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リーマン積分

ニュートンとライプニッツは十七世紀に積分法を発明したが、長いあいだ、積分とは何かを正確に定義しようと気にかける人はいなかった。ふつうの関数については、積分は微分の逆か、曲線の下の面積であり、それで十分だったのである。 奇妙な関数 十九世紀のはじめ、事情が変わった。フーリエは、飛びや角のあるきわめて不規則な関数でもサインとコサインの和で書けることを示し、その和の係数は積分で与えられた。しかし、飛びだらけの関数を積分するとはどういう意味なのか。コーシーは連続関数について最初の定義を与えた。リーマンの師ディリクレは 1829 年に、まったく積分できない関数を見つけた。有理数で 1、無理数で 0 をとる関数である。 リーマンは、三角級数についての 1854 年の教授資格論文でこの問題に取り組んだ。どの関数がフーリエ級数で書けるかを知るには、まずどの関数が積分できるのかを正確に知る必要があったのである。 定義 リーマンの考えは単純である。区間 $[a, b]$ で $f$ を積分するには 区間を $[x_0, x_1], [x_1, x_2], \ldots, [x_{n-1}, x_n]$ に切る。ただし $x_0 = a$、$x_n = b$ とする。 各小区間で任意の点 $\xi_i$ を選ぶ。 底辺 $x_i - x_{i-1}$、高さ $f(\xi_i)$ の長方形の面積の和をつくる。 $$S = \sum_{i=1}^{n} f(\xi_i)\,(x_i - x_{i-1}).$$小区間をすべてごく細くしたとき、小区間と点の選び方にかかわらず、この和がただ一つの数に近づくならば、その数が積分である。 $$\int_a^b f(x)\,dx = \lim S.$$点の選び方によらないという要求が、定義の核心である。図で、各帯で選ぶ点と帯の数を変えてみよう。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 どの関数が積分可能か リーマンは判定法も与えた。各帯で関数はある最小値と最大値のあいだを動き、その差がその帯での関数の振幅である。振幅に帯の幅を掛けて足した和をいくらでも小さくできるとき、関数は積分可能である。連続関数はすべてこの検査に合格し、飛びのある関数の多くも合格する。飛びが「多すぎ」なければよいのである。 ディリクレの関数は不合格である。どんなに小さな帯にも有理数と無理数があり、振幅はつねに 1 になる。和は選んだ点によって 1 か 0 になり、ただ一つの極限はない。

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積分記号 ∫:和から累積へ

1675 年 10 月 29 日、ライプニッツはパリで面積の問題に取り組んでいました。それまで彼は、イタリアのカヴァリエリにならって、図形のすべての線の和を表すのに omn.(ラテン語 omnia「すべて」の略)と書いていました。ページの途中で、彼はこう書きました。 omn. のかわりに ∫ と書くと便利だろう。 — ライプニッツ、1675 年 10 月 29 日の手稿 記号 $\int$ は、summa(和)の頭文字である長い S です。当時、長い s は手書きではふつうの文字でした。それ以来、この記号が取って代わられたことは一度もありません。 薄切りを足し合わせる ライプニッツの考えは、領域をごく細い縦の薄切りに分けることでした。一枚一枚はほとんど高さ $y$、幅 $dx$ の長方形で、面積は $y\,dx$。全体の面積はすべての薄切りの和です。 $$\int y\,dx.$$この記号は一度にすべてを語ります。高さ($y$)に微小な幅($dx$)を掛けたものを全部足せ($\int$)。和の範囲は下と上に書きます。$\displaystyle\int_a^b f(x)\,dx$ は $x=a$ から $x=b$ までの薄切りの和です。 この対話型の図を使うには JavaScript を有効にしてください。議論の全体は本文にあります。 「積分」と名づけたのは誰? ライプニッツは自分の発明を calculus summatorius、つまり和の計算と呼んでいました。積分(integral)という言葉は 1690 年のヤコブ・ベルヌーイの論文に現れました。ライプニッツとヨハン・ベルヌーイはどちらの名前を使うか話し合い、最終的に「積分」に落ち着きましたが、記号はライプニッツの S のままでした。 差を足し合わせると全体に戻る 伝記で紹介した、ホイヘンスがライプニッツに出した問題を覚えていますか? そこでは差の和がほとんど打ち消し合いました。 $$(F_1-F_0)+(F_2-F_1)+(F_3-F_2)+\cdots+(F_n-F_{n-1})=F_n-F_0.$$ある量の小さな変化をすべて足し合わせると、残るのは全体の変化、つまり最後の値から最初の値を引いたものだけです。ライプニッツは、無限に小さな差でも同じことが起こると気づきました。$dF=f(x)\,dx$ なら、 $$\int_a^b f(x)\,dx=\int_a^b dF=F(b)-F(a).$$言いかえれば、$\int$ と $d$ は互いを打ち消し合うのです。足し算と引き算のように。これが微積分の基本定理を、もっとも短く書いたものです。ニュートンは流率の道を通って同じ結論に達しました。

