Интеграл Римана-Стилтьеса — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
м
м (rollbackEdits.php mass rollback)
 
(не показано 8 промежуточных версий 6 участников)
Строка 4: Строка 4:
 
Интеграл Римана-Стилтьеса строится аналогично [[Определение_интеграла_Римана,_простейшие_свойства|интегралу Римана]]:
 
Интеграл Римана-Стилтьеса строится аналогично [[Определение_интеграла_Римана,_простейшие_свойства|интегралу Римана]]:
  
Пусть дан отрезок $[a, b]$, на котором определены функции $f$ и '''весовая функция''' $g$, причем $g$ — не убывает. Пусть на нем есть разбиение $\tau : a=x_0 < \dots < x_n=b$ и точки $\xi_i \in [x_i; x_{i+1}]$. Составим интегральную сумму $\sigma(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) \Delta g_k $, где $\Delta g_k = g(x_{k+1}) - g(x_k) $ (заметим, что т.к. $g$ не убывает, $\Delta g_k \ge 0$).
+
Пусть дан отрезок $[a, b]$, на котором определены функции $f$ и '''весовая функция''' $g$, причем $g$ монотонно неубывает. Пусть на нем есть разбиение $\tau : a=x_0 < \dots < x_n=b$ и точки $\xi_i \in [x_i; x_{i+1}]$. Составим интегральную сумму $\sigma(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) \Delta g_k $, где $\Delta g_k = g(x_{k+1}) - g(x_k) $ (заметим, что, так как $g$ монотонно неубывает, $\Delta g_k \ge 0$).
  
 
{{Определение
 
{{Определение
Строка 42: Строка 42:
 
|proof=
 
|proof=
 
Так как $f$ непрерывна на отрезке, то она равномерно непрерывна, то есть $\forall \varepsilon > 0 \exists \delta > 0: |x' - x''| < \delta \Rightarrow |f(x') - f(x'')| < \varepsilon$. Если $\operatorname{rang} \tau < \delta, M_k - m_k \le \varepsilon$
 
Так как $f$ непрерывна на отрезке, то она равномерно непрерывна, то есть $\forall \varepsilon > 0 \exists \delta > 0: |x' - x''| < \delta \Rightarrow |f(x') - f(x'')| < \varepsilon$. Если $\operatorname{rang} \tau < \delta, M_k - m_k \le \varepsilon$
$ \omega (f, g, \tau) \le \left| \sum\limits_{k=0}^{n-1} (M_k - m_k) \Delta g_k \right| \le \sum\limits_{k=0}^{n-1} \varepsilon | \Delta g_k | = \varepsilon \bigvee\limits_a^b  (g, \tau) \xrightarrow[\varepsilon \to 0]{} 0$.
+
$ \omega (f, g, \tau) \le \left| \sum\limits_{k=0}^{n-1} (M_k - m_k) \Delta g_k \right| \le \sum\limits_{k=0}^{n-1} \varepsilon | \Delta g_k | = \varepsilon \bigvee\limits_a^b  (g, \tau) \le \varepsilon \bigvee\limits_a^b g \xrightarrow[\varepsilon \to 0]{} 0$.
 
}}
 
}}
  
Строка 82: Строка 82:
 
$ \bigvee\limits_a^b (f, \tau) \le M (b - a) \Rightarrow f \in \bigvee(a, b) $
 
$ \bigvee\limits_a^b (f, \tau) \le M (b - a) \Rightarrow f \in \bigvee(a, b) $
 
}}
 
}}
 
+
== Сведение к интегралу Римана ==
 
{{Утверждение
 
{{Утверждение
 
|statement=
 
|statement=
Пусть $g'$ непрерывна на $[a, b]$ и существует $\int\limits_a^b f(x) g'(x) dx$, тогда существует $\int\limits_a^b f dg$, и его значение совпадает с $\int\limits_a^b f(x) g'(x) dx$.
+
Пусть $f$ и $g'$ непрерывны на $[a, b]$, и существует $\int\limits_a^b f(x) g'(x) dx$, тогда существует $\int\limits_a^b f dg$, и его значение совпадает с $\int\limits_a^b f(x) g'(x) dx$.
 
