Wykłady... b i a i. i=1. m(d k ) inf

Podobne dokumenty
Wykłady ostatnie. Rodzinę P podzbiorów przestrzeni X nazywamy σ - algebrą, jeżeli dla A, B P (2) A B P, (3) A \ B P,

Rachunek różniczkowy i całkowy w przestrzeniach R n

7 Twierdzenie Fubiniego

8 Całka stochastyczna względem semimartyngałów

Całka podwójna po prostokącie

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

Teoria miary. WPPT/Matematyka, rok II. Wykład 5

Całki podwójne. Definicja całki podwójnej. Jacek Kłopotowski. 25 maja Katedra Matematyki i Ekonomii Matematycznej

Ciągłość funkcji f : R R

zbiorów domkniętych i tak otrzymane zbiory domknięte ustawiamy w ciąg. Oznaczamy

Definicja odwzorowania ciągłego i niektóre przykłady

F t+ := s>t. F s = F t.

A i. i=1. i=1. i=1. i=1. W dalszej części skryptu będziemy mieli najczęściej do czynienia z miarami określonymi na rodzinach, które są σ - algebrami.

Teoria miary i całki

Całki niewłaściwe. Całki w granicach nieskończonych

n=0 Dla zbioru Cantora prawdziwe są wersje lematu 3.6 oraz lematu 3.8 przy założeniu α = :

Wykład 10. Stwierdzenie 1. X spełnia warunek Borela wtedy i tylko wtedy, gdy każda scentrowana rodzina zbiorów domkniętych ma niepusty przekrój.

jest ciągiem elementów z przestrzeni B(R, R)

Rozdział 6. Ciągłość. 6.1 Granica funkcji

Wykład 21 Funkcje mierzalne. Kostrukcja i własności całki wzglȩdem miary przeliczalnie addytywnej

Rodzinę F złożoną z podzbiorów zbioru X będziemy nazywali ciałem zbiorów, gdy spełnione są dwa następujące warunki.

Wykłady z Matematyki stosowanej w inżynierii środowiska, II sem. 2. CAŁKA PODWÓJNA Całka podwójna po prostokącie

1 Przestrzenie metryczne

Robert Kowalczyk. Zbiór zadań z teorii miary i całki

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

7. Miara, zbiory mierzalne oraz funkcje mierzalne.

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Rodzinę spełniającą trzeci warunek tylko dla sumy skończonej nazywamy ciałem (algebrą) w zbiorze X.

Ekstrema globalne funkcji

f(t) f(x), D f(x) = lim sup t x oraz D f(x) = lim inf

Temperatura w atmosferze (czy innym ośrodku) jako funkcja dł. i szer. geogr. oraz wysokości.

1 Relacje i odwzorowania

Zadania do Rozdziału X

1. Struktury zbiorów 2. Miara 3. Miara zewnętrzna 4. Miara Lebesgue a 5. Funkcje mierzalne 6. Całka Lebesgue a. Analiza Rzeczywista.

Rozdział 4. Ciągi nieskończone. 4.1 Ciągi nieskończone

1 Zbiory. 1.1 Kiedy {a} = {b, c}? (tzn. podać warunki na a, b i c) 1.2 Udowodnić, że A {A} A =.

1 Działania na zbiorach

Korzystając z własności metryki łatwo wykazać, że dla dowolnych x, y, z X zachodzi

Matematyka dyskretna. Andrzej Łachwa, UJ, /15

Wykłady 11 i 12: Całka oznaczona

Krzysztof Rykaczewski. Szeregi

G. Plebanek, MIARA I CAŁKA Zadania do rozdziału 1 28

Rachunek całkowy funkcji wielu zmiennych

Całki powierzchniowe w R n

Matematyka I. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr zimowy 2018/2019 Wykład 12

Ciągi liczbowe wykład 3

4 Kilka klas procesów

Analiza Funkcjonalna - Zadania

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

WYKŁAD Z ANALIZY MATEMATYCZNEJ I. dr. Elżbieta Kotlicka. Centrum Nauczania Matematyki i Fizyki

