达布可积的两种等价表述

如果想说$[a,b]$上的有界函数$f$是达布可积的,存在两种等价表述方式:

  1. $\forall\epsilon>0$,存在$[a,b]$上的一分划$P$,对于它必有$U(f,P)-L(f,P)<\epsilon$。
  2. $\forall\epsilon>0$,存在对应的$\delta>0$,使得对于任何模长$|P|<\delta$的划分$P$,必有$U(f,P)-L(f,P)<\epsilon$。

区别所在,就是前者说“存在一个分划,对于它必有...”,而后者说“存在一个$\delta>0$,对于模长小于$\delta$的分划,必有...”。在质上,一个断言存在分划,一个断言存在实数$\delta$,不同分划都要被该实数度量;在量上,前者断言存在一个分划成立,另一个则断言满足条件的所有分划成立。此处我想给出一种直观。


为什么成立?

第一种定义

达布可积被定义为“达布上和的下确界与下达布和的上确界相等”。确界这个词只有对集合才成立,而当我们谈“达布上下和的集合”时,谈的是无穷的分划对应的达布和集合。所谓达布上下和,又可以说是分别从“有余”和“不足”两个方面来粗放地描述函数和,画画图就能看出来。再就是,你可以想象一下,在无穷的分划中间是不是恰好有那么个分划,细到刚刚好的地步,使得它,这个分划,所对应的达布上下和之差小于那给定的正实数 $\epsilon$。如果真有这么个分划,那达布上下和的确界必须要同一——如果不同一,那它们之间天然就有差距,必然有$U>L$。那么随手取的一个$\epsilon:=\frac{U-L}{2}$,都是它们永远无法逾越的界限。

我们想要拿到手的式子是:
$$U(f,P)-L(f,P) < \epsilon$$

如上文所述的分划$P$之存在,既然和上下确界同一息息相关,就可以考虑用数学的语言把它们勾连在一起。承接上式,写一个:
$$\epsilon = U(f)+\frac{\epsilon}{2}-( L(f)-\frac{\epsilon}{2})$$

这样的形式令人想到确界的等价定义,故有:

存在$P_1$,使得$U(f,P_1)<U(f)+\frac{\epsilon}{2}$;存在$P_2$,使得$L(f,P_2)>L(f)-\frac{\epsilon}{2}$。

我们愿意把它们写成类似$U-L$的样式,看看能不能得到什么新的启发:

$U(f,P_1)-L(f,P_2)$ $<$ $U(f)-L(f)+\epsilon$ $=\epsilon$

这式子看起来和我们想要拿到手的差不多了,不过$P_1$、$P_2$是两个分划。如果这两个分划能变成一个分划就好了,这一个分划要是存在,肯定是因为达布和的某些性质,同$P_1$、$P_2$。

又,达布和有一个性质:
$P\subseteq Q$,$L(f,P)\leq L(f,Q)\leq U(f,Q)\leq U(f,P)$
确实,如果你从“不足”处来考察达布和,考察得越细($P\subseteq Q$,Q是更细的划分),“不足”就越少,它越大($L(f,P)\leq L(f,Q)$),也越接近真实的函数值的和;从“有余”来考虑也是同样一个道理。

这个性质的关键在“包含”二字上,这个性质如果要利用起来,$P_1$ 、 $P_2$都得“包含”在什么东西里面。随手就能造出来的一个类似东西是$P_1\cup P_2$。令其为$P$,看看能得出什么。

$U(f,P)-L(f,P)$ $\leq$ $U(f,P_1)-L(f,P_2)$
$$U(f,P)-L(f,Q)<\epsilon$$

这就是我们要找的东西。

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