§29-2  積分的定義與唯一性

「越切越細,這些和會逼近同一個數」——這句話裡的「越細」是指子區間都變短,還是指分割點只增不減?兩種讀法會收到不一樣的可積函數嗎?而逼近的那個數,憑什麼只有一個?

把「越切越細會逼近同一個數」寫成定義

門框邊上那排鉛筆線,每一條旁邊都寫著日期。小孩今天又站上去,媽媽讓他把鞋脫了、背貼牆、下巴收平,再拿一本硬皮書壓住頭頂,讀到 128.4 公分。爸爸不服氣,自己重量一次,讀到 128.1。

哪一個才算數?與其爭論,不如把問題換個方向問:要讓答案準到 0.3 公分以內,量的人得先做到哪些事?這樣一問,回答就不是一個讀數,而是一份要求——脫鞋、背貼牆、下巴收平、書壓平頭髮。而這份要求交出去之後,還得再撐住兩件事:別人可以在上面加要求(再補一條「不准踮腳」也行,可是不准把「脫鞋」那條換掉),並且不管是誰拿尺、量在早上還是晚上,讀數都得落在同一個數的 0.3 公分以內。三件事的先後不能顛倒:先講精度,再交要求,最後才是「照這份要求或更嚴」的每一次測量都必須達標。

本篇要寫下來的正是這個形狀。§29-1 的分割與加細(分割是 a = x₀ ≤ ⋯ ≤ xₙ = b 這樣一組分點,加細是把別人的分點全部留著、再自己多加幾個)就是那份要求與「在上面加要求」;§29-1 的 29.1 裡中間點的挑法(每個子區間各挑一點 ξₖ 當代表)就是「誰拿尺、什麼時候量」。剩下兩個問題:這句話寫成數學該長什麼樣,以及——如果真有一個數被逼出來,憑什麼只有一個?

先把場地講定。整節通用的前提是 a < b、J = [a, b],而 f 與 g 都定義在 J 上且有界——這個假設以下不再逐條重述。P、Q 一律指 J 的分割,P ≤ Q 讀作「Q 是 P 的加細」。還有一件事要先提醒:§29-1 的 29.1 的記號 S(P; f, g) 沒有把中間點寫進去,所以它不是一個由 P 唯一決定的數——同一個 P 配不同的中間點會給出不同的值。以下說「S(P; f, g)」,指的一律是對應 P 的任何一個和。
29.2  DEFINITION  ·  g-可積與積分值
Suppose there is a real number I such that to each ε > 0 there corresponds a partition Pε of J with the property that |S(P; f, g) − I| < ε holds for every refinement P of Pε and every Riemann-Stieltjes sum S(P; f, g) belonging to P.
Then f is said to be integrable with respect to g on J, and I is written ∫ f dg.
Here f is the integrand and g the integrator; when g(x) = x one usually says that f is Riemann integrable.
有三個量詞要照順序讀,讀糊了整個定義就走味。第一層:給定一個 ε > 0,要多小有多小。第二層:交出一個分割 Pε——它可以看著 ε 再挑,ε 越小就交得越細,這是整個定義裡唯一一次自由。第三層:交出去之後,Pε 的每一個加細,配上每一種中間點的挑法,算出來的和都得離 I 不到 ε。第三層裡寫的是「加細」而不是「每一段都夠短」,這是刻意的選擇,下面會說它買到了什麼。至於名字:f 是被積函數,g 叫 integrator;g(x) = x 這一格習慣說 f 是 Riemann 可積。
正例:f ≡ 1、g(x) = x 於 [0, 1]。取 I = 1,Pε 就交 (0, 1) 這個只有兩個分點的分割。它的任何加細 P = (x₀, ⋯, xₙ) 配任何中間點,和都是 Σ (xₖ − xₖ₋₁) = 1(相鄰項首尾相消,只剩 1 − 0),於是 |S − 1| = 0 < ε 對每個 ε 都成立。反例:f 在有理點取 1、無理點取 0(§20-4 的 Dirichlet 函數,它在每一點都不連續),g(x) = x 於 [0, 1]。任何分割的任何加細上,中間點全挑有理數得到的和是 1、全挑無理數得到的和是 0;取 ε = ⅓,這兩個數不可能同時離同一個 I 不到 ⅓,所以沒有任何實數 I 撐得住第三層。
給定 ε > 0 交出一個分割 Pε 加細 P₁ 加細 P₂ 加細 P₃ 第一層 第二層 第三層 中間點任挑 中間點任挑 中間點任挑 每一個和都離 I 不到 ε