|proof=
 
|proof=
Из предыдущего утверждения, $g'$ — функция ограниченной вариации, следовательно, $\int\limits_a^b f dg$ существует. Распишем ее интеграл Стилтьеса:
+
Из предыдущего утверждения, $g$ — функция ограниченной вариации, следовательно, $\int\limits_a^b f dg$ существует. Распишем ее интеграл Стилтьеса:
 
$\sigma(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) (g(x_{k+1}) - g(x_k)) =$ (по формуле Лагранжа)  
 
$\sigma(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) (g(x_{k+1}) - g(x_k)) =$ (по формуле Лагранжа)  
  
Строка 95: Строка 95:
 
За счет равномерной непрерывности $g'$, если $\operatorname{rang} \tau < \delta $ и $\xi_k, \xi'_k \in [x_k, x_{k+1}]$, то $|g'(\xi_k) - g'(\xi'_k)| < \varepsilon$.  
 
За счет равномерной непрерывности $g'$, если $\operatorname{rang} \tau < \delta $ и $\xi_k, \xi'_k \in [x_k, x_{k+1}]$, то $|g'(\xi_k) - g'(\xi'_k)| < \varepsilon$.  
 
$ \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) (g'(\xi'_k) - g'(\xi_k)) \Delta x_k \le \sum\limits_{k=0}^{n-1} M \varepsilon \Delta x_k = M (b - a) \varepsilon \xrightarrow[\varepsilon \to 0]{} 0$.
 
$ \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) (g'(\xi'_k) - g'(\xi_k)) \Delta x_k \le \sum\limits_{k=0}^{n-1} M \varepsilon \Delta x_k = M (b - a) \varepsilon \xrightarrow[\varepsilon \to 0]{} 0$.
 +
 
}}
 
}}
  
 
== Оценка коэффициентов Фурье функции ограниченной вариации ==
 
== Оценка коэффициентов Фурье функции ограниченной вариации ==
  
В качестве применения этой теоремы оценим коэффициенты Фурье $2\pi$-периодической функции $f \in \bigvee(0, 2\pi)$:
+
В качестве применения этой теоремы оценим коэффициенты Фурье $2\pi$-периодической функции $f \in \bigvee(0, 2\pi)$. Так как $f$ представима в виде разности двух монотонных, [[Критерий_существования_определённого_интеграла#.D0.A1.D1.83.D1.89.D0.B5.D1.81.D1.82.D0.B2.D0.BE.D0.B2.D0.B0.D0.BD.D0.B8.D0.B5_.D0.BE.D0.BF.D1.80.D0.B5.D0.B4.D0.B5.D0.BB.D1.91.D0.BD.D0.BD.D0.BE.D0.B3.D0.BE_.D0.B8.D0.BD.D1.82.D0.B5.D0.B3.D1.80.D0.B0.D0.BB.D0.B0_.D0.BD.D0.B5.D0.BF.D1.80.D0.B5.D1.80.D1.8B.D0.B2.D0.BD.D0.BE.D0.B9_.D0.B8.D0.BB.D0.B8_.D0.B2.D0.BE.D0.B7.D1.80.D0.B0.D1.81.D1.82.D0.B0.D1.8E.D1.89.D0.B5.D0.B9_.D1.84.D1.83.D0.BD.D0.BA.D1.86.D0.B8.D0.B8|монотонные интегрируемы по Риману]] и [[Критерий_существования_определённого_интеграла#.D0.A1.D0.BB.D0.B5.D0.B4.D1.81.D1.82.D0.B2.D0.B8.D0.B5|произведение интегрируемых интегрируемо]], то $f(x) \cos (nx) dx$ интегрируема по Риману.
  
 
$a_n(f) = \frac{1}{\pi} \int\limits_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) dx = \\
 
$a_n(f) = \frac{1}{\pi} \int\limits_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) dx = \\

Текущая версия на 19:38, 4 сентября 2022

<<>>

<wikitex> Интеграл Римана-Стилтьеса строится аналогично интегралу Римана:

Пусть дан отрезок $[a, b]$, на котором определены функции $f$ и весовая функция $g$, причем $g$ монотонно неубывает. Пусть на нем есть разбиение $\tau : a=x_0 < \dots < x_n=b$ и точки $\xi_i \in [x_i; x_{i+1}]$. Составим интегральную сумму $\sigma(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) \Delta g_k $, где $\Delta g_k = g(x_{k+1}) - g(x_k) $ (заметим, что, так как $g$ монотонно неубывает, $\Delta g_k \ge 0$).


