4 Integrointi tasossa
Olkoon \(X\) joukko, ja \(d\) \(X\):n metriikka. Nyt \((X, d)\) on metrinen avaruus ja täten sillä on metriikan indusoima topologia.
Olkoon \(A \subset X\).
Piste \(x\) on joukon \(A\) sisäpiste, jos
missä \(B_d(x, r)\) on metrisen avaruuden \((X, d)\) avoin \(r\)-säteinen \(x\)-keskeinen kuula.
Olkoon \(A \subset X\).
\(A\):n sisäjoukko \(\text{int}\, A\) on \(A\):n sisäpisteiden joukko.
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
Olkoon \(C_i \subset X\) numeroituva jono \(X\) osajoukkoja.
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,
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 \(p_1, p_2 \in P\).
Osituksen joukot ovat erillisiä, joten ne ovat reunavieraita.
4.1 Integraalin määrittely suorakaiteen yli
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.
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.
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 \(\text{int}\, R_{i j} \cap \text{int}\, R_{k l} = \emptyset \).
Olkoon \(a \leq b\) ja \(c \leq d\). Suorakaiteen \(R = [a, b] \times [c, d]\) pinta-ala \(\Delta R := (b - a)(d - c)\).
Olkoon \(a \leq b\) ja \(c \leq d\). Suorakaiteen \(R = [a, b] \times [c, d]\) läpimitta \(d(R) = \left((b - a)^2 + (d - c)^2\right)^{1/2}\).
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
Olkoon \(D\) suorakaide ja \(f : D \to \mathbb {R}\) rajoitettu.
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
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 \(|R(f, \left\{ R_{i, j} \right\} , \left\{ \xi _{i, j} \right\} )| \mathbin {{\lt}}\epsilon \).
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
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
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 \(\lim _{j \to \infty } x_{i_j} \in A\).
Joukko \(A \subseteq \mathbb {R}^n\) on suljettu, jos jokaisella suppenevalla jonolla \((x_i)\), missä \(x_i \in A\) kaikilla \(i\), pätee \(\lim _{i \to \infty } x_i \in A\).
Joukko \(A \subseteq \mathbb {R}^n\) on kompakti jos ja vain jos se on rajoitettu ja suljettu.
Olkoot \(g_1, g_2 : [a, b] \to \mathbb {R}\) jatkuvia ja \(g_1 \leq g_2\). Osoita, että
on kompakti.
Osoitetaan, että \(A\) on suljettu. Olkoon \((s_i)\) suppeneva jono \(A\) pisteitä.
Nimetään suppeneva piste \((x, y)\)
Riittää osoittaa komponenttifunktioiden suppeneminen
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.
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 \(\lim _{i \to \infty } y_i = y\)
Täten \((x, y) \in A\).
4.3 Epäoleelliset integraalit
Palautetaan mieleen 1. ulottuvuuden tapaus. Jos \(f : (0, 1] \to \mathbb {R}\) ja se on integroituva jokaisella välillä \([t, 1]\) kun \(0 {\lt} t {\lt} 1\).
Kutsutaan tällaista epäoleelliseksi integraaliksi