這張圖在說 29.2 的三層量詞誰先誰後:只有藍色那一層是我們交出去的,第一層由外面給定,第三層是交出去之後必須全數兌現的義務——底下那三個框只是示意,實際上 Pε 的加細有無限多個,每一個又配得上無限多種中間點。把第二層與第三層讀反(以為找得到「一個」夠好的分割配「一個」夠好的和就行),定義就會鬆到連定義卡裡那個反例都過得了關。

接著回答上面欠的那筆帳:為什麼第三層寫「加細」,而不是「每一段都夠短」?兩種讀法都寫得出定義,差別在它們要管的分割不一樣多。「每一段都短」那一種要管的更多——只要一個分割的每個子區間都短於某個 δ,它就被算進去,哪怕它與 Pε 的分點一個都不重疊;29.2 的「加細」則只管那些把 Pε 的分點全部留著的分割。要管的分割越多,條件就越嚴,通得過的函數就越少,所以 29.2 收進來的可積函數比另一種讀法多一點。

多在哪裡,舉個具體的就看得出來。在 [0, 2] 上讓 g 於 [0, 1) 取 0、於 [1, 2] 取 1,f 於 [0, 1] 取 0、於 (1, 2] 取 1。g 只在 1 這一點動,所以只有跨過 1 的那一段增量不是零。把 1 放進 Pε 裡,往後每個加細都以 1 為分點,唯一有增量的那段是 [xₖ₋₁, 1],中間點只能挑在 1 或 1 的左邊,而 f 在那裡一律是 0——每個和都是 0,積分存在且為 0。改用「每段都短」那一種讀法就不行了:任何把 1 蓋在某段內部的分割也得達標,而那一段的中間點挑在 1 右邊會讓和變成 1、挑在左邊是 0,兩個值差了整整 1,切得再細也靠不攏。

「加細」還有第二個好處,要到後面談把區間從中間切開的時候才兌現得出來:想把整段的積分拆成兩段各自的積分,最自然的動作是把切點放進見證分割裡;「加細」這個讀法允許我們指定分點落在哪裡,「每段都短」不允許,於是那條性質不必再附帶額外的限制。

見證分割 Pε 加細:Pε 的分點一個不少 每段都短,卻漏掉 Pε 的分點 第三列不是加細,29.2 對它沒有任何要求

這張圖在說兩種讀法要管的分割差在哪:藍點是見證分割的分點,第二列把它們全部留著、另外加了灰點,所以它是加細,29.2 對它有要求。第三列每一段都很短,可是紅點與藍點錯開了——它不是 Pε 的加細,29.2 管不到它,「每段都短」那一種讀法卻要管。要管的越多條件越嚴,這就是 29.2 收得進更多可積函數的原因。

LEMMA  ·  積分值唯一
If both I and I′ satisfy the condition in 29.2, then I = I′.
29.2 只說了「存在一個實數 I」,沒說它只有一個。這條把那個空缺補起來:撐得住 29.2 的實數至多一個,於是 ∫ f dg 這個記號指得出唯一的一個數,寫下來才有意義。要留意兩個候選值各自帶著自己的見證分割,而兩份見證彼此毫無關係——證明要做的第一件事,就是把這兩份互不相干的保證接到同一個和上。
正例:f ≡ 1、g(x) = x 於 [0, 1] 時 I = 1 撐得住 29.2,而 I = 1.001 撐不住:取 ε = 0.0005,任何和都是 1,而 |1 − 1.001| = 0.001 已經超過 0.0005。反例:若把 29.2 的「對每個 ε > 0」改成「對某一個 ε > 0」,唯一性立刻沒了——取 ε = 10,同一個例子裡 I = 1、I = 2、I = 5 全部合格。逼出唯一性的不是任何單一個 ε,是 ε 可以任意小這件事。
PROOF

