黎曼积分
牛顿和莱布尼茨在 17 世纪发明了积分学,但很长时间里,没有人在意精确地定义积分到底是什么。对于普通的函数,积分就是导数的逆运算,或者曲线下的面积,这就够了。
奇怪的函数 19 世纪初,情况变了。傅里叶证明,非常不规则的函数,即带有跳跃和尖角的函数,也可以写成正弦和余弦之和,而这些和的系数由积分给出。可是,对一个满是跳跃的函数求积分有什么意义呢?柯西为连续函数给出了第一个定义。黎曼的老师狄利克雷在 1829 年找到了一个根本无法积分的函数:在有理数处取 1、在无理数处取 0 的函数。
黎曼在 1854 年关于三角级数的授课资格论文中处理了这个问题。要知道哪些函数能写成傅里叶级数,他首先得确切知道哪些函数能够积分。
定义 黎曼的想法很简单。要在区间 $[a, b]$ 上对 $f$ 积分:
把区间切成小段 $[x_0, x_1], [x_1, x_2], \ldots, [x_{n-1}, x_n]$,其中 $x_0 = a$,$x_n = b$; 在每一段中任取一点 $\xi_i$; 作出以 $x_i - x_{i-1}$ 为底、$f(\xi_i)$ 为高的矩形面积之和: $$S = \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i)\,(x_i - x_{i-1}).$$如果当所有小段都变得非常窄时,这些和趋近同一个数,不论小段和点是怎样选取的,这个数就是积分:
$$\int_a^b f(x)\,dx = \lim S.$$要求点的选取无关紧要,这正是定义的核心。在下图中,改变每一段里所取的点和段数:
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哪些函数可积 黎曼还给出了一个判别法。在每一段中,函数在一个最小值和一个最大值之间变化,两者之差就是函数在这一段上的振幅。如果各段的振幅乘以宽度之和可以要多小就有多小,函数就是可积的。所有连续函数都能通过这个检验,许多有跳跃的函数也能:只要跳跃不“太多”就行。
狄利克雷函数通不过:在任何一段里,不论多小,都既有有理数又有无理数,振幅始终是 1。和是 1 还是 0,取决于所选的点,不存在唯一的极限。
有无穷多个跳跃的函数
为了展示自己定义的适用范围,黎曼构造了一个可积函数,它在所有形如 $\frac{m}{2n}$($m$ 为奇数)的有理数处都有跳跃,也就是说,跳跃点在实数中稠密。即便如此,和仍然收敛,因为跳跃越来越小。1902 年,亨利·勒贝格提出了一个更一般的定义,它连狄利克雷函数也能积分(积分为 0),并成为现代概率论的基础。但人们首先学的仍然是黎曼积分。