リーマン積分ができる条件は不連続点の測度で決まる|測度論
の上でリーマン積分できる関数は、必ずルベーグ積分もできて、値も一致します[1]。
逆は成り立ちません。ルベーグ積分できてもリーマン積分できない関数がいくらでもある[3]。
つまりルベーグ積分はリーマン積分の拡張。計算の結果が変わることはなく、扱える関数の範囲だけが広がる。
リーマン可積分になる条件
どこまで広がるのかは、はっきり書けます。ルベーグとヴィタリが 1907 年に独立に示した判定条件[2]。
有界な関数 がリーマン可積分であることと、 の不連続点全体の集合がルベーグ測度 であることは同値になります。
条件は 2 つです。有界であること、そして不連続点が測度 しかないこと。どちらが欠けてもリーマン積分できません。
有界であることを確かめる
不連続点の集合の測度を測る
0 ならリーマン可積分
上下のダルブー和で挟む手続きを思い出すと、条件の意味が見えてくる。細分を細かくしたとき、上和と下和の差が残るのは関数が振れている場所です。
振れている場所が測度 しかなければ、差の総量は に落ちる。振れが正の測度にわたって残ると、差は消えません。
例:ディリクレ関数
を で考えます。どの区間にも有理数と無理数が両方いるので、上和はいつも 、下和はいつも [3]。
細分をどれだけ細かくしても差が のまま残り、リーマン積分できません。不連続点の集合は 全体で、測度は 。判定条件を満たしていない。
ルベーグ積分なら から値は です。可算個の点の寄与が測度で消える。
ここで言葉に気をつけたいところがあります。 は「ほとんどいたるところ連続」ではありません[1]。連続な関数と a.e. で等しいだけ。
「ほとんどいたるところ連続」は不連続点が測度 という意味で、「連続関数と a.e. で等しい」とは別の条件です。リーマン可積分の判定に効くのは前者のほう。
不連続点の集合の測度が 。リーマン可積分の判定条件はこちら
値を測度 の集合の上で書き換えれば連続になる。ディリクレ関数はこちらだけを満たす
例:トマエ関数とカントール集合
不連続点が無限個あってもリーマン可積分になる例を並べます。
トマエ関数は、既約分数 で 、無理数で をとります。不連続点は有理数全体で可算個、測度は 。有界でもあるので、リーマン可積分です。
積分の値は 。連続点の集合が無理数全体で、そこでは値が だからです。
もっと極端な例もあります。測度 のカントール集合 の指示関数 は、 の各点で不連続[1]。 は非可算なので、不連続点は非可算個。
それでも なので判定条件を満たし、リーマン可積分になります。不連続点の個数ではなく測度が問題だ、という点がはっきり出る例。
逆に、抜く幅を縮めて作った測度 の太ったカントール集合を使うと、 の不連続点の測度が になってリーマン積分できません。同じ手順で作った集合なのに、測度の違いだけで結果が分かれます。
広義積分では逆転が起きる
ここまでは有界閉区間の話でした。広義リーマン積分まで広げると、包含関係が崩れます[4]。
この積分は広義リーマン積分として収束します。ところが絶対値をとると発散する[4]。
ルベーグ積分の可積分性は で定義されていました。だから は でルベーグ可積分にならない。
正の部分と負の部分が打ち消し合って収束する、という条件収束の型です。ルベーグ積分は打ち消し合いに頼らない定義なので、この型を拾えません。
条件収束する広義積分をルベーグの枠で扱いたいときは、区間を切って極限をとる形に書き直します。 と書けば、各段はルベーグ積分として意味を持つ。
極限をとると差がはっきりする
2 つの積分の差がいちばん出るのは、関数列の極限を扱うところです[3]。
の有理数を と並べ、 を最初の 個の点でだけ をとる関数とします。各 はリーマン可積分で積分は 、しかも増加列で有界。
ところが極限はディリクレ関数で、リーマン積分できません。増加する有界なリーマン可積分列の極限が、枠の外へ出てしまう。
ルベーグ積分ならこの心配がありません。可測関数の族が各点極限で閉じているので、極限も枠の中に残る。単調収束定理も優収束定理も、この閉じ方の上に立っている。
| 観点 | リーマン積分 | ルベーグ積分 |
|---|---|---|
| 刻む向き | 定義域 | 値域 |
| 極限で閉じるか | 閉じない | 閉じる |
| 条件収束 | 広義積分で拾える | 拾えない |
どちらが広いか
有界閉区間に限れば、ルベーグ積分のほうが真に広い。広義積分まで含めると、どちらにも相手が扱えない関数があります。
はルベーグだけが扱えます。 を で見ると、広義リーマンだけが扱える。
両方を含む枠組みも作られていて、ヘンストック・クルツヴァイル積分がそのひとつ[4]。ただし収束定理の扱いやすさでは、ルベーグ積分に分があります。
条件収束する広義積分を素直に扱える。定義が初等的で、計算の道具立てが軽い
各点極限で閉じている。収束定理が書け、 空間が完備になる。積分できる関数の範囲も広い
quiz で確かめる
測度 のカントール集合 について、 は でリーマン積分できますか。
- できない。不連続点が非可算個あるから
- できる。不連続点の集合の測度が だから
- できない。 が閉集合だから










判定条件が見ているのは不連続点の個数ではなく測度です。χC の不連続点は C の全体で非可算個ありますが、λ(C)=0 なので条件を満たします。