Definicja punktu wewnętrznego zbioru Punkt p jest punktem wewnętrznym zbioru, gdy należy do niego wraz z pewnym swoim otoczeniem

Ośrodkowość procesów, proces Wienera. Ośrodkowość procesów, proces Wienera Procesy Stochastyczne, wykład, T. Byczkowski,

Analiza I.2*, lato 2018

Całki krzywoliniowe wiadomości wstępne

O geometrii semialgebraicznej

Matematyka dyskretna. 1. Relacje

Teoria miary WPPT IIr. semestr zimowy 2009 Wyk lady 6 i 7. Mierzalność w sensie Carathéodory ego Miara Lebesgue a na prostej

Funkcje dwóch zmiennych, pochodne cząstkowe

Informacja o przestrzeniach Hilberta

Zadania z Analizy Funkcjonalnej I Które z poniższych przestrzeni metrycznych są przestrzeniami unormowanymi?

I. Podstawowe pojęcia i oznaczenia logiczne i mnogościowe. Elementy teorii liczb rzeczywistych.

Repetytorium z przedmiotu Miara i prawdopodobieństwo dla kierunku Informatyka 2003/2004. Adam Jakubowski

Prawdopodobieństwo i statystyka

Ciągłość funkcji jednej zmiennej rzeczywistej. Autorzy: Anna Barbaszewska-Wiśniowska

Wykład 5. Zagadnienia omawiane na wykładzie w dniu r

2 Rodziny zbiorów. 2.1 Algebry i σ - algebry zbiorów. M. Beśka, Wstęp do teorii miary, rozdz. 2 11

Rozdział 5. Szeregi liczbowe. 5.1 Szeregi liczbowe. Definicja sumy częściowej ciągu. Niech dany będzie ciąg liczbowy (a n ) n=1.

Repetytorium z przedmiotu MIARA I PRAWDOPODOBIEŃSTWO dla kierunku Informatyka 2001/2002. Adam Jakubowski

Ważną rolę odgrywają tzw. funkcje harmoniczne. Przyjmujemy następującą definicję. u = 0, (6.1) jest operatorem Laplace a. (x,y)

Lista zagadnień omawianych na wykładzie w dn r. :

Analiza matematyczna 1 - test egzaminacyjny wersja do ćwiczeń

Przykładami ciągów, które Czytelnik dobrze zna (a jeśli nie, to niniejszym poznaje), jest ciąg arytmetyczny:

Rozdział 9. Funkcja pierwotna. 9.1 Funkcja pierwotna

Notatki z Analizy Matematycznej 2. Jacek M. Jędrzejewski

EGZAMIN PISEMNY Z ANALIZY I R. R n

Elementy Teorii Miary i Całki

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

OPIS MODUŁ KSZTAŁCENIA (SYLABUS)

Matematyka i Statystyka w Finansach. Rachunek Różniczkowy

(b) Suma skończonej ilości oraz przekrój przeliczalnej ilości zbiorów typu G α

12. Wykład 12: Algebraiczne domkniecie ciała. Wielokrotne pierwiastki wielomianów. Rózniczkowanie wielomianów. Elementy rozdzielcze.

Prognozowalne kryterium całkowalności według A. N. Shiryaeva i A. S. Cherny ego Joanna Karłowska-Pik. Historia

Wykład 8. Informatyka Stosowana. 26 listopada 2018 Magdalena Alama-Bućko. Informatyka Stosowana Wykład , M.A-B 1 / 31

O pewnych klasach funkcji prawie okresowych (niekoniecznie ograniczonych)

granicą ciągu funkcyjnego (f n ) n N W symbolicznym zapicie fakt, że f jest granicą ciągu funkcyjnego (f n ) n N możemy wyrazić następująco: ε>0 N N

Przestrzenie metryczne. Elementy Topologii. Zjazd 2. Elementy Topologii

Zdzisław Dzedzej. Politechnika Gdańska. Gdańsk, 2013

Maciej Grzesiak Instytut Matematyki Politechniki Poznańskiej. Całki nieoznaczone

28 maja, Problem Dirichleta, proces Wienera. Procesy Stochastyczne, wykład 14, T. Byczkowski, Procesy Stochastyczne, PPT, Matematyka MAP1126

