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¿Cuánto realmente nos preocupamos de Riemann integración en comparación con Lebesgue de integración?

Permítame preguntarle a la derecha en el inicio: ¿qué es la integración de Riemann realmente utilizada para?

Hasta donde yo soy consciente, utilizamos la integración de Lebesgue en:

  • la teoría de la probabilidad

  • la teoría de la PDE del

  • Las transformadas de Fourier

y realmente, en cualquier lugar que pueda pensar de donde la integración se utiliza (tal vez en la forma de Haar medida, como una generalización, aunque estoy seguro de que esto es muy incompleta de la imagen).

Permítanme un conocido teorema:

Deje que $f:[a,b]\to\mathbb R$ ser delimitada la función. Entonces:

(i) $f$ es Riemann-integrable si y sólo si $f$ es continua en casi todas partes en $[a,b]$ (con respecto a la medida de Lebesgue).

(ii) Si $f$ es Riemann-integrable en $[a,b]$, entonces $f$ es Lebesgue integrable y Riemann y Lebesgue integrales coinciden.

(Voy a tratar de ser justos, vamos a utilizar este resultado y la integración de Riemann para calcular muchos integrales de Lebesgue)

De esto podemos concluir que Riemann-integrabilidad es una condición más fuerte y quizás ingenuamente a la conclusión de que podría comportarse mejor. Sin embargo no; la integral de Riemann no comportarse bien en límites, mientras que la integral de Lebesgue: hemos Lebesgue monotono y dominado teoremas de convergencia.

Además, no estoy al tanto de cualquier característica universal de Riemann de la integración, mientras que en contraste tenemos este resultado presentado por Tom Leinster; establece Lebesgue de integración como la inicial en la categoría adecuada (categoría de espacios de Banach con la media).

También, estoy familiarizado con Lebesgue-Stiltjes integral, muy utilizado por ejemplo en la teoría de la probabilidad para definir las medidas adecuadas. Yo no estoy tan familiarizado con el concepto o el uso de Riemann-Stiltjes integral, y yo le agradeceria mucho si alguien pudiera proporcionar cualquier comparación.

Hasta donde yo sé, el único logro de la integración de Riemann es el teorema Fundamental del cálculo (a no descuidar su importancia). Estoy muy interesado en saber si hay más resultados importantes.

Para resumir la cuestión:

Donde es la integral de Riemann se utiliza en comparación con Lebesgue la integral (que se parece mucho mejor educados) y ¿por qué nos preocupamos?

Actualización:

Parece que se está de acuerdo en que la integración de Riemann sirve principalmente propósito didáctico en la enseñanza de introductionary cursos en análisis, como un trampolín para la integración de Lebesgue más tarde en las clases de teoría de la medida se introdujo. También, las integrales impropias fueron traídos como un ejemplo de algo integración de Lebesgue no se manejan bien. Sin embargo, en varias respuestas y comentarios tenemos otra noción, la de un indicador integral (Henstock–Kurzweil integral, (estrecho) Denjoy integral, Luzin integral o Perron integral). Esta integral no sólo se generaliza tanto de Riemann y Lebesgue de integración, pero también tiene mucho más satisfactoria teorema Fundamental del cálculo: si una función es una.e. diferenciable de lo que el diferencial es de calibre-integrable y, a la inversa de la función definida por calibre integral es una.e. diferenciable (aquí casi en todas partes significa en todas partes, hasta un contable set).

Gracias por todas las respuestas. Esta pregunta probablemente debe ser alterado de la siguiente forma (en más abiertas manera):

¿Cuáles son los pros y los contras de los diferentes tipos de integrales, y cuando debemos utilizar uno sobre el otro?

18voto

B. S. Thomson Puntos 1442

He tratado de hacer de este punto antes. Generalmente me parece que lo mejor de la cita de los "dioses", en este caso dado por dios de una:

...
J. Dieudonné, Fundamentos de Análisis Moderno. (Pura y Matemática Aplicada, Vol. X) XIV + 316 S. de Nueva York, 1960. Academic Press Inc.