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面積と積分:流率の逆の道

曲線で囲まれた図形の面積を測ることは、数学でもっとも古い問題の一つです。紀元前 250 年ごろ、アルキメデスは放物線の切片の面積が、その中に描いた三角形の面積の $\frac43$ であることを示しました。天才的な成果ですが、いわばオーダーメイドで、新しい曲線ごとに新しいアイデアが必要でした。 17 世紀には、フェルマー、カヴァリエリ、ウォリスらが、多くの $n$ について $y=x^n$ の下の面積をすでに計算できました。欠けていたのは一般的な規則です。そしてもう一つ欠けていたのが、ニュートンとライプニッツがそれぞれのやり方でたどり着いた洞察でした。面積を求めることと変化率を求めることは、互いに逆の操作である。 面積は増えていく量 曲線 $y=f(x)$ の下で、$0$ からある点 $x$ までの面積を考え、$A(x)$ と書きます。右端を $x$ から $x+h$ まで押し広げると、面積は細い帯の分だけ増えます。 この帯はほとんど高さ $f(x)$、幅 $h$ の長方形です。したがって $$A(x+h)-A(x)\approx f(x)\cdot h\qquad\Longrightarrow\qquad\frac{A(x+h)-A(x)}{h}\approx f(x).$$帯が細いほど近似はよくなります。極限をとると、 $$A'(x)=f(x).$$ニュートンの言葉で言えば、面積の流率は曲線の高さです。面積は、高さが与える速さでちょうど増えていきます。面積を求めるには、流率が $f$ になる関数を見つければよい。つまり逆向きにたどればよいのです。 厳密にするには、帯を二つの長方形ではさみます。一つはその区間での $f$ の最小の高さ、もう一つは最大の高さをもつ長方形です。$f$ が連続なら、$h\to0$ のときどちらの高さも $f(x)$ に近づき、帯はその間にはさみ込まれます。 『解析について』の規則 1669 年、ニュートンは『解析について』(De analysi)という短い論文を書きました。その第一の規則は、今日の記号で言えば、$y=ax^{m/n}$ の下で $0$ から $x$ までの面積が $$\frac{an}{m+n}\,x^{(m+n)/n}$$であるというものです。複雑に見えますが、おなじみの規則です。$x^k$ の下の面積は $\dfrac{x^{k+1}}{k+1}$。たとえば $y=x^2$ の $0$ から $2$ まででは、 $$\int_0^2 x^2\,dx=\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2=\frac{8}{3}.$$アルキメデスなら、この数にたどり着くのに一つの証明がまるごと必要でした。この規則なら 1 行です。 面積としての対数 この規則を一般化された二項式と組み合わせて、ニュートンは誰も計算できなかった面積を求めました。双曲線 $y=\dfrac{1}{1+x}$ はべきの和になります。 $$\frac{1}{1+x}=1-x+x^2-x^3+\cdots$$あとは各べきの下の面積を項ごとに求めるだけです。 $$\int_0^x\frac{dt}{1+t}=x-\frac{x^2}{2}+\frac{x^3}{3}-\frac{x^4}{4}+\cdots$$この面積が自然対数 $\ln(1+x)$ です。$x=0.1$ とすると、4 項で $0.0953083$、正しい値は $0.0953102$ です。