6. Zmienne losowe typu ciagłego ( ) Pole trapezu krzywoliniowego

Uwaga 1.2. Niech (G, ) będzie grupą, H 1, H 2 < G. Następujące warunki są równoważne:

020 Liczby rzeczywiste

Wokół nierówności Dooba

229. Całki niewłaściwe Lebesgue'a w przestrzeni euklidesowej

Pojęcie szeregu nieskończonego:zastosowania do rachunku prawdopodobieństwa wykład 1

26 marzec, Łańcuchy Markowa z czasem ciągłym. Procesy Stochastyczne, wykład 7, T. Byczkowski, Procesy Stochastyczne, PPT, Matematyka MAP1136

Zadania z Analizy Funkcjonalnej I Które z poniższych przestrzeni metrycznych są przestrzeniami unormowanymi?

Transkrypt:

Wykłady... CŁKOWNIE FUNKCJI WIELU ZMIENNYCH Zaczniemy od konstrukcji całki na przedziale domkniętym. Konstrukcja ta jest, w gruncie rzeczy, powtórzeniem definicji całki na odcinku domkniętym w R 1. Przedziałem domkniętym w R m nazywamy zbiór postaci = [a 1, b 1 ] [a m, b m ]. Przypomnijmy, że podziałem odcinka I = [a, b] nazywamy rodzinę (P i ) n i=1 odcinków domkniętych takich, że (1) n π i=1 P i = I, (2) Int P i Int P j = dla i j. Niech π i Π([a i, b i ]) będzie podziałem odcinka [a i, b i ] dla i = 1,..., m. Ciąg π = (π 1,..., π m ) określa podział przedziału, którego elementami są przedziały P 1 P m, gdzie P i π i. Oznaczmy przez Π() rodzinę takich podziałów. W Π() wprowadzamy relację skierowania Miarą m() przedziału nazywamy liczbę π π jeżeli π i π i dla każdego i = 1,... m. m() = m b i a i. i=1 la ograniczonej funkcji f : R i dla podziału π = ( k ) definiujemy sumę górną i sumę dolną S(π, f) = m( k ) sup f(x) x k k S(π, f) = k m( k ) inf x k f(x). Ciąg uogólniony π S(π, f) jest malejący i ograniczony (podobnie jak w przypadku jednowymiarowym), więc zbieżny. Podobnie ciąg sum dolnych jest zbieżny. Granice tych ciągów f = lim S(π, f) = inf S(π, f) π Π() f = lim S(π, f) = sup S(π, f), π Π() nazywamy odpowiednio całką górną i całką dolną. Funkcję ograniczoną na nazywamy całkowalną w sensie Riemanna, jeżeli f = f =: f. Zbiór funkcji całkowalnych na oznaczamy R(). Twierdzenie 1. Podstawowe własności całki Riemanna, wynikające bezpośrednio z definicji: (1) Funkcja stała jest całkowalna i jeśli f(x) = c, to f = c m(). (2) Jeśli f R() i c R, to cf R() i (cf) = c (3) Jeśli f, g R(), to f + g R() i (f + g) = 1 f. f +

