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積分の定義:リーマン和と符号付き面積md ad1eaa1
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積分せきぶんintegration定義ていぎリーマンRiemann sum符号付ふごうつ面積めんせきsigned area

date2026-07-15document_iddoc_9b9478cd3d0669430cdc1f01e89f834bdescription定積分をリーマン和の極限として定義し、符号付き面積と幾何学的面積を区別する講義である。prerequisites極限と連続type講義content_typelecturestatusactiverelateddata/lecture/math/calculus/fundamental-theorem-of-calculus.lecture.n.md / data/exercise/math/calculus/riemann-sums-and-definite-integrals.exercise.n.md
mathcalculusintegrallecture

1導入どうにゅう

この講義こうぎでは、定積分ていせきぶんdefinite integralを、小区間しょうくかんごとの寄与きよ加算かさんした総和そうわsum極限きょくげんlimitとして定義ていぎする。さらに、定積分ていせきぶん符号付ふごうつ面積めんせきsigned areaあらわすことを説明せつめいし、幾何学的面積きかがくてきめんせきとの相違そうい明確めいかくにする。

2定義ていぎ

a<b とし、関数かんすう f:[a,b]Rかんがえる。区間くかん [a,b]

a=x0<x1<<xn=b

分割ぶんかつし、各小区間かくしょうくかん代表点だいひょうてん ξi[xi-1,xi]選択せんたくする。リーマンRiemann sum

i=1nf(ξi)(xi-xi-1)

である。分割ぶんかつ P分割幅ぶんかつはばmesh

|P|=max1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]i[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]n(xi-xi-1)

定義ていぎする。|P|0 としたとき、分割ぶんかつおよび各小区間かくしょうくかん代表点だいひょうてん ξi選択せんたく依存いぞんせず、リーマン同一どういつ極限値きょくげんち収束しゅうそくするならば、そのあたい

abf(x)dx

き、f[a,b] じょうリーマン積分可能せきぶんかのうRiemann integrableであるという。

3連続関数れんぞくかんすう積分可能性せきぶんかのうせい

3.1定理ていり

閉区間へいくかん [a,b] じょう連続れんぞく関数かんすうは、[a,b] じょうでリーマン積分可能せきぶんかのうである。

3.2証明しょうめい

分割ぶんかつ P各小区間かくしょうくかんにおける f最大値さいだいち最小値さいしょうちMi,mi とし、上和じょうわ下和かなんわ

U(f,P)=iMiΔxi,L(f,P)=imiΔxi

定義ていぎする。下積分かせきぶん supPL(f,P)上積分じょうせきぶん infPU(f,P) は、このじゅん大小関係だいしょうかんけいたす。任意にんいε>0たいして U(f,P)-L(f,P)<ε となる分割ぶんかつ存在そんざいすれば、両者りょうしゃ同一どういつあたい I になる。

このとき、任意にんいのタグ分割ぶんかつ QP共通細分きょうつうさいぶん Rかんがえる。RP細分さいぶんであるから L(f,P)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]L(f,R)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]I[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]U(f,R)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]U(f,P) であり、R のタグIε 未満みまんである。f絶対値ぜったいち上界じょうかいBP内部分点ないぶぶんてん個数こすうk とする。Q から R への細分さいぶん変化へんかするのは、それらの分点ぶんてんふく小区間しょうくかんだけであるため、両者りょうしゃのタグ2Bk|Q| 以下いかである。したがって、|Q|0 のとき Q のタグI収束しゅうそくする。これがダルブーの判定条件はんていじょうけんDarboux criterionである。

閉区間へいくかん じょう連続関数れんぞくかんすう一様連続いちようれんぞくuniformly continuousである。したがって、|P|十分じゅうぶんちいさくすれば、各小区間かくしょうくかんMi-mi<ε/(b-a) となる。このとき

U(f,P)-L(f,P)<i=1nεb-a(xi-xi-1)=ε

であるから、ダルブーの判定条件はんていじょうけんにより f はリーマン積分可能せきぶんかのうである。

この定理ていりにより、後続こうぞく微分積分学びぶんせきぶんがく基本定理きほんていりでは、閉区間へいくかん じょう連続れんぞくf定積分ていせきぶん使用しようできる。

