勒贝格积分
,是现代数学中的一个积分概念,它将积分运算扩展到任何
测度
空间中。在最简单的情况下,对一个非负值的函数的积分可以看作是求其函数图像与轴之间的面积。勒贝格积分则将积分运算扩展到其它函数,并且也扩展了可以进行积分运算的函数的范围。
最早对积分运算的定义是对于非负值和足够光滑的函数来说,其积分相当于使用求极限的手段来计算一个多边形的面积。但是随着对更加不规则的函数的积分运算的需要不断产生(比如为了讨论
数学分析
中的
极限
过程,或者出于
概率论
的需求),很快就产生了对更加广义的求极限手段的要求来定义相应的积分运算。
在
实分析
和在其它许多数学领域中勒贝格积分拥有一席重要的地位。勒贝格积分是以
昂利·勒贝格
命名的,他于1904年引入了这个积分定义。今天勒贝格积分有狭义和广义两种意义。广义地说是相对于一个测度而定义的函数积分。狭义则是指相对于
勒贝格测度
在
实直线
或者更高维数的
欧氏空间
的一个子集中定义的
函数
的积分。
勒贝格积分与实变函数论。
集合论的观点在20世纪初首先引起积分学的变革,从而导致了实变函数论的建立。
1854年黎曼(德,1826-1866年)定义了
黎曼积分
,19世纪末,分析的严格化迫使许多数学家认真考虑所谓“病态函数”,特别是不
连续函数
、
不可微函数
的积分问题,如,积分的概念可以怎样推广到更广泛的函数类上?1898年波莱尔(法,1871-1956年)的测度论(1925年曾任法国海军部长),1902年勒贝格(法,1875-1941年)的博士论文《积分,长度与面积》建立了测度论和积分论,使一些原先在黎曼意义下不可积的函数按勒贝格的意义变得可积了,可以重建微积分基本定理,从而形成一门新的学科:实变函数论。成为分析的“
分水岭
”,人们常把勒贝格以前的
分析学
称为经典分析,而把以由勒贝格积分引出的实变函数论为基础而开拓出来的分析学称为现代分析。
黎曼积分的重要推广,分析数学中普遍使用的重要工具。
19世纪的微积分学中已经有了许多直观而有用的积分,例如黎曼积分(简称R积分)、黎曼-斯蒂尔杰斯积分(简称R-S积分)等。只要相应的函数性质良好,用这些积分来计算曲边形面积、物体重心、物理学上的功、能等,是很方便的。然而,随着认识的深入,人们愈来愈经常地需要处理复杂的函数,例如,由一列性质良好的函数组成级数所定义出来的函数,两个变元的函数对一个变元积分后所得到的
一元函数
等。在讨论它们的可积性、
连续性
、可微性时,经常遇到积分与极限能否交换顺序的问题。
通常只有在很强的假设下才能对这问题作出肯定的回答。因此,在理论和应用上都迫切要求建立一种新的积分,它既能保持R积分的几何直观和计算上的有效,又能在积分与极限交换顺序的条件上有较大的改善。1902年法国数学家H.L.勒贝格出色地完成了这一工作,建立了以后人们称之为勒贝格积分的理论,接着又综合R-S积分思想产生了勒贝格-
斯蒂尔杰斯积分
(简称l-S积分)。20世纪初又发展成建立在一般集合上的测度和积分的理论,简称测度论。
在闭区间a和b之间对函数f的积分可以被看作是求f的函数图像下的面积。对于
多项式
这样比较常见的函数来说这个定义简而易懂。但是对于更加稀奇古怪的函数来说它是什么意思呢?广义地来说,对于什么样的函数“函数图像下的面积”这个概念有意义?这个问题的答案具有很大的理论性和实际性意义。
19世纪里在数学中有把整个数学理论放到一个更加坚固的基础上的趋势。在这个过程中数学家也试图给积分计算提供一个稳固的定义。
波恩哈德·黎曼
提出的
黎曼积分
成功地为积分运算提供了一个这样的基础。黎曼积分的出发点是构造一系列容易计算的面积,这些面积最后收敛于给定的函数的积分。这个定义很成功,为许多其它问题提供了有用的答案。
但是在求函数序列的极限的时候黎曼积分的效果不良,这使得这些极限过程难以分析。而这个分析比如在研究
傅里叶级数
、
傅里叶变换
和其它问题时却是极其重要的。勒贝格积分能够更好地描述在什么情况下积分有极限。勒贝格积分所构造出的容易计算的面积与黎曼积分所构造的不同,这是勒贝格积分更加成功的主要原因。勒贝格的定义也使得数学家能够计算更多种类的函数的积分。比如输入值为
无理数
时函数值为0,输入值为
有理数
时函数值为1的
狄利克雷函数
没有黎曼积分,但是有勒贝格积分。
勒贝格积分
测度理论
最初测度理论是用来对
欧几里得空间
中直线的长度,以及更广义地,欧几里得空间的子集的面积和体积进行仔细分析发展出来的。它尤其可以为R的哪些子集拥有长度这个问题提供一个系统性的回答。后来发展的
集合论
证明,实际上不可能为 R的所有子集都分配一个长度,且保持天然的可加性和平移不变的性质。因此给出一个合适的,可测量的子集类是一个关键的前提。
当然,黎曼积分隐含了长度的概念。事实上计算黎曼积分的元素是[
a
,
b
]×[
c
,
d
]所组成的长方形,它的面积为(
b
−
a
)(
d
−
c
)。
b
−
a
是这个长方形的宽度,而
d
−
c
则是其高度。黎曼只能用平面的长方形来估算曲线下的面积,因为当时还没有其它适当的理论来测量更一般的集合。
在大多数现代的教科书中测度和积分都是公理性的。也就是说测度是一个定义在集合 E的某些子集组成的集合X上的函数μ,这些子集必须拥有一定的特征。在许多不同的情况下这些特征成立。