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導関数と積分

『解析教程』の二年後、コーシーは『王立エコール・ポリテクニークにおける無限小計算講義要録』(1823)を出版した。四十の短い講義で、彼は微分学と積分学を極限の考えで建て直した。これは本質的に、微積分の教科書が今日でもしたがっている筋道である。 導関数 ラグランジュにとって、$f$ の導関数とは、$f(x + i)$ のべき級数における $i$ の係数だった。コーシーはそれを極限として定義した。 $$f'(x) = \lim_{i \to 0} \frac{f(x + i) - f(x)}{i}.$$$f(x) = x^2$ なら、$\frac{(x + i)^2 - x^2}{i} = \frac{2xi + i^2}{i} = 2x + i$ で、これは $2x$ に向かう。$i$ が「無限に小さい」と仮定する必要も、何かを捨てる必要もない。$i \neq 0$ で商を計算し、それがどこへ向かうかを見ればよい。 積分 それまで、積分するとはおもに原始関数を見つけることだった。積分は微分の逆だったのである。コーシーは順序を逆にし、積分を直接定義した。$f$ が $[x_0, X]$ で連続なとき、区間を点 $x_0 < x_1 < \cdots < x_n = X$ で分け、和 $$S = (x_1 - x_0) f(x_0) + (x_2 - x_1) f(x_1) + \cdots + (X - x_{n-1}) f(x_{n-1})$$をつくる。コーシーは、すべての小区間が小さくなるとき、$S$ が区間の分け方によらない極限に近づくことを証明した。この極限が積分 $\int_{x_0}^{X} f(x)\,dx$ である。三十年後、リーマンはこの定義を不連続な関数にまで広げ、各小区間で任意の点を選べるようにした。

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古典的確率とガウス積分

数学的な確率は賭けごとから、1654 年のパスカルとフェルマーの往復書簡から始まり、ヤコブ・ベルヌーイの大数の法則で最初の大定理を得た。ラプラスはそれを完全な理論に仕立てた。このテーマについての彼の最初の論文は 1774 年のものである。1812 年の『確率の解析的理論』は四十年近い研究を集大成し、1814 年の『確率の哲学的試論』はそのすべてを数式なしで一般の人びとに説明した。 『確率の哲学的試論』1840 年版の扉。Pierre-Simon Laplace · Wikimedia Commons · パブリックドメイン 古典的な定義 偶然の理論とは、同じ種類のすべての事象を、同じ程度に可能な、すなわちそれが起こるかどうかについて私たちが同じ程度に決めかねているような、ある数の場合に帰着させ、確率を求めている事象に有利な場合の数を定めることにある。 — ピエール=シモン・ラプラス『確率の哲学的試論』(1814) 学校で習う定義である。 $$P = \frac{\text{有利な場合の数}}{\text{可能な場合の数}}.$$微妙なのは「同じ程度に可能な」という言葉である。サイコロを二つ振ると、目の和は 2 から 12 まで 11 通りあるが、それらは同じ程度に起こりやすいわけではない。同じ程度に可能な場合は、(一つ目、二つ目)の 36 通りの組である。和が 7 になるのはそのうち (1, 6) から (6, 1) までの 6 通りで、確率は $\frac{6}{36} = \frac{1}{6}$ である。和が 2 になるのは (1, 1) だけで、確率は $\frac{1}{36}$ である。 e の −x² 乗の積分 多くの偶然の和を研究するなかで、ラプラスは統計学のいたるところに現れる積分を必要とした。 $$\int_{-\infty}^{\infty} e^{-x^2}\,dx = \sqrt{\pi}.$$アブラーム・ド・モアブルは 1733 年にすでにこの結果を数値の形で使っていたが、証明したのは 1774 年のラプラスである。いちばん美しい証明はひとつの工夫による。積分 $I$ を直接求めるかわりに、平面上の積分になる $I^2$ を求めるのである。

