www.wikidata.de-de.nina.az
Das Gauge Integral auch Eichintegral Henstock Integral Henstock Kurzweil Integral Denjoy Perron Integral ist ein Integraltyp deskriptiver Natur dessen heutige Formulierung erst Mitte des 20 Jahrhunderts von dem Mathematiker Jaroslav Kurzweil 1926 2022 1 entdeckt wurde Ralph Henstock widmete sich der Entwicklung der Theorie dieses Integraltyps Eine zentrale Abschatzung das sog Henstock Lemma ist nach ihm benannt Vorlaufer ist das aquivalente Denjoy Perron Integral das allerdings auf einer sehr technischen und unanschaulichen Definition beruht Die Besonderheit des Gauge Integrals besteht darin dass jede Ableitungsfunktion f a b R displaystyle f colon a b rightarrow mathbb R automatisch das heisst ohne Zusatzvoraussetzungen integrabel ist mit a b f t d t f b f a displaystyle textstyle int a b f t mathrm d t f b f a Daneben treten in der Theorie des Gauge Integrals bedingt integrable Funktionen auf Darunter versteht man Funktionen die zwar integrabel sind nicht aber deren Betrag Sowohl bei der Riemann als auch bei der Lebesgue Definition folgt aus der Integrierbarkeit einer Funktion stets die Integrierbarkeit ihres Betrags Das Gauge Integral enthalt sowohl das Riemann als auch das Lebesgue Integral als Spezialfalle d h jede Riemann bzw Lebesgue integrable Funktion ist Gauge integrabel da es jedoch Funktionen gibt die weder Riemann noch Lebesgue integrabel aber dennoch Gauge integrabel sind stellt das Gauge Integral eine echte Erweiterung des Lebesgue Integrals dar Den Namen Eichintegral gauge ist der englische Ausdruck fur Eichung verdankt das Integral seiner Definition Ahnlich wie das Riemann Integral kommen auch beim Eichintegral Zerlegungen und Riemann Summen zum Einsatz die Feinheit einer Zerlegung wird allerdings mit einer speziellen intervallwertigen Funktion genannt Eichfunktion beurteilt Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 1 1 Der Hauptsatz 1 2 Das Straddle Lemma und die Probleme des Riemann Integrals 1 3 Grundideen 2 Die formale Definition 2 1 Vorarbeiten 2 2 Beispiel 2 3 Definition des Gauge Integrals 3 Eigenschaften des Gauge Integrals 4 Erweiterungen 4 1 Erweiterungen in einer Dimension 4 2 Das mehrdimensionale Gauge Integral 5 Charakterisierung 6 Literatur und Weblinks 7 EinzelnachweiseEinleitung BearbeitenDer Hauptsatz Bearbeiten Der Hauptsatz der Differenzial und Integralrechnung in der gangigen Zahlung sein 1 Teil ist ein zentraler Satz in der Theorie des Riemann und des Lebesgue Integrals Er lautet Satz Ist eine Ableitungsfunktion f displaystyle f nbsp von f displaystyle f nbsp uber dem Intervall a b displaystyle a b nbsp Riemann bzw Lebesgue integrierbar so gilt a b f t d t f b f a displaystyle int a b f t mathrm d t f b f a nbsp Der Hauptsatz liefert in der Praxis eine der wichtigsten Methoden den Wert eines Integrals konkret und exakt zu bestimmen Mochte man etwa die Funktion f 0 1 R displaystyle f colon 0 1 rightarrow mathbb R nbsp mit f x x 2 displaystyle f x x 2 nbsp uber 0 1 displaystyle 0 1 nbsp integrieren so fasst man f als Ableitungsfunktion einer Funktion F 0 1 R displaystyle F colon 0 1 rightarrow mathbb R nbsp genannt Stammfunktion auf Offenbar ist durch F x 1 3 x 3 displaystyle F x tfrac 1 3 x 3 nbsp eine Stammfunktion von f displaystyle f nbsp gegeben sodass folgt 0 1 x 2 F 1 F 0 1 3 1 3 1 3 0 3 1 3 displaystyle int 0 1 x 2 F 1 F 0 frac 1 3 1 3 frac 1 3 0 3 frac 1 3 nbsp Sowohl beim Riemann als auch beim Lebesgue Integral muss allerdings die Integrierbarkeit von f displaystyle f nbsp als Voraussetzung angefuhrt werden nicht jede