§E4.12累次積分

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閉直方体[0,1]×[0,2][0,1]\times[0,2]上の関数ffを考える。xxの値を一つ固定すれば、y↦f(x,y)y\mapsto f(x,y)は区間[0,2][0,2]上の一変数関数であり、その積分はxxの関数になる。しかし、重積分を Darboux 和によって定義しただけでは、この断面積分をさらにxxについて積分した値が、もとの重積分に一致することはまだ分からない。

累次積分は、この隔たりを埋める基本的な方法である。有限次元では、この対応を座標の個数に沿って反復し、座標を一つずつ積分することができる。断面が固定区間である閉直方体だけでなく、断面が[φ(x),ψ(x)][\varphi(x),\psi(x)]のように変化する領域を扱うことができれば、領域の形を一変数積分の積分区間へ直接反映することもできる。

本記事では、連続関数の重積分を累次積分で表す仕組みと、座標方向に単純な領域への広がりを扱う。

定理 1.n≥1n\ge 1とし、

R=∏i=1n[ai,bi]⊂RnR=\prod_{i=1}^n[a_i,b_i]\subset\mathbb R^n

を閉直方体、f:R→Rf:R\to\mathbb Rを連続関数とする。n≥2n\ge2のとき、添字集合の空でない真部分集合J⊂{1,…,n}J\subset\{1,\ldots,n\}に対して

RJ=∏i∈J[ai,bi],gJ(xJ)=∫RJcf(xJ,xJc) dxJcR_J=\prod_{i\in J}[a_i,b_i],\qquad g_J(x_J)=\int_{R_{J^c}}f(x_J,x_{J^c})\,dx_{J^c}

と定めると、gJg_JはRJR_J上で連続であり、

∫Rf(x) dx=∫RJgJ(xJ) dxJ\int_R f(x)\,dx=\int_{R_J}g_J(x_J)\,dx_J

が成り立つ。従って、{1,…,n}\{1,\ldots,n\}の任意の置換σ\sigmaに対して、すべての中間積分が連続関数として定まり、

∫Rf(x) dx=∫aσ(1)bσ(1) ⁣⋯∫aσ(n)bσ(n)f(x1,…,xn) dxσ(n)⋯dxσ(1)\int_R f(x)\,dx =\int_{a_{\sigma(1)}}^{b_{\sigma(1)}}\!\cdots \int_{a_{\sigma(n)}}^{b_{\sigma(n)}} f(x_1,\ldots,x_n)\,dx_{\sigma(n)}\cdots dx_{\sigma(1)}

が成り立つ。

証明.n=1n=1の主張は一変数積分の定義そのものである。n≥2n\ge2とし、座標名を付け替えてJ={1,…,p}J=\{1,\ldots,p\}の場合を示す。A=RJA=R_J、B=RJcB=R_{J^c}とおき、g=gJg=g_Jとする。各x∈Ax\in Aについてf(x,⋅)f(x,\mathord\cdot)はBB上で連続であるから、§E4.10 定理 3.1により積分可能であり、g(x)g(x)が定まる。

ffはコンパクト集合RR上で、Heine–Cantor の定理§E2.9 定理 5.1により一様連続である。また、重積分の評価§E4.10 命題 4.1により

∣g(x)−g(x′)∣≤∣B∣sup⁡y∈B∣f(x,y)−f(x′,y)∣|g(x)-g(x')| \le |B|\sup_{y\in B}|f(x,y)-f(x',y)|

である。右辺はx′→xx'\to xで零へ収束するので、ggは連続である。

PAP_AをAAの直積分割、PBP_BをBBの直積分割とし、P=PA×PBP=P_A\times P_Bとおく。PAP_Aの小直方体QAQ_AとPBP_Bの小直方体QBQ_Bに対して、切断の下和と上和を用いると

