一、直观图景:上下矩形夹住函数图像

把 ff 的图像想象成一条不规则曲线。在每个小区间上,用最低高度画矩形,组成下阶梯 φk\varphi_k;用最高高度画矩形,组成上阶梯 ψk\psi_k。图像始终夹在二者之间:

φk(x)≤f(x)≤ψk(x).\varphi_k(x)\leq f(x)\leq\psi_k(x).

当二进制分割从 2k2^k 段加密到 2k+12^{k+1} 段时,每个旧区间被一分为二。搜索范围缩小以后,下确界不会下降,上确界不会上升,所以下阶梯向上抬升、上阶梯向下降低。

Riemann 可积恰好意味着上下矩形的总面积差趋于 00。Lebesgue 理论告诉我们:非负函数积分为 00 时,它只能在零测集以外处处为 00。所以两座极限阶梯几乎处处重合。

二、严格定理

三、逐步证明

1. 由 Riemann 可积得到有界性

Riemann 可积函数必有界,因此存在 M>0M>0,使得

∣f(x)∣≤M,x∈[a,b].|f(x)|\leq M, \qquad x\in[a,b].

这个统一界稍后将作为有界收敛定理的控制函数。

2. 作嵌套的二进制等分

对每个 k≥1k\geq1,令

xi,k:=a+i2k(b−a),i=0,1,…,2k.x_{i,k}:=a+\frac{i}{2^k}(b-a), \qquad i=0,1,\ldots,2^k.

记闭小区间

Ji,k:=[xi−1,k,xi,k],i=1,…,2k.J_{i,k}:=[x_{i-1,k},x_{i,k}], \qquad i=1,\ldots,2^k.

为了定义单值的阶梯函数,再采用半开分配:

Ii,k:={[xi−1,k,xi,k),1≤i<2k,[x2k−1,k,b],i=2k.I_{i,k}:= \begin{cases} [x_{i-1,k},x_{i,k}),&1\leq i<2^k,\\ [x_{2^k-1,k},b],&i=2^k. \end{cases}

于是 [a,b][a,b] 是 Ii,kI_{i,k} 的不交并。闭区间 Ji,kJ_{i,k} 用于取上下确界;半开区间 Ii,kI_{i,k} 用于决定端点属于哪个台阶。

3. 构造上下阶梯函数

在每个 Ji,kJ_{i,k} 上定义

mi,k:=inf⁡x∈Ji,kf(x),Mi,k:=sup⁡x∈Ji,kf(x).m_{i,k}:=\inf_{x\in J_{i,k}}f(x), \qquad M_{i,k}:=\sup_{x\in J_{i,k}}f(x).

令 χE\chi_E 表示集合 EE 的示性函数,并定义

φk:=∑i=12kmi,kχIi,k,ψk:=∑i=12kMi,kχIi,k.\varphi_k := \sum_{i=1}^{2^k}m_{i,k}\chi_{I_{i,k}}, \qquad \psi_k := \sum_{i=1}^{2^k}M_{i,k}\chi_{I_{i,k}}.

它们都是有限值阶梯函数,因而既 Riemann 可积又 Lebesgue 可积。对任意 x∈[a,b]x\in[a,b],若 x∈Ii,kx\in I_{i,k},则 x∈Ji,kx\in J_{i,k},所以

mi,k≤f(x)≤Mi,k.m_{i,k}\leq f(x)\leq M_{i,k}.

因此

φk≤f≤ψk.\boxed{\varphi_k\leq f\leq\psi_k}.

又因为 ∣f∣≤M|f|\leq M,所以

∣φk∣≤M,∣ψk∣≤M.|\varphi_k|\leq M, \qquad |\psi_k|\leq M.

4. 证明上下阶梯的单调性

固定 x∈[a,b]x\in[a,b]。第 k+1k+1 级中包含 xx 的闭小区间是第 kk 级相应闭小区间的子集。根据“集合缩小时,下确界不减、上确界不增”,

φk(x)≤φk+1(x),ψk+1(x)≤ψk(x).\varphi_k(x)\leq\varphi_{k+1}(x), \qquad \psi_{k+1}(x)\leq\psi_k(x).

