1 積分の値が極限へ移らない例
区間の左端に、高さがnで幅がn1の部分をもつ関数を考えます。面積はnによらず1のままですが、幅が0へ縮むので、各点での値は0へ近づきます。
例 1.1 (高さが増していく関数列).n≥2とし、fn:[0,1]→Rを
fn(x)=⎩⎨⎧n0(0<x≤n1)(x=0 または n1<x≤1)と定める。fnはx=0とx=n1の二点でのみ不連続な、階段状の関数である。
命題 1.2 (各点収束しても積分の値は移らない).例 1.1の関数列について、次が成り立つ。
- 各fnは[0,1]でリーマン可積分であり、∫01fn(x)dx=1である。
- {fn}は[0,1]上で定数関数0へ各点収束する。
したがって
n→∞lim∫01fn(x)dx=1=0=∫01(n→∞limfn(x))dxである。
証明.(1)を示す。0<s<n1かつn1+s<1を満たすsを取り、分割
Ps:0<s<n1<n1+s<1を考える。各小区間におけるfnの上限と下限は次のとおりである。[0,s]では上限がn、下限が0である。[s,n1]ではfnは定数nであるから、上限も下限もnである。[n1,n1+s]では、x=n1での値がnであるから上限がn、下限が0である。[n1+s,1]では上限も下限も0である。したがって
U(fn,Ps)=ns+n(n1−s)+ns+0=1+ns,L(fn,Ps)=0+n(n1−s)+0+0=1−nsである。ε>0に対してs<2nεと取るとU(fn,Ps)−L(fn,Ps)=2ns<εであるから、§D1.17 定理 2.4によりfnは可積分である。さらに、上積分と下積分はいずれも1−ns以上1+ns以下であり、sはいくらでも小さく取ることができるから、共通の値は1である。
(2)を示す。fn(0)=0であるからx=0では収束する。0<x≤1を固定すると、アルキメデスの性質(§D1.4 命題 2.1)によりN>x1を満たす正の整数Nが存在する。n≥Nならばn1≤N1<xであるからfn(x)=0である。したがって{fn}は定数関数0へ各点収束する。
最後に、定数関数0は可積分で積分の値が0であるから、主張の等式の右辺は0である。左辺は(1)により1である。▨
2 極限の関数が可積分でない例
第二の例では、各項が可積分であるのに、極限の関数が可積分でなくなります。有理数を一つずつ拾っていく関数列を作ります。
例 2.1 (有理数を一つずつ拾う関数列). 区間[0,1]に含まれる有理数の全体を一列に並べ、q1,q2,q3,…と書く(有理数の全体をこのように並べることができることは「数学の基礎」が扱う)。fn:[0,1]→Rを
fn(x)={10(x∈{q1,…,qn})(それ以外)と定める。fnは有限個の点でのみ0と異なる値をとる。
命題 2.2 (可積分な関数の列の極限が可積分でないことがある).例 2.1の関数列について、次が成り立つ。
- 各fnは[0,1]でリーマン可積分であり、∫01fn(x)dx=0である。
- {fn}は[0,1]上で、有理数の点で1、無理数の点で0をとるディリクレ関数D(§D1.18 例 3.1)へ各点収束する。
- Dは[0,1]でリーマン可積分ではない。
証明.(1)を示す。ε>0を与える。[0,1]の分割Pを、すべての小区間の幅が4nε未満になるように取る。q1,…,qnのいずれかを含む小区間は高々2n個である(一つの点は、それが分点である場合に二つの小区間に属する)。それらの小区間では上限が1、それ以外の小区間では上限が0であるから
U(fn,P)<2n⋅4nε=2εである。一方、§D1.4 補題 2.3により、どの小区間にも無理数が含まれる。したがってすべての小区間で下限は0であり、L(fn,P)=0である。よってU(fn,P)−L(fn,P)<εとなり、§D1.17 定理 2.4によりfnは可積分である。また、どの分割についても下限和が0であるから下積分は0であり、∫01fn=0である。
(2)を示す。x∈[0,1]が無理数ならば、すべてのnについてfn(x)=0=D(x)である。xが有理数ならばx=qkとなるkが存在し、n≥kならばfn(x)=1=D(x)である。したがって各点収束する。
(3)を示す。§D1.18 例 3.1のとおりである。▨
この例では、そもそも∫01limnfnという量が定まりません。したがって、極限と積分を入れ替えるという操作の意味自体が失われています。一様収束していないことは、supx∈[0,1]∣fn(x)−D(x)∣=1(x=qn+1で差が1になります)が0へ収束しないことから分かります。
二つの例を合わせると、次のように述べることができます。リーマン可積分な関数を各点収束の極限として並べても、その極限は可積分とは限らず、可積分であっても積分の値は極限へ移るとは限りません。可積分な関数の全体は、各点収束という操作について閉じていないということです。
3 測度による積分ではどうなるか
上の二つの例が示した限界は、リーマン積分を定義するときに、分割の小区間の幅によって面積を測ったことに由来します。ディリクレ関数が可積分でないのは、どの小区間にも有理数と無理数の両方が含まれ、幅で測る限り上限和と下限和の差が縮まらないからです。区間の幅ではなく、集合そのものの大きさを測る量を用意して積分を定義し直すと、二つの例の扱いが変わります。