"Finalmente, el lector probablemente observar la notoria ausencia de el tiempo que honra el tema en los cursos de análisis matemático, la `Riemann integral.' Bien puede ser la sospecha de que, de no haber sido por su prestigiosa nombre, esto habría sido abandonado hace mucho tiempo, para que (con la debida reverencia para Riemann' s un genio) es sin duda muy claro para cualquier trabajo matemático que hoy en día tal "teoría" en el mejor de los importancia de un leve ejercicio interesante en la teoría general de la la medida y la integración.

Sólo el terco conservadurismo de la tradición académica podría congelar en una parte regular del plan de estudios, mucho después de que había llegado al final de su importancia histórica. Por supuesto, es perfectamente factible limitar el proceso de integración a una categoría de funciones que es grande suficiente para todos los fines de un análisis elemental, pero lo suficientemente cerca como para las funciones continuas a prescindir de cualquier consideración extraídas de teoría de la medida; esto es lo que hemos hecho por definir sólo el integral de la regulación de las funciones. Cuando uno necesita una herramienta más potente no hay ningún punto de quedarse a mitad de camino, y la teoría general de la (Lebesgue) la integración es la única respuesta sensata."

En honor a la verdad debo señalar el caso de la defensa que se pueden encontrar aquí:

Regulado Funciones: Bourbaki Alternativa a la Integral de Riemann,
S. K. Berberian, La American Mathematical Monthly, Vol. 86, Nº 3 (Mar., 1979), pp 208-211.

13voto

Adam Malter Puntos 96

El hecho de que las funciones continuas son Riemann-integrable está implícita en el fondo de muchos de los resultados generales que implican la integración local en grupos compactos. Por ejemplo, la medida de Haar es típicamente se construyen a través de la representación de Riesz teorema especificando lo que la integral de una función continua con el compacto de apoyo debe de ser, y una forma común de hacer esto es por una construcción muy similar a la de las sumas de Riemann (véase, por ejemplo, la construcción de la medida de Haar en Folland de Un Curso sobre Análisis Armónico Abstracto, Teorema 2.10). También es útil en diversos argumentos para saber que la integral de una función continua puede ser aproximada por tomar las sumas de los valores de la función en finito de conjuntos de puntos que se vuelven más densos y más denso (es decir, las sumas de Riemann).

Por supuesto, estos resultados no utilice pesada de la teoría de la integral de Riemann de por sí (y de hecho generalmente formulado utilizando el lenguaje y los métodos de la teoría de la medida), pero aún así demostrar el valor de la comprensión que (algunas) de las integrales pueden ser calculadas como límite de sumas de Riemann, incluso para los muy teórica a los efectos.

13voto

B. S. Thomson Puntos 1442

Como hay una gran cantidad de opiniones sobre el tema planteado por nuestro interlocutor aquí (y el tema ha atraído a algunos de los espectadores), que apenas puedo resistir a agregar otra respuesta. Esta carta fue distribuida a los representantes de los editores en la Articulación de las Matemáticas Reuniones en San Diego, California, en enero de 1997.

UNA CARTA ABIERTA

A: Los autores de los libros de texto de cálculo


Desde: Varios autores de la más avanzada libros y artículos -

***-

Robert Bartle, USA <mth bartle@emuvax.emich.edu>
Ralph Henstock, Ireland <r.henstock@ulst.ac.uk>
Jaroslav Kurzweil, Czech Republic <kurzweil@mbox.cesnet.cz>
Eric Schechter, USA <schectex@math.vanderbilt.edu>
Stefan Schwabik, Czech Republic <schwabik@beba.cesnet.cz>
Rudolf Výborný, Australia <R.Vyborny@mailbox.uq.edu.au>

Asunto: Sustitución de la integral de Riemann con el medidor integral

Es sólo un accidente de la historia que la integral de Riemann es la que se utiliza en todos los cálculos de los libros hoy en día. El medidor integral (también conocido como la generalización de la integral de Riemann, la integral de Henstock, el Kurzweil integral, la integral de Riemann, etc.) fue descubierto más tarde, pero es un "mejor" integral en casi todos los aspectos. Por lo tanto, nos gustaría sugerir que en la próxima edición de su libro de texto de cálculo, presente tanto en la definición de la integral y el indicador de integrales, y, a continuación, estado teoremas principalmente para el medidor integral.

