Vektorianalyysi

4 Integrointi tasossa

Muuttuja 4.1
#

Olkoon \(X\) joukko, ja \(d\) \(X\):n metriikka. Nyt \((X, d)\) on metrinen avaruus ja täten sillä on metriikan indusoima topologia.

Määritelmä 4.2 Sisäpiste
#

Olkoon \(A \subset X\).

Piste \(x\) on joukon \(A\) sisäpiste, jos

\[ \exists r \mathbin {{\gt}}0, B_d(x, r) \subset A \]

missä \(B_d(x, r)\) on metrisen avaruuden \((X, d)\) avoin \(r\)-säteinen \(x\)-keskeinen kuula.

Määritelmä 4.3 Sisäjoukko (sisus)

Olkoon \(A \subset X\).

\(A\):n sisäjoukko \(\text{int}\, A\) on \(A\):n sisäpisteiden joukko.

Määritelmä 4.4 Pistevieras
#

Joukot \(C_i \subset \mathbb {R}\) ovat pistevieraita jos leikkausjoukot \(\mathbb {C}_i \cap C_j = \emptyset \) kaikilla \(i \neq j\), lukuunottamatta äärellistä määrää "kulmapisteitä".

Huom: tämä kurssin käyttämä määritelmä on epäpätevä, ks. määritelmä 4.6

Muuttuja 4.5
#

Olkoon \(C_i \subset X\) numeroituva jono \(X\) osajoukkoja.

Määritelmä 4.6 Reunavieras

Joukot \(C_i\) (muuttujasta 4.5) ovat reunavieraita jos leikkausjoukot \(\text{int}\, C_i \cap \text{int}\, C_j = \emptyset \) kaikilla \(i \neq j\).

Huomio 4.7
#

Määritelmä 4.6 on yleistys kurssin määritelmästä 4.4, sillä pistevierautta käytetään kurssilla vain \(\mathbb {R}^1\) osajoukoista (joiden reuna koostuu \(\mathbb {R}^1\) pisteistä).

Lause 4.8 Reunavieras (vaihtoehtoinen määritelmä)

Joukot \(C_i\) ovat reunavieraita jos ja vain jos \(C_i \cap C_j \subset \partial C_i \cup \partial C_j\) kaikilla \(i \neq j\).

Määritelmä 4.9 Joukon peite
#

Olkoon \(S\) joukko.

Perhe \(P \subset \mathcal{P}(S)\) on joukon \(S\) peite, jos se koostuu \(S\):n osajoukoista, jotka yhdessä sisältävät kaikki \(S\) alkiot. Täsmällisemmin,

\[ \bigcup _{p \in P} p = s. \]
Määritelmä 4.10 Joukon ositus

Olkoon \(S\) joukko.

Peite \(P\) on joukon \(S\) ositus, jos se koostuu epätyhjistä erillisistä joukoista. Täsmällisemmin,

  • \(\emptyset \not\in P\)

  • \(p_1 \cap p_2 = \emptyset \) kaikilla eri \(p_1, p_2 \in P\).

Määritelmä 4.11 Reunavieras ositus

Olkoon \(S \subset X\).

\(S\) numeroituva peite \(C_i\) on \(S\) reunavieras ositus, jos \(C_i\) on reunavieras, ja lisäksi \(C_i \neq \emptyset \).

Lause 4.12 Ositus on reunavieras ositus
Proof

Osituksen joukot ovat erillisiä, joten ne ovat reunavieraita.

4.1 Integraalin määrittely suorakaiteen yli

Määritelmä 4.13 Suorakaiteen ositus

Olkoon \(n, m \in \mathbb {N}_1\) ja \(D = [a, b] \times [c, d]\).

Suorakaiteen \(D\) ositus eli jako \(\left\{ R_{i j} \right\} _{1 \le i \le m, 1 \le j \le n}\) muodostuu välien \([a, b]\) ja \([c, d]\) osituksista: \(a = x_0 \mathbin {{\lt}}\dots \mathbin {{\lt}}x_m = b\), \(c = y_0 \mathbin {{\lt}}\dots \mathbin {{\lt}}y_n = d\), missä suorakaiteet \(R_{i j} = [x_{(i - 1)}, x_i] \times [y_{(j - 1)}, y_j]\) muodostavat joukon \(D\) reunavieraan osituksen.

Huomio 4.14

Huomaa, että jos \(\left\{ R_{i j} \right\} \) on ositus, niin \(R_{i j}\) on suorakaide, ja ei ole ositus, toisin kuin kurssikirjassa on käytäntönä.

