如何簡單地理解Lebesgue積分以及計算運用,能舉出具體例子最好?

時間 2021-05-11 15:06:25

1樓:yuyu

最近在看測度論,所以來回答一下題主的問題。文字加黑表示是數學術語

我們先從Riemann積分開始

Riemann積分中「簡單」一類的函式是逐段常值(piecewise constant)的函式, 可以容易進行積分。

逐段常值的函式直觀上就說階梯函式,定義如下

定義1(逐段常值函式) 設是有界區間,並設是函式,如果存在的乙個分法使得關於是逐段常值的(即對於每個,在都是常值的),那麼我們就說在上式逐段常值的。

比如函式

是逐段常值的函式,因為它在關於的分法{}}上是逐段常值的

對於逐段常值的函式,我們定義逐段常值積分

其中是任意分法,而在是關於逐段常值,為在上的值,為區間的長度,可以證明上式的值與分法無關。

比如,如下定義的函式

使用逐段常值積分,我們可以當以在有界區間上有界函式的Riemann積分

定義2(Riemann積分) 設是定義在有界區間上的有界函式,定義在的上Riemann積分

下Riemann積分

如果,我們就說在上Riemann可積並且定義Riemann積分

如果上Riemann積分和下Riemann積分不相等,我們就說不是Riemann可積的。

使用這一定義計算函式的Riemann積分比較困難,我們一般使用微積分第二基本定理來計算Riemann積分。

(微積分第二基本定理) 設是實數,並設是Riemann可積函式,如果是的乙個原函式(即),那麼

一大類函式有界函式都是Riemann可積的(比如連續函式,單調函式),但存在有界函式,它不是Riemann可積的。

比如設,,那麼是有界的,但不是Riemaa可積的,因為它的上Riemann積分,而下Riemann積分

Lebesgue積分可以看成是Riemann積分的完備化,因為

Lebesgue積分延伸了Riemann積分,每個Riemann可積的函式都是Lebesgue可積的,且積分一致。

每乙個Lebesgue可積的函式都能夠被更好的函式逼近,比如Riemann可積的函式或者連續函式。

Lebesgue積分是從簡單函式開始定義的,並且可以統一處理一維和高維的情形。

定義3(簡單函式). 設 是正整數,乙個簡單函式是有限個Lebesgue可測集的指示函式的線性組合

這裡是自然數,是實數。

乙個非負簡單函式的定義是類似的,但在中取值而不是在中。

定義4(非負簡單函式的Lebesgue積分). 如果是乙個非負簡單函式,積分定義為

這裡 是 上的Lebesgue測度。因此在中取值。

定義5. 設是非負函式(不必可測),我們定義的下Lebesgue積分

我們也可以定義的上Lebesgue積分

但我們很少使用這個積分,注意這兩個積分都在中取值,並且上Lebesgue積分大於或等於下Lebesgue積分。

定義6(非負可測函式的Lebesgue積分) 如果是可測的,我們定義的Lebesgue積分等於它的下Lebesgue積分。(對於不可測的函式,我們不定義它的Lebesgue積分)

乙個可測函式說是絕對可積的如果積分

是有限的。

定義7 (可測函式的Lebesgue積分) 如果是絕對可積的,我們定義的Lebesgue積分

這裡是的正部和負部。

乙個例子就是Dirichlet函式

的Lebesgue積分, 是乙個簡單函式,根據定義3,它的Lebesgue積分等於 。

2樓:孫旭東

周民強的《實變函式》中有個很形象的例子:

先看離散的情況

假設有一疊錢,依次編號為,第i張錢的面值為

現在要計算錢的總額。

Riemann的做法是將依次相加,即

Lebesgue的做法是先把錢按面值進行分類:把面值為1分的錢的下標集記為,其張數為,2分的記為,……

最後看起來Lebesgue的方法複雜很多(事實如此),但我們來看(近似)連續的情形。

現在有一疊錢,比如有1000公尺厚。一張張數太費勁,此時Riemann的做法是:

先將這一疊錢劃分為很多的小份,然後他在每一小份裡隨機抽一張,乘以這份的張數。

Riemann認為,這個數就是這小份錢的近似值,其和就是整疊錢的近似值。

顯然,這是很不負責的行為。乙份錢中可以有1分的也可以有一元的,抽中不同的作為近似相差很大。這個時候Riemann計算的結果不靠譜(使用Riemann的方法算兩次可能會得到相差很遠的結果),稱這樣的函式f不是Riemann可積的。

比如Dirichlet函式,是Lebesgue可積但不是Riemann可積的。

3樓:zero

lebesgue積分理論重要性是把積分概念推廣到了很大範圍的函式上,為理論研究提供了基礎和方便,但它的構建過程顯然不是計算友好的

實在要說例子,比如你可以算算[0,1]上的Dirichlet函式……

一般來說,常見函式都是Riemann可積的,它的lebesgue積分就是通過Riemann積分算出來的

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