4符号付ふごうつ面積めんせき

定積分ていせきぶんdefinite integralでは、x じくより上側うわがわ寄与きよせい下側したがわ寄与きよとして合算がっさんする。したがって、つね非負ひふである幾何学的面積きかがくてきめんせきは、絶対値ぜったいちabsolute value |f|積分せきぶん計算けいさんする。符号変化点ふごうへんかてん有限個ゆうげんこである場合ばあいは、それらのてん区間くかん分割ぶんかつしてもよい。

5具体例ぐたいれい

f(x)=x奇関数きかんすうであり、区間くかん [-1,1] では正負せいふ寄与きよ相殺そうさいするため、

-11xdx=0

である。しかし、幾何学的面積きかがくてきめんせき

-11|x|dx=1

である。したがって、定積分ていせきぶんあたい幾何学的面積きかがくてきめんせき一般いっぱんには一致いっちしない。

6演習えんしゅうリンク

data/exercise/math/calculus/riemann-sums-and-definite-integrals.exercise.n.md

7関連かんれんリンク

data/lecture/math/calculus/integration-basics.lecture.n.md data/lecture/math/calculus/fundamental-theorem-of-calculus.lecture.n.md

Defining Integration: Riemann Sums and Signed Area

1Introduction

This lecture defines the definite integral as the limit of sums formed by adding the contribution from each subinterval. It also explains why a definite integral represents signed area and clarifies how signed area differs from geometric area.

2Definition

Let a<b and consider a function f:[a,b]R. Partition [a,b] as

a=x0<x1<<xn=b,

and choose a sample point ξi in each subinterval [xi-1,xi]. The corresponding Riemann sum is

i=1nf(ξi)(xi-xi-1).

For a partition P, define its mesh by

|P|=max1[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]i[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]n(xi-xi-1).

If the Riemann sums converge to the same limit as |P|0, independently of both the partitions and the sample points, write this limit as

abf(x)dx,

and say that f is Riemann integrable on [a,b].

3Integrability of Continuous Functions

3.1Theorem

Every function that is continuous on a closed interval [a,b] is Riemann integrable on [a,b].

3.2Proof

For a partition P, let Mi and mi be the maximum and minimum of f on its ith subinterval, and define

U(f,P)=iMiΔxi,L(f,P)=imiΔxi.

The lower integral supPL(f,P) does not exceed the upper integral infPU(f,P). If, for every ε>0, some partition satisfies U(f,P)-L(f,P)<ε, these two quantities have a common value I.

To connect this criterion to tagged sums, take any tagged partition Q and its common refinement R with P. Since R refines P,

L(f,P)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]L(f,R)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]I[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]U(f,R)[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]U(f,P),

so every tagged sum on R differs from I by less than ε. Let |f|[PARSE ERROR: Undefined("Command(\"le\")")]B, and let k be the number of interior division points of P. Only the subintervals of Q containing these points change when Q is refined to R; hence the corresponding tagged sums differ by at most 2Bk|Q|. Therefore every tagged sum on Q tends to I as |Q|0. This is the Darboux criterion.

A continuous function on a closed interval is uniformly continuous. Thus, when |P| is sufficiently small, Mi-mi<ε/(b-a) on every subinterval. Consequently,

U(f,P)-L(f,P)<i=1nεb-a(xi-xi-1)=ε.

The Darboux criterion now shows that f is Riemann integrable.

This theorem justifies the use of definite integrals of continuous functions in the subsequent fundamental theorem of calculus.

4Signed Area

In a definite integral, contributions above the x-axis are positive and contributions below it are negative. Geometric area, which is always nonnegative, is calculated by integrating the absolute value |f|. If f has only finitely many sign-change points, one may instead split the interval at those points.

5Example

The function f(x)=x is odd, so its positive and negative contributions cancel on [-1,1]:

-11xdx=0.

The geometric area is instead

-11|x|dx=1.

Thus, the value of a definite integral and geometric area do not agree in general.

6Exercises

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7Related Material

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