2 (4) Jeśli f, g R() i f g, to f OWÓ. owody tych własności całki są powtórzeniem dowodów odpowiednich własności w przypadku całki na I R. Użyteczna jest inna, równoważna definicjae całki Riemanna (odnosi się to także do przypadku m = 1). Zamiast sumy górnej i sumy dolnej bierzemy sumę S(π, (ξ i ), f) = m( k )f(ξ k ), k gdzie ξ i i jest dowolnym wyborem punktu. W zbiorze par (π, (ξ i )) wprowadzamy relację (π, (ξ i )) (π, (ξ j)) jeżeli π π. Całka jest granicą sum ze względu na tą relację. Istnienie tej granicy możemy przyjąć jako definicję całkowalności, a samą granicę jako definicję wartości całki. Taka definicja nie wymaga operowania supremum i infimum w zbiorze wartości funkcji podcałkowej, więc nadaje sie do definicji całki z funkcji o wartościach w przestrzeni Banacha. TWIERZENIE LEBESGUE W dalszym ciągu będzie mowa o własnościach całki, które można by dowodzić analogicznie jak w przypadku jednowymiarowym. Jednak zamiast tego, posłużymy się ważnym twierdzeniem Lebesque a o kryterium całkowalności. efinicja 1. Zbiór E R m ma miarę Lebesque a zero, jeżeli dla każdego ɛ > 0 istnieje ciąg przedziałów ( i ) i N taki, że E i i i i m( i) < ɛ. Wnioski. (1) Jeżeli E jest miary Lebesgue a zero i E, to jest też miary Lebesque a zero. (2) Jeżeli E i, i = 1, 2,... są miary Lebesgue a zero i = i=1e i, to jest też miary Lebesque a zero. OWÓ. owodu wymaga tylko punkt drugi. Zbiór E i jest miary Lebesgue a zero, więc dla każdego ɛ > 0 istnieją przedziały i,j takie, że E i j i,j i j m( i,j) < ɛ 2 i. Oczywiście mamy i,j i,j i m( i,j ) = i,j i jest miary Lebesgue a zero. m( i,j ) < j i ɛ 2 i = ɛ. Przykład. Brzeg przedziału domkniętego jest miary Lebesgue a zero. Twierdzenie 2. (Lebesgue a) Niech f będzie funkcją ograniczoną na przedziale domkniętym. f R() wtedy i tylko wtedy, gdy zbiór punktów nieciągłości funkcji f jest miary Lebesgue a zero. CŁK PO OWOLNYM ZBIORZE OGRNICZONYM Przypomnijmy definicję funkcji charakterystycznej χ zbioru R m : { 1, dla x χ (x) = 0, dla x. efinicja 2. Niech R m i niech f : R. Całkę f z funkcji f po zbiorze definiujemy wzorem (o ile prawa strona ma sens) f = χ f. Jeżeli całka ma sens, to mówimy, że f jest całkowalna na i piszemy f R().

Uwaga. Funkcja f nie musi być określona na całym. Wystarczy, jeżeli jest określona na. Wówczas kładziemy f = f, gdzie { f(x) dla x f(x) = 0 dla x. Oczywiście χ f = f. Twierdzenie 3. Niech. Całka f istnieje dla każdej funkcji f R() wtedy i tylko wtedy, gdy brzeg = Ā \ Int jest miary Lebesgue a zero. OWÓ. Z definicji brzegu wynika, że zbiór jest równy zbiorowi punktów nieciągłości funkcji χ więc z istnienia całki z jedności wynika, że brzeg ma miarę Lebesgue a zero. Z kolei zbiór punktów nieciągłości iloczynu fχ zawarty jest w sumie zbioru punktów nieciągłości f i zbioru punktów nieciągłosci χ. Suma dwóch zbiorów miary Lebesgue a zero jest miary Lebesgue a zero, więc zbiór punktów nieciągłości iloczynu fχ jest miary Lebesgue a zero i z Twierdzenia Lebesgue a wynika całkowalność fχ. Powyższe twierdzenie usprawiedliwia następującą definicję: efinicja 3. Zbiór R m nazywamy jordanowsko mierzalnym (J-mierzalnym), jeżeli jego brzeg jest miary Lebesgue a zero lub równoważnie, jeżeli jego funkcja charakterystyczna χ jest całkowalna na w sensie Riemanna. Całkę χ nazywamy miarą Jordana zbioru i oznaczamy m(). Twierdzenie 4. Jeżeli zbiory 1, 2 są J-mierzalne, to (1) 1 2 jest J-mierzalny, (2) 1 2 jest J-mierzalny i jeśli 1 2 =, to m( 1 2 ) = m( 1 ) + m( 2 ), (3) 1 \ 2 jest J-mierzalny i m( 1 \ 2 ) = m( 1 ) m( 1 2 ). OWÓ. Z definicji wnętrza zbioru (Int jest największym zbiorem otwartym, zawartym w ) mamy Int( 1 2 ) Int ( 1 ) Int ( 2 ) oraz Int ( 1 2 ) = Int ( 1 ) Int ( 2 ). Z kolei dla domknięć mamy relacje 1 2 = 1 2 oraz 1 2 1 2. Z definicji brzegu mamy więc Podobnie ( 1 2 ) ( 1 2 ) \ (Int ( 1 ) Int ( 2 )) ( 1 ) ( 2 ). ( 1 2 ) ( 1 2 ) \ (Int ( 1 ) Int ( 2 )) = = ( ( 1 2 ) \ Int ( 1 ) ) ( ( 1 2 ) \ Int ( 2 ) ) ( 1 ) ( 2 ). Brzegi zbiorów 1 2 i 1 2 są więc miary Lebesgue a zero. Udowodniliśmy dwa pierwsze punkty. Podobnie dostajemy mierzalność 1 \ 2. la dowolnych zbiorów 1 i 2 mamy χ 1 + χ 2 = χ 1 2 + χ 1 2. Jeżeli więc 1 2 =, to χ 1 2 = χ 1 + χ 2 i m( 1 2 ) = (χ 1 + χ 2 ) = χ 1 + χ 2 = m( 1 ) + m( 2 ), gdzie 1 2. W szczególności dostajemy m( 1 \ 2 ) = m( 1 ) m( 1 2 ). 3 Twierdzenie 5. Jeżeli brzeg zbioru jest lokalnie wykresem odwzorowania ciągłego, to jest J-mierzalny.