Определение:
Интегралом Римана-Стилтьеса называется $\int\limits_a^b f dg = \lim\limits_{\operatorname{rang} \tau \to 0} \sigma (f, g, \tau) $, где $\operatorname{rang} \tau = \max(\Delta x_0, \dots \Delta x_{n-1})$.
Класс функций, у которых существует интеграл Римана-Стилтьеса обозначанется как $\mathcal{R}(g)$.


Далее аналогично интегралу Римана введем $\omega(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} (M_k - m_k) \Delta g_k$, где $m_k = \inf\limits_{[x_k \dots x_{k+1}]} f, M_k = \sup\limits_{[x_k \dots x_{k+1}]} f$.

Критерий существования интеграла Римана-Стилтьеса

Теорема (Критерий существования интеграла Римана-Стилтьеса):
$f \in \mathcal{R}(g) \Leftrightarrow \omega(f, g, \tau) \xrightarrow[\operatorname{rang} \tau \to 0]{} 0 $.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
Доказывается аналогично интегралу Римана.
[math]\triangleleft[/math]

Напомним совершенно очевидные свойства функций ограниченной вариации:

  1. $f, g \in V(a, b) \Rightarrow \alpha f + \beta g \in V(a, b) $
  2. $f, g \in V(a, b) \Rightarrow f g \in V(a, b) $

Теперь перенесем определение интеграла Римана-Стилтьеса на $g \in V(a, b)$:

$ g \in V(a, b)$, $g = g_1 - g_2$, $\int\limits_a^b f dg \stackrel {def}{=} \int\limits_a^b f dg_1 - \int\limits_a^b f dg_2$. Заметим, что определенный таким образом интеграл не зависит от выбора $g_1$ и $g_2$, только от их разности.

Интеграл Римана-Стилтьеса обладает линейностью и аддитивностью, а также линейностью по весовой функции: $ \int\limits_a^b f d(\alpha g_1 + \beta g_2) = \alpha \int\limits_a^b f dg_1 + \beta \int\limits_a^b f dg_2 $.

Интеграл Римана-Стилтьеса непрерывной функции

Теорема (о существовании интеграла Римана-Стилтьеса):
Пусть $f$ непрерывна на $[a, b]$, $g \in V(a, b)$. Тогда интеграл Римана-Стилтьеса $ \int\limits_a^b f dg $ существует.
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
Так как $f$ непрерывна на отрезке, то она равномерно непрерывна, то есть $\forall \varepsilon > 0 \exists \delta > 0:
[math]\triangleleft[/math]

Уточним аддитивность интеграла:

  1. $ \exists \int\limits_a^b f dg, \exists \int\limits_a^c f dg, \exists \int\limits_b^c f dg \Rightarrow \int\limits_a^c = \int\limits_a^b + \int\limits_b^c $
  2. $ \exists \int\limits_a^d \Rightarrow \exists \int\limits_b^c$, где $ [b, c] \in [a, d]$.
  3. Для интеграла Римана из существования $\int\limits_a^b $ и $\int\limits_b^c$ следует существование $\int\limits_a^c$. Для интеграла Римана-Стилтьеса в общем случае это неверно:

Пусть [math] f = \begin{cases} 0, & x \in [0; 1) \\ 1, & x \in [1; 2] \end{cases}, g = \begin{cases} 0, & x \in [0; 1] \\ 1, & x \in (1; 2] \end{cases} [/math].

Тогда на отрезке [math] [0; 1] [/math] все [math] \Delta g_k = 0 [/math], [math] \int\limits_0^1 f dg = 0 [/math]; на отрезке [math] [1; 2] [/math] все [math] \Delta g_k [/math] = 0, кроме [math] \Delta g_0 = 1[/math], [math] \int\limits_1^2 f dg = f(x_0) \Delta g_0 = 1 [/math].

Можно непосредственно убедиться, что оба интеграла существуют.