Este switch que sólo requieren la alteración de un par de páginas en su libro de cálculo. Cualquier estudiante de primer año de cálculo del libro está dedicado casi por entero a los derivados y antiderivatives -- cómo calcularlos y cómo utilizarlos; que el material no cambiaría en absoluto. El único cambio sería en el más teórico de las secciones del libro, es decir, las definiciones y los teoremas -- que tomar sólo un par de páginas.

Las razones para este cambio son dos: (i) Que en realidad podría hacer que algunas partes de su libro más legible. Algunas de las definiciones y teoremas puede ser dicho de forma más simple (y más fuerte) si el indicador integral se utiliza en lugar de la integral de Riemann. Esto es particularmente cierto en el Segundo Teorema Fundamental del Cálculo, discuten a continuación. (ii) sería una mejor preparación para el puñado de cálculo estudiantes que van a ir a más cursos de matemáticas. El medidor integral es mucho más útil que la integral de Riemann, como un puente para un análisis más avanzado.

La idea de introducir el medidor integral a estudiantes universitarios de primer año no es del todo nueva; fue promovido, por ejemplo, en la ponencia "La Enseñanza de la Integral" por Bullen y Výborný, Revista de Enseñanza de las Matemáticas en la Ciencia y la Tecnología, vol. 21 (1990). Sin embargo, creemos que la idea merece más amplio de la promoción; por lo tanto esta carta.

Introducción a la integral. Si usted no está familiarizado con el medidor integral, recomendamos el artículo de Bartle en el American Mathematical Monthly, octubre de 1996; se proporciona una breve introducción al tema y le da la mayoría de las principales referencias. Tal vez una segunda introducción sería el libro de DePree y Swartz (Introducción al Análisis Real, Wiley, 1988); está escrito para estudiantes universitarios avanzados y es probablemente el más elemental entre los disponibles en la actualidad la introducción a este tema. Los profesores de Bartle y Schechter se han ofrecido como voluntarios para estar disponibles, al menos en cierta medida, para responder a las preguntas que usted pueda tener acerca de este tema.

La definición. El medidor integral es una muy leve generalización de la integral de Riemann. En lugar de una constante $\epsilon$ y una constante $\delta$, se utiliza una constante de $\epsilon$ y una función $\delta$. Las dos definiciones pueden ser formulados de manera que son casi idénticos, y luego se colocan de lado a lado. Esto sería de gran ayuda para los maestros que están utilizando el libro y el aprendizaje sobre el medidor integral para la primera vez.

Pensamos que el ligero aumento en la complejidad de la definición se hacen muy poca diferencia en el aprendizaje de los alumnos desde el libro. Ha sido nuestra experiencia que, para la mayor parte, estudiante de primer año de cálculo estudiantes no comprender plenamente la definición de la integral de Riemann de todos modos, es demasiado complicado para los estudiantes en ese nivel. La definición de la integral de Riemann está incluido en un libro de cálculo más para la integridad y la integridad de la enseñanza. Los pocos estudiantes que tienen suficiente madurez en matemáticas para comprender la definición de la integral de Riemann probablemente no tienen mayor dificultad con el medidor integral, y se beneficiarán de estar expuesto a este concepto en su libro de cálculo.

La existencia y la no existencia de las integrales. En los últimos cálculo de los libros es la costumbre de estado sin la prueba de que funciones continuas y monótonas funciones en un intervalo compacto son Riemann integrables. La omisión de las pruebas a las que es inevitable -- una prueba implicaría la integridad de los reales, continuidad uniforme sobre compactos de intervalos, y otras nociones que están mucho más allá del alcance de los estudiantes de primer año.

Cualquier Riemann integrable función es evaluar también integrable. Muchas más funciones son de calibre integrable, como será evidente más adelante en esta carta; véase, en particular, nuestros comentarios sobre el Teorema de Convergencia Dominada.

[El resto de la carta omitido, pero puede ser encontrado en el internet. Desde entonces, hemos perdido Bartle, Henstock, y Schwabik. Espero que los otros están bien.]

10voto

B. S. Thomson Puntos 1442

Permítanme dar la palabra a otro matemático que escribió sobre este tema y publicó un artículo Mensual. (Él ya no está para tener su opinión y me gustaría recordarlo aquí).