∑QB∈PBinf⁡QA×QBf ∣QB∣≤g(x)≤∑QB∈PBsup⁡QA×QBf ∣QB∣(x∈QA)\sum_{Q_B\in P_B}\inf_{Q_A\times Q_B}f\,|Q_B| \le g(x)\le \sum_{Q_B\in P_B}\sup_{Q_A\times Q_B}f\,|Q_B| \qquad(x\in Q_A)

である。x∈QAx\in Q_Aについて下限と上限を取り、∣QA∣|Q_A|を掛けて足し合わせれば

L(f,P)≤L(g,PA)≤∫Ag(x) dx≤U(g,PA)≤U(f,P)(1)L(f,P)\le L(g,P_A)\le\int_Ag(x)\,dx \le U(g,P_A)\le U(f,P) \tag{1}

を得る。ffは§E4.10 定理 3.1によりRR上で積分可能である。従って、任意のε>0\varepsilon>0に対してU(f,P)−L(f,P)<εU(f,P)-L(f,P)<\varepsilonとなる直積分割PPを選ぶことができる。式 (1) では∫Rf\int_Rfと∫Ag\int_Agが同じ長さε\varepsilon未満の区間に含まれるので、両者は等しい。ほかのJJについても座標名を付け替えた同じ議論が成り立つ。

最後に、xσ(n)x_{\sigma(n)}から順に一座標ずつ積分する。各段階の切断積分は、いま示した連続性によって残りの閉直方体上の連続関数となるため、同じ等式を反復して適用することができる。これにより、指定した順序の累次積分を得る。▨

1 座標方向に単純な領域

補題 1.1.a<ba<bとし、θ:[a,b]→R\theta:[a,b]\to\mathbb Rを連続関数とする。このとき、グラフ

Γθ={(x,θ(x)):a≤x≤b}\Gamma_\theta=\{(x,\theta(x)):a\le x\le b\}

は Jordan 零集合である。

証明.ε>0\varepsilon>0をとり、2η(b−a)<ε/22\eta(b-a)<\varepsilon/2を満たすη>0\eta>0を選ぶ。一様連続性により、有限分割

a=t0<t1<⋯<tr=ba=t_0<t_1<\cdots<t_r=b

であって、各小区間[tj−1,tj][t_{j-1},t_j]上のθ\thetaの振幅がη\eta未満となるものが存在する。対応するグラフ片は閉長方形

[tj−1,tj]×[θ(tj−1)−η,θ(tj−1)+η][t_{j-1},t_j]\times[\theta(t_{j-1})-\eta,\theta(t_{j-1})+\eta]

に含まれ、これらの長方形の面積の和は2η(b−a)<ε/22\eta(b-a)<\varepsilon/2である。長方形は有限個なので、各辺を同じ十分小さい正数だけ広げ、グラフを覆う開長方形の面積の総和をε\varepsilon未満に保つことができる。従ってΓθ\Gamma_\thetaは Jordan 零集合である。▨

定理 1.2.a<ba<bとし、φ,ψ:[a,b]→R\varphi,\psi:[a,b]\to\mathbb Rを連続関数、φ(x)≤ψ(x)\varphi(x)\le\psi(x)とする。

D={(x,y):a≤x≤b, φ(x)≤y≤ψ(x)}D=\{(x,y):a\le x\le b,\ \varphi(x)\le y\le\psi(x)\}

とおく。DDを含む開集合V⊂R2V\subset\mathbb R^2と連続関数f:V→Rf:V\to\mathbb Rに対して、DDは Jordan 可測であり、

∫Df(x,y) d(x,y)=∫ab(∫φ(x)ψ(x)f(x,y) dy)dx\int_Df(x,y)\,d(x,y) =\int_a^b\left(\int_{\varphi(x)}^{\psi(x)}f(x,y)\,dy\right)dx