4 OWÓ. Wystarczy pokazać, że jeżeli mamy odwzorowanie ciągłe F : R m n R n, gdzie jest przedziałem domkniętym, to jego wykres jest miary Lebesgue a zero. (zbiór domknięty i ograniczony w R m n ) jest zbiorem zwartym, więc odwzorowanie F jest jednostajnie ciągłe. la każdego ɛ > 0 istnieje zatem δ > 0 takie, że dla każdego x = (x 1,..., x n m ) mamy F ([x δ, x + δ]) [F (x) ɛ, F (x) + ɛ], gdzie [x δ, x + δ] = [x 1 δ, x 1 + δ] [x n m δ, x n m + δ]. Zatem wykres F nad przedziałem [x δ, x + δ] jest zawarty w przedziale [x δ, x+δ] [F (x) ɛ, F (x)+ɛ], którego miara wynosi (2δ) m n (2ɛ) n. Stąd wykres F zawarty jest w sumie przedziałów, których suma miar jest mniejsza od m( ) (2ɛ) n. Możemy teraz wymienić najważniejsze własności całki Riemanna na zbiorach J-mierzalnych. Twierdzenie 6. Niech zbiory, 1, 2 R m będą J-mierzalne i niech f, g R(). Wówczas (1) Jeżeli 1, to f R( 1 ). (2) Jeżeli m() = 0, to f = 0. (3) Jeżeli = 1 2 i wnętrza 1 oraz 2 nie mają wspólnego punktu, to f = f + f. 1 2 (4) la c R mamy (f + g) = (5) f g R(). (6) Jeżeli f g, to f f + g, (cf) = c (7) f R() i f f. (8) Jeżeli g 0, m = inf x f(x) i M = sup x f(x), to dla pewnego µ [m, M] mamy fg = µ Jeżeli ponadto funkcja f jest ciągła na i zbiór jest spójny, to istnieje punkt ξ Ā taki, że fg = f(ξ) OWÓ. Niech tak jak poprzednio, { f(x), dla x f(x) = 0, dla x. (1) Punkty nieciągłości funkcji f i χ 1 tworzą zbiory miary Lebesgue a zero. To samo można więc powiedzieć o ich iloczynie. (2) Mamy inf x f(x)χ χ f supx f(x)χ, a stąd 0 = inf f(x)χ x f f. sup f(x)χ = 0. x (3) Z założeń wynika, że m( 1 2 ) = 0, więc z poprzedniego punktu i z Twierdzenia 1 f + f = f(χ 1 + χ 2 ) = fχ 1 2 + fχ 1 2 = fχ 1 2. 1 2 (4) (f + g) = ( f + g) = Podobnie dowodzimy drugą równość. f + g = f +