Tästedes eroamme kurssikirjasta käyttämällä \(R_{i j}\) sijaan \(\left\{ R_{i j} \right\} \) kun kyseessä on ositus.

Lause 4.15 Suorakaiteen ositus on reunavieras ositus
Proof

Ilman yleistyksen menetystä \(R_{i j} = [x_{(i - 1)}, x_i] \times [y_{(j - 1)}, y_j]\) leikkaa ainoastaan sellaisia \(R_{k l}\), missä \(k = i + 1\) tai \(l = j + 1\).

Huomataan, että \(\text{int}\, R_{i j} = (x_{(i - 1)}, x_i) \times (y_{(j - 1)}, y_j)\), joten selvästi \(\text{int}\, R_{i j} \cap \text{int}\, R_{k l} = \emptyset \).

Määritelmä 4.16 Suorakaiteen pinta-ala
#

Olkoon \(a \leq b\) ja \(c \leq d\). Suorakaiteen \(R = [a, b] \times [c, d]\) pinta-ala \(\Delta R := (b - a)(d - c)\).

Määritelmä 4.17 Suorakaiteen läpimitta
#

Olkoon \(a \leq b\) ja \(c \leq d\). Suorakaiteen \(R = [a, b] \times [c, d]\) läpimitta \(d(R) = \left((b - a)^2 + (d - c)^2\right)^{1/2}\).

Määritelmä 4.18 Jaon normi

Olkoon \(\left\{ R_{i j} \right\} \) suorakaiteen \(D\) ositus.

Jaon normilla \(\left\lVert \left\{ R_{i j} \right\} \right\rVert \) tarkoitetaan suorakaiteiden \(R_{i j}\) suurinta läpimittaa, eli

\[ \left\lVert \left\{ R_{i j} \right\} \right\rVert := \max _{i, j} d(R_{i j}). \]
Muuttuja 4.19
#

Olkoon \(D\) suorakaide ja \(f : D \to \mathbb {R}\) rajoitettu.

Määritelmä 4.20 Riemannin summa

Olkoon \(\left\{ R_{i j} \right\} _{1 \le i \le m, 1 \le j \le n}\) suorakaiteen \(D\) ositus ja \(\left\{ \xi _{i j} \right\} \) siten, että \(\xi _{i j} \in R_{i j}\) kaikilla \(i\) ja \(j\).

Funktion \(f\) Riemannin summa

\[ R(f, \left\{ R_{i j} \right\} , \left\{ \xi _{i j} \right\} ) = \sum _{i,j} f(\xi _{i j}) \Delta (R_{i j}). \]
Määritelmä 4.21 Riemann-integroituva

Rajoitettu funktio \(f\) on Riemann-integroituva suorakaiteen \(D\) yli, jos on olemassa \(I \in \mathbb {R}\) siten että kaikilla \(\epsilon \mathbin {{\gt}}0\) on olemassa \(\delta \mathbin {{\gt}}0\) siten että kaikilla \(m, n \in \mathbb {N}_1\) ja \(\left\{ R_{i j} \right\} _{1 \le i \le m, 1 \le j \le n}\) joille \(\left\lVert \left\{ R_{i j} \right\} \right\rVert \mathbin {{\lt}}\delta \), niin kaikilla \(\left\{ \xi _{i j} \right\} _{1 \le i \le m, 1 \le j \le n}\) joille \(\xi _{i j} \in R_{i j}\) kaikilla \(i, j\), pätee \(|R(f, \left\{ R_{i, j} \right\} , \left\{ \xi _{i, j} \right\} )| \mathbin {{\lt}}\epsilon \).

Huomio 4.22
#

Kurssin määritelmässä 4.1.1 Riemann-integroituvuudesta on \(\xi \) jätetty tahallaan kvantifioimatta, joka aiheuttaa vaikeuden tulkita määritelmä oikein.

Määritelmä 4.21 vastaa kurssin määritelmää, kunhan tulkitaan, että \(\left\{ \xi _{i j} \right\} \) kvantifioidaan (universaalisti) vasta \(\left\{ R_{i j} \right\} \) kvantifioinnin jälkeen. Tämä tulkinta ei ole yksiselitteinen, koska Riemannin summan määritelmä ei eksplisiittisesti vaadi \(\left\{ \xi _{i j} \right\} \) riippuvan osituksesta \(\left\{ R_{i j} \right\} \). Lisäksi määritelmästä 4.1.1 ei ole selvää kvantifioidaanko \(\left\{ \xi _{i j} \right\} \) universaalisti vai eksistentiaalisti.