が成り立つ。

証明.補題 1.1により、φ\varphiとψ\psiのグラフは Jordan 零集合である。DDは閉かつ有界であり、∂D\partial Dはこれらのグラフとx=a,bx=a,b上の二つの線分に含まれる。線分の Jordan 零性と有限和に関する閉性§E4.11 補題 1.2を合わせると、∂D\partial Dは Jordan 零集合である。従って、Jordan 可測性の定義§E4.11 定義 2.1によりDDは Jordan 可測である。

D⊂R=[a,b]×[c,d]D\subset R=[a,b]\times[c,d]となるc<dc<dを選び、

G(x)=∫φ(x)ψ(x)f(x,y) dyG(x)=\int_{\varphi(x)}^{\psi(x)}f(x,y)\,dy

とおく。DDはコンパクトであるから、f∣Df|_Dは一様連続であり、M=max⁡D∣f∣<∞M=\max_D|f|<\inftyである。Ix=[φ(x),ψ(x)]I_x=[\varphi(x),\psi(x)]とおけば、区間の共通部分と対称差に積分を分けることにより

∣G(x)−G(x′)∣≤(d−c)sup⁡y∈Ix∩Ix′∣f(x,y)−f(x′,y)∣+M(∣φ(x)−φ(x′)∣+∣ψ(x)−ψ(x′)∣)(2)\begin{aligned} |G(x)-G(x')| \le{}&(d-c)\sup_{y\in I_x\cap I_{x'}}|f(x,y)-f(x',y)|\\ &+M\bigl(|\varphi(x)-\varphi(x')|+|\psi(x)-\psi(x')|\bigr) \end{aligned} \tag{2}

を得る。共通部分が空なら第一項を零とする。第一項は共通部分の両点がDDに属することとf∣Df|_Dの一様連続性により零へ収束し、第二項はφ,ψ\varphi,\psiの連続性により零へ収束する。従ってGGは連続であり、一変数 Riemann 可積分である。

RR上の零拡張

f~(x,y)={f(x,y),(x,y)∈D,0,(x,y)∈R∖D\widetilde f(x,y)= \begin{cases} f(x,y),&(x,y)\in D,\\ 0,&(x,y)\in R\setminus D \end{cases}

を考える。§E4.11 系 3.5によりffはDD上で積分可能であり、積分を定める零拡張の外接直方体からの独立性§E4.11 命題 3.3によりf~\widetilde fはRR上で積分可能で、∫Df=∫Rf~\int_Df=\int_R\widetilde fである。各xxについて、f~(x,⋅)\widetilde f(x,\mathord\cdot)は連続関数f(x,⋅)f(x,\mathord\cdot)の[φ(x),ψ(x)][\varphi(x),\psi(x)]から[c,d][c,d]への零拡張であるから積分可能であり、その積分はG(x)G(x)である。φ(x)=ψ(x)\varphi(x)=\psi(x)の場合も、一点だけで非零となり得る関数の上下和を直接比較すれば同じ結論を得る。

Px×PyP_x\times P_yをRRの任意の直積分割とする。各縦切断の下和と上和を比較すると、式 (1) と同じ Darboux 和の挟み撃ちにより

L(f~,Px×Py)≤L(G,Px)≤∫abG(x) dx≤U(G,Px)≤U(f~,Px×Py)(3)L(\widetilde f,P_x\times P_y)\le L(G,P_x)\le\int_a^bG(x)\,dx \le U(G,P_x)\le U(\widetilde f,P_x\times P_y) \tag{3}

を得る。f~\widetilde fの積分可能性により、式 (3) の両端の差を任意に小さくする直積分割を選ぶことができる。従って∫Rf~=∫abG\int_R\widetilde f=\int_a^bGであり、求める等式が従う。▨

系 1.3.c<dc<dとし、λ,μ:[c,d]→R\lambda,\mu:[c,d]\to\mathbb Rを連続関数、λ(y)≤μ(y)\lambda(y)\le\mu(y)とする。