手上有兩個實數 I 與 I′,各自撐得住 29.2。給定 ε > 0 之後,I 那一邊會交出一個分割,I′ 那一邊也會交出一個分割,而兩者之間沒有任何約定:前者的估計只在前者的加細上有效,後者的估計只在後者的加細上有效。要讓同一個和同時受兩份估計管轄,就得先有一個分割同時是兩者的加細。

證明計畫 · 由所求想起
所求:I = I′。兩個實數相等,最省事的證法是證它們的距離比任何正數都小。
第一步:對 I 與 I′ 各用一次 29.2,各拿到一個見證分割。
第二步:把兩份見證接上頭——取一個同時加細兩者的分割(把兩邊的分點併成一組即可),叫它共同加細。
第三步:在共同加細上取一個和,同一個和同時受兩份估計管轄,於是離 I 與離 I′ 都不到 ε。
第四步:用 5.12 的三角不等式把兩筆距離接成一筆,得 |I − I′| < 2ε。
第五步:ε 是任意的,而比每個正數都小的非負實數只能是零——這一步靠 6.7。

Proof.  Let ε > 0 be given. Since I satisfies 29.2, there is a partition P of J such that every refinement of P and every sum belonging to it satisfy |S − I| < ε. Since I′ satisfies 29.2 as well, there is likewise a partition P′ of J whose refinements all satisfy |S − I′| < ε.
這一步的所求:把兩個候選值各自的保證,變成手上拿得出來的東西。29.2(給一個 ε,就交得出一個分割,讓它的每個加細上的每個和都離候選值不到 ε)對 I 用一次、對 I′ 再用一次,各得到一個見證分割 P 與 P′。要留意這兩份保證的管轄範圍完全不同:P 那一份只在 P 的加細上有效,P′ 那一份只在 P′ 的加細上有效,所以到目前為止,還沒有任何一個和同時被兩邊管到。兩邊用同一個 ε,是因為 ε 是外面給的、兩邊都拿得到,這樣最後兩筆誤差同一個量級,不必再分配一次。
Let Q be the partition of J whose partition points are exactly those of P together with those of P′. Since a refinement is obtained by adding points and never by moving them, Q refines P, and Q refines P′ too.
這一步的所求:一個同時受兩份保證管轄的分割。做法只有一句話——把兩邊的分點倒在一起,由小到大排好。它行得通的理由只有一個,就是 §29-1 的加細(Q 的分點包含 P 的每一個分點,就說 Q 是 P 的加細)只准加點、不准挪點:合併之後 Q 含有 P 的每一個分點,所以 P ≤ Q;同一句話對 P′ 再說一次,所以 P′ ≤ Q。若加細允許把分點挪個位置,這一步就垮了——兩邊的分點合不進同一組。拿一組數字對一次:J = [0, 1]、P = (0, ½, 1)、P′ = (0, ⅓, 1),合併得 Q = (0, ⅓, ½, 1),兩邊的分點在裡面一個不少。兩邊共用的分點(這裡是 0 與 1)只需列一次,這是例行核對。
I 帶來的分割 P I′ 帶來的分割 P′ 共同加細 Q:兩邊的分點全收 加細只准加點,所以 Q 同時加細 P 與 P′

這張圖在證第二步為什麼一定做得到:上兩列是兩個候選值各自帶來的分割,分點的位置毫無關聯。第三列把兩組分點全部收進來,藍點與紅點一個不漏——於是它同時含有上面兩列的每一個分點,兩份保證就都管得到它。這件事之所以不必費力,正是因為加細只准加點,合併永遠合法。

Choose any Riemann-Stieltjes sum S(Q; f, g) belonging to Q; the intermediate points may be picked in any way. Because Q refines P, the first estimate applies to this sum, and because Q refines P′, so does the second. Hence
  |S(Q; f, g) − I| < ε  and  |S(Q; f, g) − I′| < ε.
這一步的所求:一個同時貼近兩個候選值的數。關鍵在於兩次估計用的是同一個和:中間點只挑一次,挑定之後那個數字就固定了,再拿它去對 I 與對 I′ 各量一次距離。若兩邊各挑各的中間點,得到的會是兩個不同的數,下一步的三角不等式就接不起來。中間點怎麼挑不重要(29.2 的第三層對每一種挑法都給了保證),重要的是挑定之後不再更動。到這裡為止,兩份原本互不相干的保證已經落在同一個數上了。
By 5.12,
  |I − I′| ≤ |I − S(Q; f, g)| + |S(Q; f, g) − I′| < 2ε.
這一步的所求:把兩筆距離接成一筆。§5-4 的 5.12 三角不等式(兩個數相加或相減之後的絕對值,不超過各自絕對值的和)正是做這件事的工具:I 到 I′ 的距離,若繞道經過中途那個和,總長不會比直接量還短,所以直接量出來的距離被兩段之和壓住。上一步已經把兩段各壓到 ε 以下,因此繞道的總長小於 2ε。這一整段推理對每一個 ε > 0 都走得通,所以下一步可以讓 ε 動起來。
離 I′ 不到 ε 離 I 不到 ε I I′ S 兩段距離接起來:|I − I′| < 2ε