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複素平面上の積分

十八世紀の終わり、オイラーとラプラスは、むずかしい実積分を大胆な技で計算していた。実変数を複素変数に置きかえ、計算をしてから実数に戻るのである。ラプラスはこれを「実から虚への移行」とよんだ。結果は合っていたが、この技がいつ正当なのかは誰にも言えなかった。この問いに答えるために、25 歳のコーシーは 1814 年、定積分についての論文をアカデミーに提出した。それが出版されたのは 1827 年で、しかもそれはほんの始まりにすぎなかった。 平面で微分できる関数 複素関数 $f(z)$($z = x + iy$)は、$f = u + iv$ と書ける。ここで $u$ と $v$ は $x$ と $y$ の実関数である。$f$ が複素の意味で導関数をもつには、$u$ と $v$ がコーシー=リーマンの方程式をみたさなければならない。 $$\frac{\partial u}{\partial x} = \frac{\partial v}{\partial y}, \qquad \frac{\partial u}{\partial y} = -\frac{\partial v}{\partial x}.$$この方程式はダランベールとオイラーにすでに現れていた。コーシーはそれを理論の中心にすえ、三十年後にリーマンはそれを出発点にした。$f(z) = z^2 = (x^2 - y^2) + i\,(2xy)$ では、$u_x = 2x = v_y$、$u_y = -2y = -v_x$ である。 積分定理 1825 年、コーシーは『虚数の限界のあいだでとった定積分についての論文』を出版した。平面上の点 $z_0$ から点 $z_1$ まで積分するには、二点を結ぶ道を選ばなければならない。中心となる定理は、道は関係ないというものである。ただし、一方の道を他方に変形するときに掃く領域で、関数が有限かつ連続でありつづけるかぎりにおいてである。別のいい方をすれば、やっかいな点のまわりをまわらない閉じた曲線にそった積分はゼロになる。

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基本定理:d と ∫ が打ち消し合うとき

微積分以前、接線と面積は関係のない二つの問題だった。曲線の接線を見つけるのは一つの技であり、その下の面積を見つけるのは別の技だった。17 世紀の大発見は、アイザック・バロー、ニュートン、ライプニッツによる、一方が他方の逆であるという発見だった。これが微積分の基本定理であり、ライプニッツの記法はそれをほとんど当たり前のように書く。 ライプニッツ:和と差のように ライプニッツは $\int$ を和、$d$ を差と考えた。差を足し合わせると差が打ち消される。階段の段差を足せば全体の高さになるのと同じである。彼は、$\int$ と $d$ は「ふつうの計算でのべきと根のように」互いに逆であると書いた。記号では $$d\!\int y\,dx=y\,dx,\qquad\int dy=y.$$$d$ と $\int$ は、$+3$ と $-3$ のように「打ち消し合う」。最も強い意味での能動的な記法である。微積分で最も重要な定理が、式を簡単にする規則として現れるのだ。 現代の書き方での二つの半分 今日、この定理は二つの部分に分けて書かれる。 第一部:面積を微分する。 $A(x)=\displaystyle\int_a^x f(t)\,dt$ を $a$ から $x$ までに積み重なった面積とすると、 $$\frac{d}{dx}\int_a^x f(t)\,dt=f(x).$$面積が増える速さは、今いる点での曲線の高さである。積分のなかの文字が $x$ ではなく $t$ であることに注意しよう。$x$ はすでに上端として使われている。$\int_a^x f(x)\,dx$ と書けば、第3章の変数の捕獲という誤りになる。 第二部:導関数を積分する。 $F'=f$ なら $$\int_a^b f(x)\,dx=F(b)-F(a)=\Big[F(x)\Big]_a^b.$$上端と下端のついた括弧は、つなぎの記法である。数を代入するまでのあいだ $F$ を保っておく。これを使えば、前の文章で無限に多くの長方形を必要とした面積が、一行で出てくる。 $$\int_0^2x^2\,dx=\left[\frac{x^3}{3}\right]_0^2=\frac83-0=\frac83.$$記法が隠しているもの $d$ と $\int$ の打ち消し合いは完全ではない。不定積分では $$\int\frac{dF}{dx}\,dx=F(x)+C$$となり、打ち消し合いが予告しない定数 $C$ が現れる。微分は定数を消してしまい、積分はどの定数を返せばよいかを知らない。$+C$ を忘れるのは微積分の授業で最もよくある誤りであり、その源は記号論的である。記法は完全な逆を示唆しているのに、実際には定数の違いを除いた逆しかないのである。 教授職を退いたバロー ケンブリッジでニュートンの先生だったアイザック・バローは、1670 年、図形だけを使い代数的な記号をまったく使わない基本定理の幾何学版を発表した。定理はそこにあったが、幾何学のなかに深く隠れていて、その重要性に気づく人はほとんどいなかった。その少し前の 1669 年、バローは教授職をニュートンに譲っていた。同じ考えが、$d$ と $\int$ で書かれると一つの理論の心臓になり、図形で書かれると数ある命題の一つにとどまったのである。 練習:上端が動く面積を微分する$\dfrac{d}{dx}\displaystyle\int_0^{x^2}\cos t\,dt$ を計算せよ。 $A(u)=\int_0^u\cos t\,dt$ とおくと、$A'(u)=\cos u$。式は $A(x^2)$ なので、連鎖律により導関数は $A'(x^2)\cdot2x=2x\cos(x^2)$。第二部で確かめると、$\int_0^{x^2}\cos t\,dt=\sin(x^2)$ で、その導関数は $2x\cos(x^2)$ である。

