§6-3 闭区间上连续函数可积性的证明.doc.gzip
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
§6-3 闭区间上连续函数可积性的证明
函数)(x f 在区间],[b a 上的一致连续性,使得对于任意给定的正数ε,都有仅与ε有关的正数)(εδδ=,当把区间],[b a 划分为有限个长度都不超过δ的小 区间1[,](1)i i x x i n -≤≤时(图6-3),
在每一个小区间],[1i i x x -上,函数的最大值i M 减去最小值i m 的差i ω(称为振幅)不会超过
ε,即)1(n i m M i i i ≤≤≤-=εω。令
()
1
(P)n
i
i
i s m x ==
∆∑小和, 1
(P)n
i i
i S M x ==∆∑大和()
则有
1
1
0(P)(P)()()n
n
i
i i i
i i S s M
m x x b a ε
ε==≤-=
-∆=∆=-∑∑
即
lim [(P)(P)]0n x S s ∆→-= (6-1)
正是有这个结论,我们才证明了闭区间上连续函数的可积性。
证 设)(x f 是闭区间],[b a 上的连续函数。对于区间],[b a 的任何两个划分方法P '和
P '',总有)P ()P (''≤'S s 。
为了说明这个结论,不妨认为0)(≥x f 。如图6-4①,对于任意划分P ',小和)P ('s 对应的那些内接小矩形合起来含在曲边梯形AabB 内。如图6-4②,对于任意划分P '',大和)P (''S 对应的那些外接小矩形合起来能够覆盖住曲边梯形AabB 。因此,总有)P ()P (''≤'S s 。
其次,因为所有可能的小和构成的集合{})P ('s 有上界)P (''S ,所以有最小上界σ,于是)P (''≤S σ;而因为对于所有可能的大和构成的集合{})P (''S 有下界σ,所以有最大下界σ, 于是σσ≤。 因此,有)P ()P (''≤≤≤'S s σσ。 特别,对于区间[,]a b 的任意划分P ,就有
)P (P)(S s ≤≤≤σσ 或 )P (P)(0s S -≤-≤σσ
图6-4
①
· · · · · · b
a ] [ x
图6-3
1i i x x -
根据条件(6-1),所以σσσ==(公共值)。又因为
(P)P)(S s ≤≤σ, 1
(P)()(P)n
i
i
i s f x S ξ=≤
∆≤∑
所以有
()
1
()(P)(P)0
0n
i
i
n
i f x S s x
ξσ
=∆-≤-→∆→∑
即
1
lim
()n n
i
i
x i f x ξσ∆→=∆=∑()d b
a
f x x =⎰
这样,就证明了函数)(x f 在区间],[b a 上的可积性。
【注】函数在闭区间上连续是函数可积的充分条件,而不是必要条件。在下一章中将证明,在有限区间上只有有限个间断点的有界函数也是可积的,甚至有的可积函数会有无限多个间断点。
习题和选解
1.设函数()f x 和()g x 在闭区间[,]a b 上连续。用任意方法把区间[,]a b 划分成小区间:
01211i i n n a x x x x x x x b --=<<<
<<<
<<=
证明
1
lim
()()()()d n n
b i
i
i
x a
i f g x f x g x x ξθ∆→=∆=∑⎰
其中111[,],[,],(1,2,,)i i i i i i i i i x x x x x x x i n ξθ---∈∈∆=-=。注意,左端的和数.....
•••
∑不是积分和.....!而称它为....
“拟积分和”。 2.设函数()x t 和()y t 在闭区间[,]αβ上有连续的导数。用任意方法把区间[,]αβ划分成小区间:01211i i n n t t t t t t t αβ--=<<<
<<<
<<=。证明
2
2
220
1
lim
()()()()d n n
i i i t i x y t x t y t t β
α
ξθ∆→=+∆=
+⎰ 其中111[,],[,],(1,2,,)i i i i i i i i i t t t t t t t i n ξθ---∈∈∆=-=。左端的和数.....
•••∑也不是积分
和,也称它为“拟积分和”。
3.黎曼引理
(*)
若函数()f x 在闭区间[,]a b 上连续,则有
lim
()sin d 0b
p a
f x px x →∞
=⎰
和 lim
()cos d 0
b
p a
f x px x →∞
=⎰
【注】当函数
()f x 在区间[,]a b 上为可积的情形时, 结论仍然成立(证明在下一章中)。
证 设函数()f x 在闭区间[,]a b 上连续。为简单起见,只证明其中一个等式就行了。设
(*)
习惯上称这个结论为黎曼引理, 因为在证明其他许多有关结论时都要引用这个结论。