Ableitungsfunktion ist unbedingt auch integrabel Vielmehr zeigt sich dass es Ableitungsfunktionen gibt die weder Riemann noch Lebesgue integrabel sind Ein Beispiel ist die Funktion g 0 1 R displaystyle g colon 0 1 rightarrow mathbb R nbsp mit nbsp Abbildung 1 Darstellung der Funktion g und ihrer Ableitung die Funktion g wurde mit dem Faktor 150 skaliert g x x 2 cos p x 2 fur x gt 0 0 fur x 0 displaystyle g x begin cases x 2 cos left frac pi x 2 right amp text fur x gt 0 0 amp text fur x 0 end cases nbsp vgl Abb 1 Ihre Ableitung ist durch g x 2 x cos p x 2 2 p x sin p x 2 fur x gt 0 0 fur x 0 displaystyle g x begin cases 2x cos left frac pi x 2 right frac 2 pi x sin left frac pi x 2 right amp text fur x gt 0 0 amp text fur x 0 end cases nbsp gegeben Da g displaystyle g nbsp nicht beschrankt ist ist g displaystyle g nbsp auch nicht Riemann integrabel Man kann zeigen dass g displaystyle g nbsp auch nicht Lebesgue integrierbar ist Eine anschauliche Analyse der Grunde aus denen g displaystyle g nbsp nicht Riemann integrabel ist fuhrt zu einer entscheidenden Verbesserung der Riemann Definition Dazu uberlegt man sich zunachst woher die Formel a b f t d t f b f a displaystyle textstyle int a b f t mathrm d t f b f a nbsp uberhaupt kommt Das Straddle Lemma und die Probleme des Riemann Integrals Bearbeiten Nach dem Mittelwertsatz der Differenzialrechnung gibt es zu einer differenzierbaren Funktion f a b R displaystyle f colon a b rightarrow mathbb R nbsp auf einem Intervall x y a b displaystyle x y subset a b nbsp ein c x y displaystyle c in x y nbsp mit f c f y f x y x displaystyle f c frac f y f x y x nbsp Wahlt man zu einer Zerlegung Z x 0 x n displaystyle Z x 0 dots x n nbsp Zwischenstellen c i x i 1 x i displaystyle c i in x i 1 x i nbsp nach dem Mittelwertsatz so erhalt man als Ergebnis fur Riemannsummen S f Z c 1 c n displaystyle S f Z c 1 dots c n nbsp S f Z c 1 c n i 1 n f c i x i x i 1 i 1 n f x i f x i 1 x i x i 1 x i x i 1 i 1 n f x i f x i 1 f b f a displaystyle begin array rcl S f Z c 1 dots c n amp amp sum i 1 n f c i x i x i 1 sum i 1 n frac f x i f x i 1 x i x i 1 x i x i 1 amp amp sum i 1 n f x i f x i 1 f b f a end array nbsp nbsp Abbildung 2 Die Tangente im Punkt an der Stelle t displaystyle t nbsp und die Sekante uber dem Intervall x y displaystyle x y nbsp in dem t displaystyle t nbsp liegt sind nahezu parallel die Sekantensteigung mittlere Steigung uber x y displaystyle x y nbsp also eine gute Naherung der Tangentensteigung punktuelle Steigung Die letzte Summe stellte dabei eine Teleskopsumme dar Fur andere Zwischenstellen gilt in der obigen Rechnung i A keine Gleichheit doch fur den Nachweis von a b f t d t f b f a displaystyle int a b f t mathrm d t f b f a nbsp ist es auch nicht erforderlich dass alle Riemannsummen exakt gleich f b f a displaystyle f b f a nbsp sind Es genugt dass sich die Riemannsummen der Zahl f b f a displaystyle f b f a nbsp fur irgendwelche Zwischenstellen beliebig nahern sofern man die betrachteten Zerlegungen nur hinreichend fein wahlt Dies ware etwa dann der Fall wenn eine Funktion f displaystyle f nbsp auf jedem Intervall x y a b displaystyle x y subset a b nbsp fur alle t x y displaystyle t in x y nbsp die Naherung 1 f y f x y x f t displaystyle 1 frac f y f x y x approx f t nbsp erfullt wobei der durch die Naherung entstehende Fehler beliebig klein wird sofern das Intervall x y displaystyle x y nbsp nur hinreichend klein ist Abb 2 Nun gibt es aber Funktionen die genau dieses Verhalten nicht zeigen Eine solche Funktion ist die Funktion g displaystyle g nbsp