Normaalisti matematiikassa implisiittiset parametrit sidotaan universaalisti lauseen tai määritelmän ylätasolla, mutta tämä johtaa väärään tulkintaan määritelmän 4.1.1 kohdalla.

4.2 Integrointi yleisten joukkojen yli

Määritelmä 4.23 Nollajoukko
#

Joukko \(N \subseteq \mathbb {R}^2\) on nollajoukko jos jokaiselle \(\epsilon \mathbin {{\gt}}0\) on olemassa (mahdollisesti äärellinen) jono suorakaiteita \(R_i = [a_i, b_i] \times [c_i, d_i]\) jotka peittävät \(N\) siten että

\[ \sum _{i} \text{area}(R_i) \mathbin {{\lt}}\epsilon . \]
Määritelmä 4.24 Kompakti
#

Joukko \(A \subseteq \mathbb {R}^n\) on kompakti, jos jokaisella jonolla \((x_i)\), missä \(x_i \in A\) kaikilla \(i\), on sellainen suppeneva osajono \((x_{i_j})\) että \(\lim _{j \to \infty } x_{i_j} \in A\).

Määritelmä 4.25 Suljettu
#

Joukko \(A \subseteq \mathbb {R}^n\) on suljettu, jos jokaisella suppenevalla jonolla \((x_i)\), missä \(x_i \in A\) kaikilla \(i\), pätee \(\lim _{i \to \infty } x_i \in A\).

Lause 4.26 Heine-Borel
#

Joukko \(A \subseteq \mathbb {R}^n\) on kompakti jos ja vain jos se on rajoitettu ja suljettu.

Esimerkki 4.27 Pohdintatehtävä

Olkoot \(g_1, g_2 : [a, b] \to \mathbb {R}\) jatkuvia ja \(g_1 \leq g_2\). Osoita, että

\[ A = \left\{ (x, y) \mid g_1(x) \leq y \le g_2(x) \right\} \]

on kompakti.

Proof

Osoitetaan, että \(A\) on suljettu. Olkoon \((s_i)\) suppeneva jono \(A\) pisteitä.

\[ \vdash \lim _{i \to \infty } s_i \in A. \]

Nimetään suppeneva piste \((x, y)\)

\[ \vdash \lim _{i \to \infty } s_i = (x, y) \]

Riittää osoittaa komponenttifunktioiden suppeneminen

\[ s_i = (x_i, y_i) \]
\[ \vdash \lim _{i \to \infty } x_i = x \land \lim _{i \to \infty } y_i = y \]

Huomataan, että \(\left\{ x_1 \mid x \in A \right\} = [a, b]\), sillä kaikilla \(x\) on olemassa \(y\) siten että \(g_1(x) \leq y \leq g_2(x)\). Sillä \([a, b]\) on suljettu ja \((x_i)\) suppenee, niin ensimmäinen konjunktion jäsen on totta.

\[ \vdash \lim _{i \to \infty } y_i = y \]

Sillä \(g_1\) jva, niin \(g_1(x) = \lim _{i \to \infty } g_1(x_i)\). Vastaavasti \(g_2(x) = \lim _{i \to \infty } g_2(x_i)\). Nyt, koska \(\lim _{i \to \infty } y_i = y\)

\[ g_1(x) = \lim _{i \to \infty } g_1(x_i) \leq \lim _{i \to \infty } y_i = y = \lim _{i \to \infty } y_i \leq \lim _{i \to \infty } g_2(x_i) = g_2(x) \]

Täten \((x, y) \in A\).

Lause 4.28 Tyhjä joukko on nollajoukko
#
Proof
Lause 4.29 Integraalin additiivisuus
#

4.3 Epäoleelliset integraalit

Huomio 4.30
#

Palautetaan mieleen 1. ulottuvuuden tapaus. Jos \(f : (0, 1] \to \mathbb {R}\) ja se on integroituva jokaisella välillä \([t, 1]\) kun \(0 {\lt} t {\lt} 1\).

\[ \int _{0}^{1} f(x) dx = \lim _{t -{\gt} 0+} \int _{t}^{1} f(x) dx \]

Kutsutaan tällaista epäoleelliseksi integraaliksi

4.4 Muuttujan vaihto integraaleissa