E={(x,y):c≤y≤d, λ(y)≤x≤μ(y)}E=\{(x,y):c\le y\le d,\ \lambda(y)\le x\le\mu(y)\}

とおく。EEを含む開集合W⊂R2W\subset\mathbb R^2と連続関数f:W→Rf:W\to\mathbb Rに対して

∫Ef(x,y) d(x,y)=∫cd(∫λ(y)μ(y)f(x,y) dx)dy\int_Ef(x,y)\,d(x,y) =\int_c^d\left(\int_{\lambda(y)}^{\mu(y)}f(x,y)\,dx\right)dy

が成り立つ。

証明.補題 1.1により、λ\lambdaとμ\muのグラフは Jordan 零集合である。∂E\partial Eはこれらのグラフとy=c,dy=c,d上の二つの線分に含まれるため、§E4.11 補題 1.2と§E4.11 定義 2.1によりEEは Jordan 可測である。座標を交換して得られる縦線単純領域へ定理 1.2を適用する。座標交換は直積分割を直積分割へ写し、各小長方形の面積と Darboux 上下和を保つので、変数変換公式を用いずに積分の等しさを得ることができる。▨

例 1.4 (積分順序の交換).

I=∫01(∫x1ey2 dy)dxI=\int_0^1\left(\int_x^1e^{y^2}\,dy\right)dx

の積分領域は0≤x≤10\le x\le1、x≤y≤1x\le y\le1であり、横線単純な表示は0≤y≤10\le y\le1、0≤x≤y0\le x\le yである。従って

I=∫01(∫0yey2 dx)dy=∫01yey2 dy=e−12.I=\int_0^1\left(\int_0^ye^{y^2}\,dx\right)dy =\int_0^1ye^{y^2}\,dy =\frac{e-1}{2}.

内側の積分∫ey2 dy\int e^{y^2}\,dyを初等関数の原始関数で表すことができなくても、積分順序を交換すれば値を計算することができる。

例 1.5 (三角形領域の二つの表示).

D={(x,y):0≤x≤1, 0≤y≤x}D=\{(x,y):0\le x\le1,\ 0\le y\le x\}

上でf(x,y)=x+yf(x,y)=x+yを積分する。縦線表示と横線表示から、それぞれ

∫01∫0x(x+y) dy dx=12,∫01∫y1(x+y) dx dy=12\int_0^1\int_0^x(x+y)\,dy\,dx=\frac12, \qquad \int_0^1\int_y^1(x+y)\,dx\,dy=\frac12

を得る。二つの計算は同じ Jordan 積分を表す。

2 演習

問題 2.1 (有限次元定理の適用と限界). 次の二問に答えよ。

  1. R=[0,1]3R=[0,1]^3とf(x,y,z)=x+2y+3zf(x,y,z)=x+2y+3zに対し、積分順序を一つ選んで∫Rf\int_Rfを求めよ。
  2. 定理 1が非有界関数や非有界領域の積分順序交換を正当化しない理由を説明せよ。
解答.

第一問では、例えばz,y,xz,y,xの順に積分すると

∫01∫01∫01(x+2y+3z) dz dy dx=12+1+32=3\int_0^1\int_0^1\int_0^1(x+2y+3z)\,dz\,dy\,dx =\frac12+1+\frac32=3

を得る。定理により、ほかの座標順序でも同じ値を得る。

第二問について、定理の証明はコンパクト閉直方体上の一様連続性と有限体積を用い、Darboux 上下和の差を任意に小さくする。非有界関数では一様な振幅評価がなく、非有界領域は有限個の小直方体からなる直積分割の対象ではない。従って、その場合には広義積分または測度論の別の定理が必要である。▨

参考文献

  1. Tom M. Apostol, Mathematical Analysis, 2nd ed., Addison-Wesley, 1974.連続関数に対する Riemann 累次積分定理を参考にした。
  2. Serge Lang, Undergraduate Analysis, 2nd ed., Springer, New York, 1997.単純領域上の累次積分表示を参考にした。

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