... de Robert G. Bartle la revisión de la monografía de la teoría general de La integración, por Ralph Henstock. Oxford Matemáticas Monografías, Clarendon Press, Oxford, 1991, xi 262pp., ISBN 0-19-853566-X

"En la escuela primaria cálculo cursos que normalmente tienen éxito en la enseñanza de los estudiantes para evaluar una integral de una función adecuada de $ f = F'$ en un intervalo $ [a, b]$, evaluando $F(b)−F(a)$, pero a menudo tenemos que no mucho éxito en la conexión de este tipo de integración con Riemann sumas y sus límites. Durante su junior/senior año, los estudiantes que son el estudio de las matemáticas en serio se llevó entonces a través de una más cuidadosa y exhaustiva discusión de estas ideas. Sin embargo, se informó que todo esto es sólo tentativa, ya que cuando ellos se gradúen los estudiantes van a reemplazar el anticuado Riemann integral que acabo de dominar con la integral de Lebesgue.

Por supuesto, no es completamente reemplazado por esta nueva integral, porque hay ciertas nociones, tales como inapropiado de las integrales,' que no caen bajo este nuevo marco y son todavía de gran importancia. por otra parte, casi todas las evaluaciones de las integrales (si Riemann o Lebesgue) se encuentra mediante el uso de la $F(b) − F(a)$ método, con un par de pequeñas variaciones. Les decimos a nuestros avanzados de los estudiantes de pregrado que nos gustaría como para introducir la integral de Lebesgue, pero no puede hacerlo, ya que se requiere de un estudio previo de la teoría de la medida y/o la topología y es "muy avanzadas" para ellos en su actual etapa de estudio matemático. Probablemente ninguno de nosotros está satisfecho por este tortuoso procedimiento.

Supongamos que a alguien se le ocurrió una aproximación a la integral que simultáneamente se cubren la integración de todas las funciones que tiene antiderivatives, todas las funciones que tienen las integrales de Riemann, todos los funciones impropias integrales, y todas las funciones que tiene Lebesgue integrales. Por otra parte, supongamos que la definición de este 'superintegral' fue sólo ligeramente más complicada que la de la Riemann integral, que su desarrollo no requiere de estudio de la medida teoría, ningún estudio de la topología, y que esta integral tenían propiedades que corresponden a la Monotonía Teorema de Convergencia y el Lebesgue Teorema de Convergencia dominada (entre otros).

Si este matemático milagro se produjo, entonces, ¿no sería este nuevo enfoque inmediatamente adoptada, al menos en el junior/senior a nivel de curso, y trabajó rápidamente en el cálculo de nivel? La respuesta es un rotundo: ¡No!

Prueba. De hecho, forman ya se ha desarrollado y ha estado alrededor por algún tiempo, pero su existencia se ha mantenido en gran parte desconocido (excepto para los lectores de el Análisis Real de Intercambio) y ha tenido muy poca, si alguna, el impacto educativo (conocida este revisor)."

Ver también el artículo de Robert G. Bartle, Volver a la Integral de Riemann Amer. De matemáticas. Mensual 103 (1996), no. 8, 625-632.

7voto

Eric Towers Puntos 8212

Intente $\int \frac{\sen t}{t}$. Este es un viejo ejemplo y es parcialmente falsa. Es válido en $\int \left| \frac{\sen t}{t} \right| \ < \infty$. Sin embargo, si por el contrario nos evaluar como $\lim_{Un \rightarrow \infty} \int_{-A}^\frac{\sen t}{t}$, que nos encontramos (después de un par de difícil manipulaciones) que esto es Lebesgue integrable como es Riemann integrable. Sin embargo, la integral de Riemann "trucos" -- lleva el (asimétrica) versión de límite de la integral como su definición, mientras que la integral de Lebesgue no.

Estoy bastante seguro de que me puede enseñar a un ordenador, el físico e ingeniero para calcular las sumas de Riemann y explicar cómo la integral de Riemann es el límite de dichas sumas. Me puedo imaginar la profunda dificultades de la enseñanza de Lebesgue integrales sin comenzando con las integrales de Riemann.

Un análogo de la pregunta en la Física es "¿por qué hemos de enseñar a la gente Newtoniana de la Gravedad, cuando el General de la Relatividad de einstein es mucho mejor?" Y la respuesta es similar: Algunas cosas son más fácil de calcular, a través de Newton y tratando de entender a Einstein sin comprender Newton simplemente no funciona.

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