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勒贝格积分

勒贝格积分
将给定的函数按函数值的区域进行划分,作和、求极限而产生的积分概念,就是勒贝格积分。

概念简述
定义:设f (x) 是E ∈ L q(mE < ∞) 上的有界函数,则称f (x) ∈ L(E) ,如果对任意ε > 0,必然存在E 的分划D,使
S(D, f ) -s(D, f ) = ΣωimEi<ε,
这里S(D, f ) 及s(D, f )分别是f (x) 关于分划D 的大和及小和,ωimEi是Ei上的振幅。

它与黎曼积分的主要区别在于前者是对函数的函数值区域进行划分;
后者是对函数定义域进行划分。

对此Lebesgue自己曾经作过一个比喻,他说:
假如我欠人家一笔钱,现在要还,此时按钞票的面值的大小分类,然后
计算每一类的面额总值,再相加,这就是Lebesgue积分思想;如不按面额大小分类,而是按从钱袋取出的先后次序来计算总数,那就是Riemann积分思想。

(参见:周性伟,实变函数教学的点滴体会,《高等理科教学》,2000.1) 即采取对值域作分划,相应得到对定义域的分划(每一块不一定是区间), 使得在每一块上的振幅都很小, 即按函数值的大小对定义域的点加
以归类。

积分介绍
积分是“和”的概念。

即将东西加起来。

所以积分早期是从面积,路
程等计算中发展起来。

比如计算面积,将X轴的区间分成若干小区间,将
小区间的高度(Y值)乘以小区间的长度,然后加起来。

用极限法就可以求得精确的面积。

这是传统的积分概念(黎曼积分)。

勒贝格从另一个角度来考虑积分概念,导致勒贝格积分和测度概念。

比如
计算面积,可以将小区间的高度(Y值)乘以对应的所有小区间的长度的和(测度),然后加起来。

又比如现有硬币:25, 25,10,5,10,1,5,25。

用黎曼积分来求和:25+25+10+5+10+1+5+25=106。

用勒贝格积分来求和:25*3+10*2+5*2+1=106。

结果是一样。

但对于一些“坏”函数,结果是不一样。

比如在X轴[0,1]闭区间上定义函数:
Y=1,当X是无理数;
Y=0,当X是有理数。

求该函数覆盖的面积。

黎曼积分无法定义,因为任意小的区间都包含无理数和有理数。

用勒贝格积分来求和: 1*1+0*0 = 1。

[0,1]闭区间的长度(测度)是1;有限点集的长度(测度)是0;无限可数点集(如,有理数)的长度(测度)是0。

而[0,1]闭区间的长度(测度) = 有理数集的长度 + 无理数集的长度。

所以,[0,1]闭区间的无理数集的长度(测度) 是1。

这就解释了上述计算结果。

由此可见,勒贝格积分比黎曼积分广义。

很多数学概念和思想就是从貌似相同的概念和思想中推导出来。

这启发我们在做研究时应从不同角度来考虑一些现有概念和理论,有时可能导致新的概念和理论。

背景知识
黎曼积分的重要推广,分析数学中普遍使用的重要工具。

19世纪的微积分学中已经有了许多直观而有用的积分,例如黎曼积分(简称R积分)、黎曼-斯蒂尔杰斯积分(简称R-S积分)等。

只要相应的函数性质良好,用这些积分来计算曲边形面积、物体重心、物理学上的功、能等,是很方便的。

然而,随着认识的深入,人们愈来愈经常地需要处理复杂的函数,例如,由一列性质良好的函数组成级数所定义出来的函数,两个变元的函数对一个变元积分后所得到的一元函数等。

在讨论它们的可积性、连续性、可微性时,经常遇到积分与极限能否交换顺序的问题。

通常只有在很强的假设下才能对这问题作出肯定的回答。

因此,在理论和应用上都迫切要求建立一种新的积分,它既能保持R积分的几何直观和计算上的有效,又能在积分与极限交换顺序的条件上有较大的改善。

1902年法国数学家H.L.勒贝格出色地完成了这一工作,建立了以后人们称之为勒贝格积分的理论,接着又综合R-S积分思想产生了勒贝格-斯蒂尔杰斯积分(简称l-S积分)。

20世纪初又发展成建立在一般集合上的测度和积分的理论,简称测度论。

勒贝格
(1875~1941)Lebesgue,Henri Lon
法国数学家。

1875年6月28日生于博韦,1941年7月26日卒于巴黎。

1894~1897年在巴黎高等师范学校学习。

1902年在巴黎大学获得博士学位,从1902年起先后在雷恩大学、普瓦蒂埃大学、巴黎大学文理学院任教。

1922年任法兰西学院教授,同年被选为巴黎科学院院士。

勒贝格的主要贡献是测度和积分理论。

他采用无穷个区间来覆盖点集,使许多特殊的点集的测度有了定义。

在定义积分时他也采取划分值域而不
是划分定义域的办法,使积分归结为测度,从而使黎曼积分的局限性得到突破,进一步发展了积分理论。

他的理论为20世纪的许多数学分支如泛函分析、概率论、抽象积分论、抽象调和分析等奠定了基础。

利用勒贝格积分理论,他对三角级数论也作出基本的改进。

另外,他在维数论方面也有贡献。

晚年他对初等几何学及数学史进行了研究。

他的论文收集在《勒贝格全集》。

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