aus dem vorherigen Abschnitt Man betrachte etwa das Intervall 0 x 1 displaystyle 0 x 1 nbsp fur irgendein auch beliebig kleines 0 lt x 1 lt 1 displaystyle 0 lt x 1 lt 1 nbsp g displaystyle g nbsp oszilliert nahe 0 wild hin und her daher lasst sich auf jedem Intervall dieser Form egal wie klein es auch sei eine Stelle t 1 displaystyle t 1 nbsp finden sodass g t 1 displaystyle g t 1 nbsp eine beliebig grosse positive oder negative Zahl ist Die durchschnittliche Steigung uber dem Intervall hingegen strebt gegen 0 wenn x 1 displaystyle x 1 nbsp gegen 0 tendiert Schliesslich ist g 0 0 displaystyle g 0 0 nbsp und die durchschnittliche Steigung von g uber dem Intervall 0 x 1 displaystyle 0 x 1 nbsp gerade der Differenzenquotient von g displaystyle g nbsp an der Stelle 0 g x 1 g 0 x 1 0 g 0 0 fur kleine x 1 displaystyle frac g x 1 g 0 x 1 0 approx g 0 0 text fur kleine x 1 nbsp g t 1 displaystyle g t 1 nbsp kann also beliebig stark von der durchschnittlichen Steigung auf dem Intervall 0 x 1 displaystyle 0 x 1 nbsp abweichen Da jede Zerlegung Z ein Intervall dieser Form enthalt gibt es fur jede Zerlegung ein Teilintervall und bestimmte Zwischenstellen fur die die Naherung 1 displaystyle 1 nbsp verletzt ist Dies kann wie im Fall der Funktion g dazu fuhren dass g displaystyle g nbsp nicht Riemann integrabel ist denn nach der Riemannschen Definition mussen ja alle Zwischenstellen zu einer Zerlegung Z untersucht werden Wunschenswert ware eine Integraldefinition bei der zu bestimmten Teilintervallen auch nur bestimmte Zwischenstellen betrachtet zu werden brauchen Zwecks Integration der Funktion g displaystyle g nbsp ware es z B hilfreich fur das Teilintervall 0 x 1 displaystyle 0 x 1 nbsp nur die Zwischenstelle 0 zuzulassen denn nach displaystyle nbsp ware Naherung 1 displaystyle 1 nbsp damit erfullt Eine Integrationstheorie die auf Riemannsummen basiert und in der jede Ableitungsfunktion integrabel ist sollte nach den vorherigen Uberlegungen nur solche Paare von Zerlegungen Z x 0 x n displaystyle Z x 0 dots x n nbsp und Zwischenstellen t 1 t n displaystyle t 1 dots t n nbsp berucksichtigen fur die 2 f t i f x i f x i 1 x i x i 1 displaystyle 2 f t i approx frac f x i f x i 1 x i x i 1 nbsp gilt Der folgende Satz eroffnet eine Moglichkeit solche Paare zu identifizieren Satz Straddle Lemma Sei f a b R displaystyle f colon a b rightarrow mathbb R nbsp differenzierbar in t a b displaystyle t in a b nbsp Dann gibt es zu jedem ϵ gt 0 displaystyle epsilon gt 0 nbsp ein d t gt 0 displaystyle delta t gt 0 nbsp mit f y f x f t y x ϵ y x displaystyle f y f x f t y x leq epsilon y x nbsp fur alle x y a b displaystyle x y in a b nbsp mit x t y displaystyle x leq t leq y nbsp und x y t d t t d t displaystyle x y subset t delta t t delta t nbsp Wenn man die Ungleichung des Straddle Lemmas durch y x displaystyle y x nbsp dividiert wird seine Kernaussage offenbar Zu jedem Punkt t a b displaystyle t in a b nbsp gibt es ein abgeschlossenes Intervall x y a b displaystyle x y subset a b nbsp fur das f t f y f x y x displaystyle f t approx frac f y f x y x nbsp gilt Die Zahl ϵ gt 0 displaystyle epsilon gt 0 nbsp gibt den Fehler dieser Naherung an Da ϵ displaystyle epsilon nbsp beliebig also insbesondere beliebig klein sein darf kann sogar stets ein Intervall x y displaystyle x y nbsp gefunden werden auf dem die obige Naherung beliebig gut ist Voraussetzung ist lediglich dass sich die Intervallgrenzen x displaystyle x nbsp und y displaystyle y nbsp hinreichend nahe bei t displaystyle t nbsp befinden oder anders formuliert Voraussetzung