(5) Punkty nieciągłości funkcji f i g tworzą zbiory miary Lebesgue a zero. To samo można więc powiedzieć o ich iloczynie. (6) Jeżeli f g, to również f g i korzystamy z Twierdzenia 1. (7) f = f, więc f jest całkowalna na, a ponieważ f f f, dostajemy z poprzedniego punktu żądaną nierówność. (8) Mamy mg fg Mg, więc z poprzednio udowodnionych własności wynika, że m g fg M Jeżeli c = g = 0, to z nierówności tej fg = 0 i żądana równość zachodzi dla dowolnego µ. Jeżeli c 0, to kładąc µ = 1 fg dostajemy tezę. W przypadku funkcji c ciągłej (na całym ) jej kresy są osiągane w Ā. Ze spójności (więc i Ā) oraz z własności arboux wynika istnienie ξ. TWIERZENIE FUBINIEGO I O ZMINIE ZMIENNYCH Rozpatrywane dotychczas własności całki Riemanna nie przybliżają nas do praktyki liczenia całek wielokrotnych. Można z powodzeniem przyjąć tezę, że potrafimy liczyć jedynie całki na R 1 oraz sprowadzające się do nich. owodzone poniżej twierdzenie pokazuje, jak liczenie całek wielokrotnych sprowadza się do liczenia wielokrotnego całek jednokrotnych (mówi się o całce iterowanej). Twierdzenie 7. (Fubiniego) Niech 1 R m, 2 R n będą przedziałami i niech = 1 2. la funkcji f R() zdefiniujmy funkcje ϕ: 1 R i ψ : 1 R wzorami ϕ(x) = f(x, ), ψ(x) = 2 f(x, ). 2 Wówczas ϕ, ψ R( 1 ) i f = ϕ = 1 ψ. 1 W ten sposób liczenie całek wielokrotnych sprowadza się do liczenia całek iterowanych. Musimy jednak z góry wiedzieć, że całka istnieje, tzn. że funkcja f jest całkowalna. Twierdzenie 8. (o zamianie zmiennych) Niech O, O będą ograniczonymi obszarami w R m, niech K O będzie dziedziną skończoną a odwzorowanie Ψ: O O diffeomorfizmem klasy C 1. Wówczas dla funkcji ciągłej f : K R mamy f = f Ψ det Ψ, K K gdzie K = Ψ 1 (K). CŁKI NIEWŁŚCIWE Całka niewłaściwa (na zbiorze niezwartym) w przypadku wielowymiarowym różni się istotnie od omawianego w semestrze pierwszym przypadku jednowymiarowego. Niech U będzie obszarem niezwartym. Rodzina obszarów zwartych K, zawartych w U jest skierowana relacją zawierania. Przypuśćmy, że funkcja f : U R jest całkowalna na każdym K. Możemy zdefiniować całkę po U jako granicę ciągu uogólnionego K f. Różnica między przypadkiem jedno- i wielowymiarowym polega na tym, że w przypadku jednowymiarowym ograniczaliśmy się do specjalnych zbiorów zwartych przedziałów domkniętych. Rezultatem takiego ograniczenia ciągu uogólnionego jest istnienie funkcji całkowalnych na przedziale niezwartym, których wartości bezwzględne nie są całkowalne. W przypadku K 5

6 wielowymiarowym ograniczenie ciągu do przedziałów zwartych nie jest możliwe (nie można nimi na ogół wyczerpać obszaru niezwartego). W efekcie całkowalność funkcji pociąga za sobą jej bezwzględną całkowalność. To samo mielibyśmy w przypadku jednowymiarowym, gdyby brać granicę całek ze wzgledu nie tylko na przedziały zwarte, ale i na sumy skończone przedziałów zwartych.