方企勤 第六章 多元函数积分学 第5题

教材习题

📝 题目

例 5 若 $f\left( x\right) \in R\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ . 证明: $f\left( x\right) \in R\left( {\left\lbrack {a,b}\right\rbrack \times \left\lbrack {c,d}\right\rbrack }\right)$ .

💡 答案解析

证 $\forall \varepsilon > 0$ ,由 $f\left( x\right) \in R\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ ,3 区间 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack$ 的一个分法 $\Delta$ :

$$ a = {x}_{0} < {x}_{1} < \cdots < {x}_{n} = b. $$

$$ {M}_{i} = \mathop{\sup }\limits_{{{x}_{i - 1} \leq x \leq {x}_{i}}}f\left( x\right) ,\;{m}_{i} = \mathop{\inf }\limits_{{{x}_{i - 1} \leq x \leq {x}_{i}}}f\left( x\right) \left( {i = 1,\cdots ,n}\right) . $$

相应的大和与小和为

$$ {S}^{ + }\left( {f,\Delta }\right) = \mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{n}{M}_{i}\Delta {x}_{i},\;{S}^{ - }\left( {f,\Delta }\right) = \mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{n}{m}_{i}\Delta {x}_{i} $$

$$ \left( {\Delta {x}_{i} = {x}_{i} - {x}_{i - 1},i = 1,\cdots ,n}\right) . $$

根据一元函数可积的充要条件, 我们有

$$ {S}^{ + }\left( {f,\Delta }\right) - {S}^{ - }\left( {f,\Delta }\right) < \frac{\varepsilon }{d - c}. \tag{1.1} $$

对应区间分法 $\Delta$ ,可得矩形的一个剖分 $\widetilde{\Delta } = \left\{ {{\Omega }_{1},\cdots ,{\Omega }_{n}}\right\}$ ,其中 ${\Omega }_{i} =$ $\left\{ {\left( {x,y}\right) \mid {x}_{i - 1} \leq x \leq {x}_{i},c \leq y \leq d}\right\} \left( {i = 1,\cdots ,n}\right)$ . 函数 $f$ 在 ${\Omega }_{i}$ 上的上确界与下确界仍为 ${M}_{i}$ 与 ${m}_{i}\left( {i = 1,\cdots ,n}\right)$ . 故对应剖分 $\widetilde{\Delta }$ 的大和与小和为

$$ {\widetilde{S}}^{ + }\left( {f,\widetilde{\Delta }}\right) = \mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{n}{M}_{i}\Delta {x}_{i}\left( {d - c}\right) ,\;{\widetilde{S}}^{ - }\left( {f,\widetilde{\Delta }}\right) = \mathop{\sum }\limits_{{i = 1}}^{n}{m}_{i}\Delta {x}_{i}\left( {d - c}\right) . $$

由 (1.1) 式得出

$$ {\widetilde{S}}^{ + }\left( {f,\widetilde{\Delta }}\right) - {\widetilde{S}}^{ - }\left( {f,\widetilde{\Delta }}\right) < \varepsilon . $$

根据重积分可积的充要条件,知 $f$ 在矩形 $\left\lbrack {a,b}\right\rbrack \times \left\lbrack {c,d}\right\rbrack$ 上可积.

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:由一元函数可积性出发,构造矩形剖分
对任意ε>0,由f(x)在[a,b]上可积,存在[a,b]的一个分法Δ: a=x0
公式:S^+(f,Δ)-S^-(f,Δ) < ε/(d-c)
提示:利用一元函数可积的充要条件:大和与小和之差可以任意小。
步骤 2/4
目标:构造矩形上的剖分并计算大和与小和
对应分法Δ,将矩形[a,b]×[c,d]剖分为n个子矩形Ω_i=[x_{i-1},x_i]×[c,d]。f在Ω_i上的上确界和下确界仍为M_i和m_i,因此大和与小和为: \widetilde{S}^+(f,\widetilde{Δ}) = Σ M_i Δx_i (d-c), \widetilde{S}^-(f,\widetilde{Δ}) = Σ m_i Δx_i (d-c)。
公式:\widetilde{S}^+ - \widetilde{S}^- = (d-c)(S^+ - S^-)
提示:注意f在矩形上只依赖于x,因此每个子矩形上的上下确界与区间上相同。
步骤 3/4
目标:证明矩形上的大和与小和之差小于ε
由(1.1)式,\widetilde{S}^+ - \widetilde{S}^- = (d-c)(S^+ - S^-) < (d-c)·ε/(d-c) = ε。
公式:\widetilde{S}^+ - \widetilde{S}^- < ε
提示:利用一元函数可积性得到的不等式。
步骤 4/4
目标:根据重积分可积的充要条件得出结论
由重积分可积的充要条件(大和与小和之差可以任意小),知f在矩形[a,b]×[c,d]上可积。
提示:重积分可积的充要条件:存在剖分使得大和与小和之差任意小。

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