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積分を記号ごとに読む

式 $$\int_0^2 x^2\,dx$$には五つの部品がある。記号 $\int$、数 $0$ と $2$、関数 $x^2$、そして $dx$。それぞれが別の仕事をし、それぞれにいわれがある。第1章では、アルキメデスの取り尽くし法から積分への道のりを語った。ここでは、新しい言語の文を読むように、積分をゆっくり読んでいく。 五つの部品からなる文 $\int$ は、和を意味する summa の S を縦に伸ばしたものである。ライプニッツが 1675 年 10 月 29 日の手稿で初めて書いた。奇妙なしかたで類像的な記号である。面積に似ているのではなく、面積がどうつくられるかを述べる言葉に似ているのだ。 下端と上端の $0$ と $2$ は、どこからどこまで足すかを言う。これはライプニッツのものではない。1820 年ごろ、フランスのジョゼフ・フーリエが記号にくっつけて書きはじめた。それまでは、横にことばで書かれていた。 関数 $x^2$ は各帯の高さである。 $dx$ は各帯の幅で、無限に細い。そしてどの文字が変わるかのしるしでもある。$dt$ と書いてあれば、変数は $t$ である。 文字 $x$ は束縛された文字である。$\int_0^2x^2\,dx$ と $\int_0^2t^2\,dt$ は同じ値である。結果の $\frac83$ は $x$ によらない。 全体として、この文は言う。$0$ から $2$ までのすべての $x$ について、高さ $x^2$ に幅 $dx$ をかけたものを足し合わせよ。 記号の背後にある和 この読み方は比喩ではない。無限に細い幅 $dx$ を本物の幅 $\Delta x$ に、$\int$ を和を表すギリシア文字 $\Sigma$ に替えれば、積分は長方形の面積の和、リーマン和になる。 $$\sum_{i=1}^{n}f(x_i)\,\Delta x\;\longrightarrow\;\int_a^b f(x)\,dx.$$記法はここでも第2の文章と同じことをしている。極限に移っても形が保たれるのである。$\Sigma$ は $\int$ に、$\Delta x$ は $dx$ に、$f(x_i)$ は $f(x)$ になる。有限の和がわかる人は、積分を苦もなく読める。