定义逐点极限

φ~(x):=lim⁡k→∞φk(x),ψ~(x):=lim⁡k→∞ψk(x).\widetilde\varphi(x):=\lim_{k\to\infty}\varphi_k(x), \qquad \widetilde\psi(x):=\lim_{k\to\infty}\psi_k(x).

阶梯函数可测,可测函数列的逐点极限仍可测,因此 φ~\widetilde\varphi、ψ~\widetilde\psi 可测。由逐点夹逼还有

φ~≤f≤ψ~,∣φ~∣,∣ψ~∣≤M.\boxed{\widetilde\varphi\leq f\leq\widetilde\psi}, \qquad |\widetilde\varphi|,|\widetilde\psi|\leq M.

5. 把 Darboux 和写成阶梯函数积分

记 ∣Ji,k∣=(b−a)/2k|J_{i,k}|=(b-a)/2^k。由于有限阶梯函数的 Riemann 积分和 Lebesgue 积分相同,

L(f,Pk)=∑i=12kmi,k∣Ji,k∣=∫[a,b]Rφk(x) dx=∫[a,b]Lφk(x) dx,\begin{aligned} L(f,P_k) &=\sum_{i=1}^{2^k}m_{i,k}|J_{i,k}|\\ &=\int_{[a,b]}^{\mathrm R}\varphi_k(x)\,dx =\int_{[a,b]}^{\mathrm L}\varphi_k(x)\,dx, \end{aligned}

以及

U(f,Pk)=∑i=12kMi,k∣Ji,k∣=∫[a,b]Rψk(x) dx=∫[a,b]Lψk(x) dx.\begin{aligned} U(f,P_k) &=\sum_{i=1}^{2^k}M_{i,k}|J_{i,k}|\\ &=\int_{[a,b]}^{\mathrm R}\psi_k(x)\,dx =\int_{[a,b]}^{\mathrm L}\psi_k(x)\,dx. \end{aligned}

半开端点的选择不会改变积分,因为有限个端点组成零测集,也不影响阶梯函数的 Riemann 积分。

6. 使用 Riemann 可积性

分割 PkP_k 的网格长度满足

∥Pk∥=b−a2k⟶0.\|P_k\|=\frac{b-a}{2^k}\longrightarrow0.

由于 ff Riemann 可积,上下 Darboux 和沿这列分割分别满足

lim⁡k→∞L(f,Pk)=∫[a,b]Rf(x) dx,\lim_{k\to\infty}L(f,P_k) = \int_{[a,b]}^{\mathrm R}f(x)\,dx, lim⁡k→∞U(f,Pk)=∫[a,b]Rf(x) dx.\lim_{k\to\infty}U(f,P_k) = \int_{[a,b]}^{\mathrm R}f(x)\,dx.

下和与上和必须分别带极限,并且二者的极限都等于 Riemann 积分。

7. 用有界收敛定理传递积分极限

因为 [a,b][a,b] 测度有限,且 ∣φk∣,∣ψk∣≤M|\varphi_k|,|\psi_k|\leq M,常函数 Mχ[a,b]M\chi_{[a,b]} 可积。由有界收敛定理,

lim⁡k→∞∫[a,b]Lφk(x) dx=∫[a,b]Lφ~(x) dx,\lim_{k\to\infty} \int_{[a,b]}^{\mathrm L}\varphi_k(x)\,dx = \int_{[a,b]}^{\mathrm L}\widetilde\varphi(x)\,dx, lim⁡k→∞∫[a,b]Lψk(x) dx=∫[a,b]Lψ~(x) dx.\lim_{k\to\infty} \int_{[a,b]}^{\mathrm L}\psi_k(x)\,dx = \int_{[a,b]}^{\mathrm L}\widetilde\psi(x)\,dx.

结合前两步,得到

∫[a,b]Lφ~(x) dx=∫[a,b]Rf(x) dx=∫[a,b]Lψ~(x) dx.\int_{[a,b]}^{\mathrm L}\widetilde\varphi(x)\,dx = \int_{[a,b]}^{\mathrm R}f(x)\,dx = \int_{[a,b]}^{\mathrm L}\widetilde\psi(x)\,dx.

