WIIS

1変数関数の積分

連続関数のリーマン積分可能性

目次

Mailで保存
Xで共有

連続関数のリーマン積分可能性

有界な閉区間上に定義された有界な関数がリーマン積分可能であることの意味を定義するとともに、そのような関数がリーマン積分可能であること、ないしリーマン積分可能ではないことを判定する方法について解説してきました。加えて、有界な閉区間上に定義された単調関数はリーマン積分可能であることを明らかにしました。リーマン積分可能であることが保証されるような関数は他にも存在するのでしょうか。

\(a<b\)を満たす実数\(a,b\in \mathbb{R} \)を端点とする有界な閉区間\(\left[ a,b\right] \)上に定義された関数\begin{equation*}f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が\(\left[ a,b\right] \)上において連続であるものとします。以上の条件のもとでは最大値・最小値の定理が適用可能であるため、\(f\)は\(\left[ a,b\right]\)上において最大値\(\max f\left( \left[ a,b\right] \right) \)と最小値\(\min f\left( \left[ a,b\right] \right) \)をとることが保証されます。最大値および最小値の定義より、このとき、\begin{equation*}\forall x\in \left[ a,b\right] :\min f\left( \left[ a,b\right] \right) \leq
f\left( x\right) \leq \max f\left( \left[ a,b\right] \right)
\end{equation*}が成り立つため、\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上で有界であることが保証されます。したがって、\(f\)がリーマン積分可能であるか検討できますが、実は、以上の条件を満たす関数\(f\)は\(\left[ a,b\right]\)上でリーマン積分可能であることが保証されます。

命題(連続関数の積分可能性)
\(a<b\)を満たす実数\(a,b\in \mathbb{R} \)を端点とする有界閉区間上に定義された関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)が連続関数であるならば、\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能である。
証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

例(連続関数の積分可能性)
関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)がそれぞれの\(x\in \left[ a,b\right] \)に対して定める値は、ある定数\(c\in \mathbb{R} \)を用いて、\begin{equation*}f\left( x\right) =c
\end{equation*}で表されるものとします。つまり、\(f\)は定数関数です。この関数\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上で連続であるため、先の命題より、\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能です。
例(連続関数の積分可能性)
関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \left[ a,b\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =x
\end{equation*}を定めるものとします。この関数\(f\)は\(\left[ a,b\right]\)上で連続であるため、先の命題より、\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能です。
例(連続関数の積分可能性)
関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \left[ a,b\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =x^{2}
\end{equation*}を定めるものとします。この関数\(f\)は\(\left[ a,b\right]\)上で連続であるため、先の命題より、\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能です。

 

リーマン積分可能な関数の連続性

先の命題はリーマン積分可能であるための十分条件であり、必要条件ではありません。つまり、区間上でリーマン積分な関数がその区間上で連続であるとは限りません。以下の例より明らかです。

例(連続ではないリーマン可能な関数)
関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ 0,1\right] \rightarrow \mathbb{R} \)はそれぞれの\(x\in \left[ 0,1\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =\left\{
\begin{array}{cc}
1 & \left( if\ x=0\right) \\
0 & \left( if\ x\not=0\right)
\end{array}\right.
\end{equation*}を定めるものとします。この関数\(f\)は点\(0\)において連続ではないため\(\left[ 0,1\right] \)上で連続ではありません。その一方で、この関数\(f\)は\(\left[ 0,1\right] \)上で単調減少であるためリーマン積分可能です。

ただし、区間上に定義された関数がリーマン積分可能である場合、その関数はその区間上の無限個の点において連続であることは保証されます。

命題(リーマン積分可能な関数の連続性)
\(a<b\)を満たす実数\(a,b\in \mathbb{R} \)を端点とする有界閉区間上に定義された関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)が\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能であるならば、\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上の無限個の点において連続である。
証明

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

 

演習問題

問題(連続関数のリーマン積分可能性)
\(a<b\)を満たす実数\(a,b\in \mathbb{R} \)を端点とする有界閉区間上に定義された関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)がそれぞれの\(x\in \left[ a,b\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =x^{3}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能であることを示してください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(連続関数のリーマン積分可能性)
\(a<b\)を満たす実数\(a,b\in \mathbb{R} \)を端点とする有界閉区間上に定義された関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)がそれぞれの\(x\in \left[ a,b\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =e^{x}
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能であることを示してください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

問題(連続関数のリーマン積分可能性)
\(0<a<b\)を満たす実数\(a,b\in \mathbb{R} \)を端点とする有界閉区間上に定義された関数\(f:\mathbb{R} \supset \left[ a,b\right] \rightarrow \mathbb{R} \)がそれぞれの\(x\in \left[ a,b\right] \)に対して、\begin{equation*}f\left( x\right) =\ln \left( x\right)
\end{equation*}を定めるものとします。\(f\)は\(\left[ a,b\right] \)上でリーマン積分可能であることを示してください。
解答を見る

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録

関連知識

Mailで保存
Xで共有

質問とコメント

プレミアム会員専用コンテンツです

会員登録

有料のプレミアム会員であれば、質問やコメントの投稿と閲覧、プレミアムコンテンツ(命題の証明や演習問題とその解答)へのアクセスなどが可能になります。

ワイズのユーザーは年齢・性別・学歴・社会的立場などとは関係なく「学ぶ人」として対等であり、お互いを人格として尊重することが求められます。ユーザーが快適かつ安心して「学ぶ」ことに集中できる環境を整備するため、広告やスパム投稿、他のユーザーを貶めたり威圧する発言、学んでいる内容とは関係のない不毛な議論などはブロックすることになっています。詳細はガイドラインをご覧ください。

誤字脱字、リンク切れ、内容の誤りを発見した場合にはコメントに投稿するのではなく、以下のフォームからご連絡をお願い致します。

プレミアム会員専用コンテンツです
ログイン】【会員登録