這張圖在證第四步的估計:黑點是共同加細上取的那個和,它同時被藍色與紅色兩段區間關住。兩段區間因此必定有交集,而每段的半長都是 ε,所以兩個中心點最遠不會超過 2ε。圖上那個 ε 還沒有被固定住——下一步就是讓它縮。

The number ε > 0 was arbitrary, so taking ε = 1/(2n) gives |I − I′| < 1/n for every n ∈ ℕ. Were |I − I′| positive, 6.7(b) would supply an n with 0 < 1/n < |I − I′|, contradicting that inequality. Therefore |I − I′| = 0, that is, I = I′.
這一步的所求:從「比每一個 2ε 都小」跳到「等於零」。前四步證出來的是一個帶著參數的結論——對每個 ε > 0 都有 |I − I′| < 2ε。把 ε 取成 1/(2n) 是合法的,因為前面對 ε 只要求了「正」,而 1/(2n) 確實是正的;代進去右邊就變成 1/n。接下來才是這一步真正的內容:一個非負的數若小於每一個 1/n,它只能是零。由 §6-3 的 6.7(其中 (b) 說每個正數 z 上方都找得到 n 使 0 < 1/n < z),假設 |I − I′| > 0 就會生出一個 n 讓 1/n 比它還小,與「對每個 n 都有 |I − I′| < 1/n」正面衝突。最後由 §5-4 的 5.10 絕對值(絕對值只記距離不記方向,而只有零的絕對值是零),|I − I′| = 0 就是 I − I′ = 0。
撐得住 29.2 的實數至多一個,於是 ∫ f dg 這個記號指得出唯一的一個數。整段推理只吃了一件事實:任兩個分割都有共同的加細——而它成立的理由不過是加細只准加點。∎
例 1g(x) = x 時就是 Riemann 積分
29.2 把每一段的權重從長度換成了 g 的增量。那麼把 g 換回最平凡的那一個,剩下的是什麼?
  1. 取 g(x) = x。這時每一段的增量是 g(xₖ) − g(xₖ₋₁) = xₖ − xₖ₋₁,正好是子區間 [xₖ₋₁, xₖ] 的長度。
  2. 代進 §29-1 的 29.1(Riemann–Stieltjes 和是 Σ f(ξₖ)·[g(xₖ) − g(xₖ₋₁)]),和變成
      S(P; f, g) = Σ f(ξₖ)(xₖ − xₖ₋₁),
    每一項是「代表值 × 這一段的長度」。
  3. 29.2 於是讀成:存在 I,使得對每個 ε > 0 都交得出一個分割,讓它的每個加細上的每一個 Σ f(ξₖ)(xₖ − xₖ₋₁) 都離 I 不到 ε。這正是微積分裡「把圖形切成一根根長條、再讓長條變窄」的那個積分,只是「變窄」在這裡寫成了「加細」。
  4. 這一格習慣說 f 是 Riemann 可積,積分寫成 ∫ f dx——29.2 最後一句給的就是這個叫法。
  5. 拿數字走一次:f(x) = x 於 [0, 1]、n 等分。§29-1 例 2 已經把兩種極端的挑法算出來了——中間點全取右端是 (n + 1)/(2n),全取左端是 (n − 1)/(2n)。兩者都貼著 ½,而它們之間差 1/n。
  6. 那個例子在這裡有了名字:它算的是同一個分割配兩種中間點的兩個和,而 29.2 的第三層要求的正是所有這些和一起靠攏。n 越大它們靠得越攏,這就是可積在這個例子上的樣子。
  7. 最後要點清楚這裡發生了什麼事:Riemann 積分沒有被改寫,也沒有被取代,它原封不動地成了 g(x) = x 這一格。代價只有一個記號——∫ f dx 寫成 ∫ f dg,而換來的自由是 g 可以換人。
29.2 不是另一個積分,是一個更大的框架,而 Riemann 積分是它的一格。換來的東西下一個例子立刻看得到:只要動 g,同一個 f 就會被算出完全不同的值。
每一項=代表值 × 這一段的長度 y = f(x) x₀ x₁ x₂ x₃ x₄ g(x) = x 時,增量就是 xₖ − xₖ₋₁