Но на отрезке [math] [0; 2] [/math] всегда можно предъявить сколь угодно мелкое разбиение, содержащее две точки [math] x_p, x_{p + 1} [/math] по разные стороны от единицы, значит, [math] \omega (f, g, \tau) = 1[/math] не стремится к нулю.

Формула интегрирования по частям

Теорема (формула интегрирования по частям):
Пусть существуют $\int\limits_a^b f dg, \int\limits_a^b g df$. Тогда $\int\limits_a^b f dg = fg \bigl
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

$\sigma(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) (g(x_{k + 1}) - g(x_k)) = \\ \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) g(x_{k+1}) - \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) g(x_k) = \\ \sum\limits_{j=1}^n f(\xi_{j-1}) g(x_j) - \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) g(x_k) = \\ = f(\xi_{n-1}) g(x_n) - f(\xi_0) g(x_0) + \sum\limits_{j=1}^{n-1} g(x_j) (f(\xi_{j - 1}) - f(\xi_j)) = \\ = f(\xi_{n-1}) g(x_n) - f(\xi_0) g(x_0) - \sum\limits_{j=1}^{n-1} g(x_j) (f(\xi_j) - f(\xi_{j-1})) $.

Так как интегралы существуют, точки $\xi_j$ можно выбирать как угодно. Примем $\xi_0 = x_0 = a, \xi_{n-1} = x_n = b, \xi_j = x_j, \xi_{j-1} = x_{j-1}$.

Получим $f(x)g(x) \bigl
[math]\triangleleft[/math]
Утверждение:
Пусть $f$ непрерывна на $[a, b]$, $f'$ — ограничена на $(a, b)$, тогда $f$ — функция ограниченной вариации.
[math]\triangleright[/math]
$
[math]\triangleleft[/math]

Сведение к интегралу Римана

Утверждение:
Пусть $f$ и $g'$ непрерывны на $[a, b]$, и существует $\int\limits_a^b f(x) g'(x) dx$, тогда существует $\int\limits_a^b f dg$, и его значение совпадает с $\int\limits_a^b f(x) g'(x) dx$.
[math]\triangleright[/math]

Из предыдущего утверждения, $g$ — функция ограниченной вариации, следовательно, $\int\limits_a^b f dg$ существует. Распишем ее интеграл Стилтьеса: $\sigma(f, g, \tau) = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) (g(x_{k+1}) - g(x_k)) =$ (по формуле Лагранжа)

$= \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) g'(\xi'_k) \Delta x_k = \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) g'(\xi_k) \Delta x_k + \sum\limits_{k=0}^{n-1} f(\xi_k) (g'(\xi'_k) - g'(\xi_k)) \Delta x_k $.

Первое слагаемое правой части в пределе дает $\int\limits_a^b f(x) g'(x) dx $. Рассмотрим вторую часть:

За счет равномерной непрерывности $g'$, если $\operatorname{rang} \tau < \delta $ и $\xi_k, \xi'_k \in [x_k, x_{k+1}]$, то $
[math]\triangleleft[/math]

Оценка коэффициентов Фурье функции ограниченной вариации

В качестве применения этой теоремы оценим коэффициенты Фурье $2\pi$-периодической функции $f \in \bigvee(0, 2\pi)$. Так как $f$ представима в виде разности двух монотонных, монотонные интегрируемы по Риману и произведение интегрируемых интегрируемо, то $f(x) \cos (nx) dx$ интегрируема по Риману.

$a_n(f) = \frac{1}{\pi} \int\limits_{-\pi}^{\pi} f(x) \cos(nx) dx = \\ \frac{1}{\pi n} \int\limits_{-\pi}^{\pi} f(x) d sin(nx) = \frac{1}{\pi n} \left( f(x) \sin(x) \bigl |^{\pi}_{-\pi} - \int\limits_{-\pi}^{\pi} sin(nx) df \right) $ Первое слагаемое после подстановки обнуляется, второе слагаемое оценим сверху как $\bigvee\limits_{-\pi}^{\pi}(f)$. Итак, получили: $|a_n(f)| \le \frac{1}{\pi n} \bigvee\limits_{-\pi}^{\pi}(f)$. Аналогичный результат можно получить для $b_n$.

</wikitex>

<<>>