Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости

Теорема 6.2. (Необходимое условие интегрируемости функции). Если функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru интегрируема на некотором отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru , то она ограничена на этом отрезке.

Доказательство. Предположим противное, что функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru неограниченна, но интегрируема на отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . Пусть T разбиение отрезка интегрирования. Тогда на одном из отрезков разбиения Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru функция неограниченна и за счет выбора промежуточной точки Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru из этого отрезка разбиения слагаемое Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru , а, следовательно, и вся интегральная сумма, может быть сделано сколь угодно большим по модулю. Поэтому интегральные суммы такой функции не имеют предела, что противоречит исходному утверждению.

Конец доказательства.

Из теоремы 6.2. следует, неограниченные на отрезках функции не интегрируемы. Но условие ограниченности функции не является достаточным. Приведем пример ограниченной, но не интегрируемой функции.

Пример 6.1. (Функция Дирихле). На отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru определена функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru так, что Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru , если х иррационально, и Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru , если х рационально. Покажем, что эта функция не интегрируема по Риману, хотя она, очевидно, ограничена. Действительно, возьмем произвольное разбиение отрезка Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru и составим интегральную сумму Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . Если на отрезках разбиения Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru выбрать рациональные значения Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru , то интегральные суммы для произвольного разбиения равны 0. Если на отрезках разбиения Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru выбрать иррациональные значения Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru , то интегральные суммы для произвольного разбиения равны Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . Следовательно, такие интегральные суммы не имеют предела.

Конец доказательства.

Теорема 6.3. Если определенная и ограниченная на отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru имеет счетное (конечное или бесконечное) число точек разрыва, то она интегрируема на этом отрезке.

Эта теорема приводится без доказательства. Отметим, что функция Дирихле ограничена, но имеет разрыв 1-го рода в каждой точке отрезка Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . Так как множество чисел отрезка Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru несчетно, то функция Дирихле не удовлетворяет условиям теоремы 6.3. Из теоремы 6.3. следует ряд важных следствий.

Следствие 6.1. Непрерывная на отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru интегрируема на этом отрезке.

Следствие 6.2. Кусочно-непрерывная на отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru интегрируема на этом отрезке.

Приведем еще один класс интегрируемых функций.

Теорема 6.4. Монотонная на отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru интегрируема на этом отрезке.

Эта теорема приводится без доказательства.

Замечание 6.1. Монотонная на отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru ограничена на этом отрезке значениями Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . Следовательно, монотонные функции на отрезках удовлетворяют необходимым условиям интегрируемости (теорема 6.2).

Конец замечания.

Замечание 6.2. Отметим без доказательства, что монотонная на отрезке Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru функция Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru может иметь только счетное (конечное или бесконечное) число точек разрыва первого рода. По этой причине монотонные функции на отрезках удовлетворяют достаточным условиям интегрируемости (теорема 6.3).

Конец замечания.

Рассмотрим теперь геометрический смысл определенного интеграла. Пусть T произвольное разбиение отрезка Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru и Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . На каждом отрезке разбиения построим прямоугольник, высота которого равна наименьшему значению функции на этом отрезке. Очевидно, что полученная фигура будет вписана в соответствующую криволинейную трапецию. Обозначим площадь вписанной ступенчатой фигуры Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . Аналогично можно построить описанную ступенчатую фигуру, выбирая на каждом отрезке разбиения высоту, равную максимальному значению функции на отрезке разбиения. Ее площадь обозначим через Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru . В зависимости от разбиения T значения Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru и Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru будут меняться. Если максимальное значение Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru равно минимальному значению Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru , то S называют площадью плоской фигуры. Можно показать, что если Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru и интегрируема, то криволинейная трапеция, соответствующая функции Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru имеет площадь Вопрос 6.2. Необходимые и достаточные условия интегрируемости - student2.ru .

Наши рекомендации