来判断
Dirichlet函数它确实不是
在[0,1]区间上
它确确实实是不可积的
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习