積分の定義:リーマン和と符号付き面積
mathcalculusintegrallecture
1導入
この講義では、定積分を、小区間ごとの寄与を加算した総和の極限として定義する。さらに、定積分が符号付き面積を表すことを説明し、幾何学的面積との相違を明確にする。
2定義
a<b とし、関数 f:[a,b]\to\mathbb R を考える。区間 [a,b] を
a=x_0<x_1<\cdots<x_n=b
と分割し、各小区間で代表点 \xi_i\in[x_{i-1},x_i] を選択する。リーマン和は
\sum_{i=1}^n f(\xi_i)(x_i-x_{i-1})
である。分割 P の分割幅を
|P|=\max_{1\le i\le n}(x_i-x_{i-1})
と定義する。|P|\to0 としたとき、分割および各小区間の代表点 \xi_i の選択に依存せず、リーマン和が同一の極限値へ収束するならば、その値を
\int_a^b f(x)\,dx
と書き、f は [a,b] 上でリーマン積分可能であるという。
3連続関数の積分可能性
3.1定理
閉区間 [a,b] 上で連続な関数は、[a,b] 上でリーマン積分可能である。
3.2証明
分割 P の各小区間における f の最大値と最小値を M_i,m_i とし、上和と下和を
U(f,P)=\sum_iM_i\Delta x_i,\qquad L(f,P)=\sum_im_i\Delta x_i
と定義する。下積分 \sup_P L(f,P) と上積分 \inf_P U(f,P) は、この順で大小関係を満たす。任意の \varepsilon>0 に対して U(f,P)-L(f,P)<\varepsilon となる分割が存在すれば、両者は同一の値 I になる。
このとき、任意のタグ付き分割 Q と P の共通細分 R を考える。R は P の細分であるから L(f,P)\le L(f,R)\le I\le U(f,R)\le U(f,P) であり、R のタグ付き和と I の差は \varepsilon 未満である。f の絶対値の上界を B、P の内部分点の個数を k とする。Q から R への細分で変化するのは、それらの分点を含む小区間だけであるため、両者のタグ付き和の差は 2Bk|Q| 以下である。したがって、|Q|\to0 のとき Q のタグ付き和も I へ収束する。これがダルブーの判定条件である。
閉区間 上の連続関数は一様連続である。したがって、|P| を十分に小さくすれば、各小区間で M_i-m_i<\varepsilon/(b-a) となる。このとき
U(f,P)-L(f,P)
<\sum_{i=1}^n\frac{\varepsilon}{b-a}(x_i-x_{i-1})=\varepsilon
であるから、ダルブーの判定条件により f はリーマン積分可能である。
この定理により、後続の微分積分学の基本定理では、閉区間 上で連続な f の定積分を使用できる。
4符号付き面積
定積分では、x 軸より上側の寄与を正、下側の寄与を負として合算する。したがって、常に非負である幾何学的面積は、絶対値 |f| の積分で計算する。符号変化点が有限個である場合は、それらの点で区間を分割してもよい。
5具体例
f(x)=x は奇関数であり、区間 [-1,1] では正負の寄与が相殺するため、
\int_{-1}^{1}x\,dx=0
である。しかし、幾何学的面積は
\int_{-1}^{1}|x|\,dx=1
である。したがって、定積分の値と幾何学的面積は一般には一致しない。
6演習リンク
data/exercise/math/calculus/riemann-sums-and-definite-integrals.exercise.n.md
7関連リンク
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]\to\mathbb R. Partition [a,b] as
a=x_0<x_1<\cdots<x_n=b,
and choose a sample point \xi_i in each subinterval [x_{i-1},x_i]. The corresponding Riemann sum is
\sum_{i=1}^n f(\xi_i)(x_i-x_{i-1}).
For a partition P, define its mesh by
|P|=\max_{1\le i\le n}(x_i-x_{i-1}).
If the Riemann sums converge to the same limit as |P|\to0, independently of both the partitions and the sample points, write this limit as
\int_a^b f(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 M_i and m_i be the maximum and minimum of f on its ith subinterval, and define
U(f,P)=\sum_iM_i\Delta x_i,\qquad L(f,P)=\sum_im_i\Delta x_i.
The lower integral \sup_P L(f,P) does not exceed the upper integral \inf_P U(f,P). If, for every \varepsilon>0, some partition satisfies U(f,P)-L(f,P)<\varepsilon, 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)\le L(f,R)\le I\le U(f,R)\le U(f,P),
so every tagged sum on R differs from I by less than \varepsilon. Let |f|\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|\to0. This is the Darboux criterion.
A continuous function on a closed interval is uniformly continuous. Thus, when |P| is sufficiently small, M_i-m_i<\varepsilon/(b-a) on every subinterval. Consequently,
U(f,P)-L(f,P)
<\sum_{i=1}^n\frac{\varepsilon}{b-a}(x_i-x_{i-1})=\varepsilon.
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]:
\int_{-1}^{1}x\,dx=0.
The geometric area is instead
\int_{-1}^{1}|x|\,dx=1.
Thus, the value of a definite integral and geometric area do not agree in general.
6Exercises
data/exercise/math/calculus/riemann-sums-and-definite-integrals.exercise.n.md
7Related Material
data/lecture/math/calculus/integration-basics.lecture.n.md
data/lecture/math/calculus/fundamental-theorem-of-calculus.lecture.n.md