這張圖在說例 1 為什麼還原得出熟悉的積分:g(x) = x 時每一段的增量就是那一段的長度,於是每一項變成長條的面積——寬是子區間的長度,高是中間點上的函數值。29.2 的三層量詞一個字都沒改,改的只是權重從一般的 g 退回長度這一種。

例 2g 為常數時,任何 f 都可積且積分為零
上一個例子把 g 取成最平凡的那一個,還是得到了熟悉的東西。如果再往下走一步——讓 g 完全不動呢?
  1. 取 g 在 J = [a, b] 上恆等於某個常數 c(c 是哪個數不重要)。f 只需在 J 上有界,其他一概不問。
  2. 任取一個分割 P = (x₀, ⋯, xₙ) 與任一組中間點。每一項的增量是
      g(xₖ) − g(xₖ₋₁) = c − c = 0。
  3. 於是 S(P; f, g) = Σ f(ξₖ)·0 = 0。這對每一個分割、每一種中間點都成立,一個例外也沒有。
  4. 回頭驗 29.2:取 I = 0;給定 ε > 0 之後,Pε 隨便交一個都行,例如只有兩個分點的 (a, b)。它的任何加細上的任何和都是 0,而 |0 − 0| = 0 < ε。所以 f 對 g 可積,且 ∫ f dg = 0。
  5. 要留意這一路上 f 完全沒有被要求任何事。把 f 取成 §20-4 的 Dirichlet 函數(有理點取 1、無理點取 0,在 ℝ 的每一點都不連續),它對這個常數 g 照樣可積,積分是 0。
  6. 對照一下:同一個 Dirichlet 函數,把 g 換成 g(x) = x 就積不出來了。29.2 的定義卡裡那個反例算過——中間點全挑有理數的和是 1、全挑無理數的和是 0,切得再細這兩個數也不動。
  7. 兩件事擺在一起就得到本例真正的內容:可積不是 f 一個人的性質,是 f 與 g 之間的一段關係。只問「這個函數可不可積」而不說對誰可積,問題是不完整的。
常數 g 是一個極端的例子,而極端的例子正好把話說死:f 再壞也不妨礙可積,只要 g 那一邊什麼都不動。所以 29.2 裡的 g 不是配角——它與 f 一起決定了答案,也一起決定了答案存不存在。
g 恆等於 c:圖形是一條水平線 0 0 0 0 每一段的增量都是 0 不管 f 是什麼、中間點怎麼挑,和都是 0

這張圖在說例 2 為什麼一步都不必估計:g 的圖形是一條水平線,每兩個相鄰分點的高度差都是 0,於是每一項在乘上 f(ξₖ) 之前就已經歸零。f 的值完全沒有機會影響結果——這就是「可積是 f 與 g 兩者的關係」最赤裸的一種情形。

—— 第二階段到此結束 ——

本篇把「越切越細會逼近同一個數」寫成了 29.2:先給 ε、再交出一個分割 Pε、然後它的每一個加細配每一種中間點都得達標,三層缺一不可。唯一性只吃一件事實——任兩個分割都有共同的加細,於是同一個和能同時被兩份保證管到。兩個例子分別把 g 取成最平凡與最不動的兩種,一邊原封不動地還原出 Riemann 積分,一邊說明可積是 f 與 g 的關係而不是 f 單方面的性質。下一篇 §29-3 要把權重集中到幾個點上,看看積分會變成什麼樣子。先站起來走一走、伸展一下肩頸,喝口水再回來。

順帶一提:對常數 g 而言,最難算的積分與最好算的積分一樣好算——答案都是 0。