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黎曼和
鎖定
- 中文名
- 黎曼和
- 外文名
- Riemann Sum
- 所屬學科
- 數學
- 提出者
- 波恩哈德·黎曼
- 提出時間
- 1853年
- 應用範圍
- 微積分
- 類 型
- 數學名詞
黎曼和定義
黎曼和黎曼積分
不太嚴格地來説,黎曼積分就是當分割越來越“精細”的時候,黎曼和趨向的極限。下面的證明中,會對“越來越‘精細’”作出嚴格的定義。
要使得“越來越‘精細’”有效,需要把趨於0。如此中的函數值才會與接近,矩形面積的和與“曲線下方”的面積的差也會越來越小。實際上,這就是黎曼積分定義的大概描述。
也就是説,對於一個函數,如果在閉區間上,無論怎樣進行取樣分割,只要它的子區間長度最大值足夠小,函數的黎曼和都會趨向於一個確定的值,那麼在閉區間上的黎曼積分存在,並且定義為黎曼和的極限,這時候稱函數為黎曼可積的。
這個定義的缺陷是沒有可操作性,因為要檢驗所有的取樣分割是難以做到的。下面引進另一個定義,然後證明它們是等價的。
另一個定義: 是函數在閉區間上的黎曼積分,當且僅當對於任意的,都存在一個取樣分割、,使得對於任何比其“精細”的分割 and ,都有:
這兩個定義是等價的。如果有一個滿足了其中一個定義,那麼它也滿足另一個。首先,如果有一個滿足第一個定義,那麼只需要在子區間長度最大值的分割中任取一個。對於比其精細的分割,子區間長度最大值顯然也會小於,於是滿足
其次證明滿足第二個定義的也滿足第一個定義。首先引進達布積分的概念,第二個定義和達布積分的定義是等價的,具體見達布積分(達布積分那一文章裏並沒有説明這個原因,來源請求)。其次我們證明達布積分的定義滿足第一個定義。任選一個分割使得它的上達布和與下達布和都與相差不超過。令等於,其中和是在上的上確界和下確界。再令是和中的較小者。可以看出,當一個分割的子區間長度最大值小於時,關於它的黎曼和與上達布和或下達布和至多相差,所以和至多相差。
黎曼和黎曼積分的性質
- 可加性:如果函數在區間和上都可積,那麼在區間上也可積,並且有
- 如果上的實函數是黎曼可積的,則它是勒貝格可積的。
- 如果是上的一個一致收斂序列,其極限為,那麼:
黎曼和黎曼積分的推廣
黎曼積分只定義在有界區間上,擴展到無界區間並不方便。可能最簡單的擴展是通過極限來定義積分,即如同反常積分(improper integral)一樣。我們可以令
不幸的是,這並不是很合適。平移不變性(如果把一個函數向左或向右平移,它的黎曼積分應該保持不變)喪失了。
我們可以嘗試定義:
此時,如果嘗試對上面的積分,我們得到,因為我們先使用了極限。如果使用相反的極限順序,我們得到。
這同樣也是不可接受的,我們要求積分存在且與積分順序無關。即使這滿足,依然不是我們想要的,因為黎曼積分與一致極限不再具有可交換性。例如,令在上,其它域上等於0。對所有,。但一致收斂於0,因此的積分是0。因此。即使這是正確的值,可看出對於極限與普通積分可交換的重要準則對反常積分不適用。這限制了黎曼積分的應用。
黎曼和人物簡介——黎曼
德國數學家。生於德國漢諾威(Hannover) 的佈雷塞倫茨(Breselenz),是牧師之子,在哥廷根 (Gottingen) 大學和梅林大學學習,1851年在哥廷根大學獲得博士學位,1854年任該大學兼職講師,1857年任副教授,1859年作為P. G. L. Dirichlet的繼承人任教授。因患肺病,英年早逝。短短一生中,在數學各個領域作出了劃時代的貢獻。最重要的貢獻有四個方面:幾何學、複變函數論、微分方程和數學分析的基本理論。他是黎曼幾何的創始人,複變函數理論創始人之一。在數學分析方面,他給積分下的標準定義,一直沿用至今,以至於這種意義下的古典積分叫作“黎曼積分”。他還對傅立葉級數理論做了許多研究,其中最著名的就是以他的名字命名的定理。黎曼對偏微分方程和常微分方程理論,特別是常微分方程的奇點理論,也都創造了一些重要的方法。黎曼還十分關注自然科學,特別是物理學。他的複變函數和微分方程研究都直接與流體力學和電磁理論相聯繫,著名的數學家克萊因曾在《19世紀數學發展講義》一書中指出:
[4]
“黎曼用他的數學才能為自然科學本身開闢新的途徑。然後又把自然科學作為形成數學中的新概念的動力”。
- 參考資料
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- 1. Shilov, G. E., and Gurevich, B. L.,. Integral, Measure, and Derivative: Dover Publications.: A Unified Approach, Richard A. Silverman, trans., 1978.
- 2. 同濟大學數學系.高等數學:高等教育出版社,2012
- 3. 周輝,李生良. 黎曼和在體積計算中的應用[J]. 信號處理,1998,(S1):76-79. [2017-10-06].
- 4. 袁益讓. 黎曼和黎曼—哈斯曼問題[J]. 山東大學學報(自然科學版),1964,(04):3-13. [2017-10-06].