Большая Советская Энциклопедия (ИН) - Большая Советская Энциклопедия "БСЭ". Страница 143

  Г. Дарбу (1879) дал определение интеграла Римана, которое делает особенно наглядными условиями существования такого И. Вместо сумм (3) Дарбу вводит суммы (называемые суммами Дарбу)

где M_k — верхняя грань функции f (x ) на отрезке [x_k—1 ,x_k ], а m_k — нижняя грань f (x ) на том же отрезке. Если

 нижняя грань сумм , а   — верхняя грань сумм , то для существования интеграла Римана необходимо и достаточно условие  Общее значение  величин  и  и является интегралом Римана (6). Сами величины  и  называются верхним и, соответственно, нижним интегралами Дарбу.

  Интеграл Лебега. Введённое Лебегом понятие меры множества позволило дать значительно более широкое определение И. Чтобы определить И. (6), Лебег делит точками

... < y_-2 < y_-1 < y < y_-1 < ... < y_i <...

область возможных значений переменного у = f (x ) и обозначает M_i множество тех точек х из отрезка [a, b ], для которых

y_i—1 £ f (x ) < y_i .

Сумма S определяется равенством

S = S_i h_i m(M_i ),

где h_i берётся из отрезка y_i—1 £ h_i < y_i , а m(M_i ) обозначает меру множества M_i . Функция f (x ) называется интегрируемой в смысле Лебега на отрезке [a , b ], если ряды, определяющие суммы S , абсолютно сходятся при max(y_i — y_i—1 ) ® 0. Предел этих сумм и называется интегралом Лебега (6). Можно определить первообразную в смысле Лебега как функцию F (x ), удовлетворяющую равенству (4), где И. в правой части понимается по Лебегу. Как и в случае интеграла Римана, равенство (7) будет при этом выполняться во всех точках, кроме, может быть, множества, имеющего меру, равную нулю.

  Для интегрируемости по Лебегу ограниченной функции f (x ) необходимо и достаточно, чтобы она принадлежала к числу измеримых функций в смысле Лебега. Все функции, встречающиеся в математическом анализе, измеримы в этом смысле. Более того, до настоящего времени (1972) не построено ни одного индивидуального примера неизмеримой функции. Таким образом, для случая ограниченных функций Лебег решил задачу определения интеграла (6) с общностью, исчерпывающей потребности математического анализа. Среди функций, интегрируемых по Лебегу, имеется сколько угодно функций, всюду разрывных и, следовательно, неинтегрируемых по Риману. Наоборот, каждая интегрируемая по Риману функция интегрируема и по Лебегу.

  Определение Лебега обобщается на случай интегрирования по полупрямой и по полной прямой, т. е. на случай И. вида

После этого обобщения теория Лебега охватывает все случаи абсолютно сходящихся несобственных интегралов .

  Общность, достигнутая в определении Лебега, весьма существенна во многих вопросах математического анализа; например, только с введением интеграла Лебега могла быть установлена теорема Фишера — Риса в теории тригонометрических рядов, в силу которой любой ряд

для которого

представляет функцию f (x ), порождающую коэффициенты a_n и b_n по формулам

где И. понимаются в смысле Лебега.

  Интеграл Стилтьеса. В конце 19 в. определение интеграла Римана подверглось совершенно иному обобщению, чем то, к которому привело введение понятия меры множества. Это обобщение было дано Т. Стилтьесом (1894). Пусть f (x ) — непрерывная функция действительного переменного х , определённая на отрезке [a , b ], и U (x ) — определённая на том же отрезке ограниченная монотонная (неубывающая или невозрастающая) функция. Для определения интеграла Стилтьеса берут произвольное разбиение (2) отрезка [a , b ] и составляют сумму

f (x₁ ) [U (x₁ ) — U (x )] + f (x₂ ) [U (x₂ ) — U (x₁ )] +...+ f (x_n ) [U (x_n ) — U (x_n—1 )],    (8)

где x₁ , x₂ , ..., x_n — произвольные точки, выбранные соответственно на отрезках [x , x₁ ], [x₁ , x₂ ], ..., [x_n—1 , x_n ]. Пусть d — наибольшее расстояние между двумя последовательными точками деления в разбиении (2). Если взять любую последовательность разбиений, для которой d стремится к нулю, то сумма (8) будет иметь определённый, всегда один и тот же предел, как бы ни выбирались точки x₁ , x₂ , ..., x_n на соответствующих отрезках. Этот предел называют, следуя Стилтьесу, интегралом функции f (x ) относительно функции U (x ) и обозначают символом

Интеграл (9) (его называют также интегралом Стилтьеса) существует и в том случае, когда ограниченная функция U (x ), не будучи сама монотонной, может быть представлена в виде суммы или разности двух ограниченных монотонных функций U₁ (x ) и U₂ (x ):

U (x ) = U₁ (x ) — U₂ (x ),

т. е. является функцией с ограниченным изменением (см. Изменение функции ).

  Если интегрирующая функция U (х ) имеет ограниченную и интегрируемую по Риману производную U' (x ), то интеграл Стилтьеса сводится к интегралу Римана по формуле

В частности, когда U (x ) = х + С , интеграл Стилтьеса (9) превращается в обыкновенный интеграл Римана (6).