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取りつくし法から積分へ:Σ、∫、そして π

長方形の面積を求めるのは簡単です。底辺かける高さ。三角形もそうです。その半分です。困るのは、図形が曲がっているときです。円を小さな正方形でしきつめようとしても、どうしてもはみ出すか足りない部分が出ます。二千年にわたって、数学者たちはこの問題に同じ考えで立ち向かいました。曲線を、どんどん小さくなるまっすぐな図形で近似するのです。変わったのは、その考えを書く方法でした。 かこいこまれた円とアルキメデス 紀元前 250 年ごろ、シラクサで、アルキメデスは円の内側に六角形を、外側にもう一つの六角形をかきました。円周の長さは二つの六角形の周の長さのあいだにあります。それから辺の数を倍にしていきました。$12$、$24$、$48$、$96$。96 角形で、彼は次の結果にたどりつきます。 $$3\tfrac{10}{71}<\pi<3\tfrac17,$$つまり $3.1408\ldots<\pi<3.1428\ldots$ です。17 世紀の数学者たちが取りつくし法と呼んだこの方法は、曲がった図形とまっすぐな図形のちがいを「取りつくし」ます。「極限」という言葉より二千年も前の、極限の考えです。けれどもアルキメデスには、それを書く方法がありませんでした。問題ごとに、文と図で書かれた新しい議論が必要で、無限への移行は二重の背理法によって避けられていたのです。 ソロモン王の鋳物の海 聖書は、ソロモンの神殿にあった巨大な青銅の水盤をこう描いています。「彼は鋳物の海を造った。縁から縁まで十キュビト、周囲は丸く……その周りを測るには三十キュビトの縄を要した」(列王記上 7 章 23 節)。直径 $10$、円周 $30$、つまり $\pi$ は $3$ です。このサイトの以前の記事は、この測定がまちがっているのかを論じていました。この数には、もっともな説明があります。縁には厚みがあり、縄は縁の内側を回っていたのかもしれず、寸法は丸められていたのです。青銅を注文する人にとっては、$3$ は十分に役立つ $\pi$でした。 数に名前を 何世紀ものあいだ、円周と直径の比には記号がなく、「直径にかけると円周になる量」と言葉で説明されていました。1706 年、ウェールズの教師ウィリアム・ジョーンズは、ギリシア語 periphéreia(周、まわり)の頭文字 $\pi$ を使いました。オイラーが自分の本でこの文字を採用し、それが標準になりました。名前を得たことで、この数の立場は変わりました。二つの長さの関係ではなくなり、たしたり、2 乗したり、$A=\pi r^2$ のような式の中に入れたりできる対象になったのです。 ケプラーとワイン樽 1613 年、ヨハネス・ケプラーは二度目の結婚をし、祝宴のためにワインを買いました。商人は樽の口から反対側の角まで棒をさしこみ、ぬれた長さを読んで樽の容積を測っていました。すでに惑星の運動の法則を発見していたケプラーは、この方法をあやしいと思いました。形のちがう樽が、同じ対角線で、ちがう容積をもつこともありうるからです。1615 年、彼は『ワイン樽の新しい立体測定』(Nova stereometria doliorum vinariorum)を出版し、樽をごく薄い切り身に切って、その体積をたし合わせました。 二十年後、イタリアのボナヴェントゥーラ・カヴァリエーリは、この考えを不可分者として体系化しました。平面図形は無限に多くの線でできていて、立体は無限に多くの面でできている、というのです。強力で、危険な考えでした。厚さゼロのものを無限にたし合わせると、何になるのでしょうか。 積分になる和 答えはライプニッツとともにやってきました。それは何よりもまず、書き方による答えでした。$a$ と $b$ のあいだで、曲線 $y=f(x)$ の下の領域を、幅 $\Delta x$ の $n$ 個の長方形に切ります。面積はおよそ $$A\approx f(x_1)\,\Delta x+f(x_2)\,\Delta x+\cdots+f(x_n)\,\Delta x=\sum_{k=1}^{n} f(x_k)\,\Delta x.$$長方形が細いほど、近似はよくなります。極限で、幅が $0$ に近づくとき、和は $$A=\int_a^b f(x)\,dx$$になります。二つの式を並べてみてください。構造は同じです。和の記号、高さ $f$、幅。変わるのは文字です。「和」(sum)の S にあたるギリシア文字 $\Sigma$ が、ラテン文字の $\int$、引きのばされたもう一つの S になります。「差」(difference)の D にあたるギリシア文字 $\Delta$ が、ラテン文字の $d$ になります。ギリシア文字は有限を、ラテン文字は無限に小さいものを示し、一方の世界から他方への移行が、アルファベットの交代そのものに描かれているのです。このサイトの以前の記事は、これを mirabilis abbreviatio と呼んでいました。積分の書き方は、自分がどこから来たかを覚えているのです。$\int f(x)\,dx$ を見る人には、高さ $f(x)$、幅 $dx$ の長方形がまだ見えます。