8. 从积分相等推出几乎处处相等

由于 φ~≤ψ~\widetilde\varphi\leq\widetilde\psi,函数

g:=ψ~−φ~g:=\widetilde\psi-\widetilde\varphi

非负且可测,并满足

∫[a,b]g(x) dx=0.\int_{[a,b]}g(x)\,dx=0.

由“非负可测函数积分为 00 当且仅当它几乎处处为 00”,

ψ~=φ~a.e. x∈[a,b].\widetilde\psi=\widetilde\varphi \qquad\mathrm{a.e.}\ x\in[a,b].

9. 夹逼得到可测性与积分相等

令

N:={x∈[a,b]:φ~(x)≠ψ~(x)}.N:=\{x\in[a,b]:\widetilde\varphi(x)\neq\widetilde\psi(x)\}.

则 m(N)=0m(N)=0。在 [a,b]∖N[a,b]\setminus N 上,由夹逼得到

f=φ~=ψ~.f=\widetilde\varphi=\widetilde\psi.

φ~\widetilde\varphi 可测,而 Lebesgue 测度空间完备,所以与它几乎处处相等的 ff 也 Lebesgue 可测。又因 ∣f∣≤M|f|\leq M 且 m([a,b])<∞m([a,b])<\infty,ff Lebesgue 可积。最后,Lebesgue 积分不受零测集上函数值改变的影响,故

∫[a,b]Lf(x) dx=∫[a,b]Lφ~(x) dx=∫[a,b]Rf(x) dx.\boxed{ \int_{[a,b]}^{\mathrm L}f(x)\,dx = \int_{[a,b]}^{\mathrm L}\widetilde\varphi(x)\,dx = \int_{[a,b]}^{\mathrm R}f(x)\,dx }.

四、两类可积性的完整关系

1. 正向命题成立

在有界闭区间上,

f Riemann 可积⟹f Lebesgue 可积\boxed{ f\text{ Riemann 可积} \Longrightarrow f\text{ Lebesgue 可积} }

且两种积分值相等。

2. 逆命题不成立

在 [a,b][a,b] 上定义 Dirichlet 函数

f(x):=χQ∩[a,b](x).f(x):=\chi_{\mathbb Q\cap[a,b]}(x).

有理数集可数,因而为零测集,所以 ff Lebesgue 可积且

∫[a,b]Lf(x) dx=0.\int_{[a,b]}^{\mathrm L}f(x)\,dx=0.

但任意非退化小区间都同时含有有理数和无理数,故任意分割 PP 都满足

L(f,P)=0,U(f,P)=b−a.L(f,P)=0, \qquad U(f,P)=b-a.

上下和无法靠拢,因此 ff 不 Riemann 可积。这说明

f Lebesgue 可积\centernot⟹f Riemann 可积.f\text{ Lebesgue 可积} \centernot\Longrightarrow f\text{ Riemann 可积}.

3. 精确边界:Lebesgue 判别准则

因此,两种积分的差异并不只是“函数是否可测”,而在于 Riemann 积分对不连续点的分布要求更强。Dirichlet 函数处处不连续,所以被该准则排除;只有少量不连续点的有界函数则仍可能 Riemann 可积。

五、方法提炼:一题通一类

题型识别特征

  • 题目要求比较 Riemann 积分与 Lebesgue 积分;
  • 已知函数 Riemann 可积,需要证明可测性或 Lebesgue 可积性;
  • 出现 Darboux 上下和、嵌套分割、阶梯函数或上下逼近;
  • 希望把“有限和趋于同一极限”转成“两个函数几乎处处相等”。

常见变体

  • 改用任意嵌套且网格趋于 00 的分割;
  • 用振幅函数 ωk:=ψk−φk\omega_k:=\psi_k-\varphi_k 研究上下和之差;
  • 从本证明继续推出 Lebesgue 判别准则;
  • 将区间推广到 Rd\mathbb R^d 中的矩形;
  • 比较正常 Riemann 积分、反常 Riemann 积分和绝对 Lebesgue 可积性。

六、变式练习

七、复习定位