ist dass das Intervall x y displaystyle x y nbsp in einer hinreichend kleinen Umgebung von t displaystyle t nbsp liegt x y t d t t d t displaystyle x y subset t delta t t delta t nbsp Wahlt man nun nur solche Paare aus der Zerlegung Z x 0 x n displaystyle Z x 0 dots x n nbsp zusammen mit Zwischenstellen t 1 t n displaystyle t 1 dots t n nbsp aus fur die die Bedingung 3 x i 1 x i t i d t i t i d t i displaystyle 3 x i 1 x i subset t i delta t i t i delta t i nbsp zutrifft wobei d displaystyle delta nbsp nach dem Straddle Lemma gewahlt ist so ist die Naherung 2 displaystyle 2 nbsp stets erfullt und alle zugehorigen Riemann Summen liegen nahe bei f b f a displaystyle f b f a nbsp wie gewunscht nbsp Abbildung 3 Der Feinheitsbegriff Riemanns reicht nicht aus um zu beurteilen ob eine Zerlegung und zugehorige Zwischenstellen die Bedingung 3 displaystyle 3 nbsp befriedigen Die Zerlegungen Z 1 displaystyle Z 1 nbsp und Z 2 displaystyle Z 2 nbsp sind im Sinne Riemanns gleich fein das grosste Teilintervall ist jeweils gleich lang Fur die Zwischenstelle t displaystyle t nbsp ist Bedingung 3 displaystyle 3 nbsp fur die Zerlegung Z 1 displaystyle Z 1 nbsp zwar erfullt fur Z 2 displaystyle Z 2 nbsp trotz gleicher Feinheit jedoch nicht Es stellt sich nun die Frage wie man aus allen moglichen Kombinationen von Zwischenstellen und Zerlegungen solche geeigneten Kombinationen auswahlt Der Riemannsche Feinheitsbegriff d h die Betrachtung der grossten Intervalllange m Z max x i x i 1 i 1 n displaystyle mu Z max x i x i 1 i 1 dots n nbsp taugt dazu nicht Offensichtlich gehen die gewahlten Zwischenstellen und damit die Positionen der Teilintervalle x i 1 x i displaystyle x i 1 x i nbsp gar nicht in die Bewertung der Feinheit der Zerlegung Z displaystyle Z nbsp ein Die massgebliche Zahl d t gt 0 displaystyle delta t gt 0 nbsp aus dem Straddle Lemma wird jedoch i A vom Ort t displaystyle t nbsp abhangen Man wird z B erwarten dass d t displaystyle delta t nbsp umso kleiner ist desto starker f displaystyle f nbsp in der Nahe dieses Punktes oszilliert Deswegen kann es durchaus passieren dass fur eine Zerlegung Z 1 displaystyle Z 1 nbsp und Zwischenstellen t 1 t n displaystyle t 1 dots t n nbsp die Bedingung 3 displaystyle 3 nbsp erfullt ist fur eine genauso feine Zerlegung Z 2 displaystyle Z 2 nbsp jedoch nicht vgl Abbildung 3 sogar dann nicht wenn die gleiche Zwischenstelle betrachtet wird Ziel wird es also sein einen verbesserten Feinheitsbegriff zu schaffen der die Position der Teilintervalle x i 1 x i displaystyle x i 1 x i nbsp berucksichtigt Grundideen Bearbeiten Zusammengefasst lauten die Leitlinien fur die Definition des Gauge Integrals Im Rahmen eines neuen Integraltyps sollte jede Ableitungsfunktion f displaystyle f nbsp automatisch d h ohne Zusatzvoraussetzungen integrierbar sein mit a b f t d t f b f a displaystyle int a b f t mathrm d t f b f a nbsp Dafur muss das Verhaltnis zwischen Zwischenstellen und Zerlegungen neu geregelt werden sodass es moglich wird Zwischenstellen mit solchen Zerlegungen zu kombinieren die gut zusammenpassen Dazu muss ein Feinheitsbegriff geschaffen werden der die Positionen der Teilintervalle x i 1 x i displaystyle x i 1 x i nbsp i 1 n displaystyle i 1 dots n nbsp berucksichtigt und der es erlaubt zu bestimmten Teilintervallen auch nur bestimmte Zwischenstellen zuzulassen Die formale Definition BearbeitenVorarbeiten Bearbeiten Da fur das neue Integral nur zueinander passende Zerlegungen und Zwischenstellen betrachtet werden sollen liegt es nahe die beiden Begriffe zunachst in einem Begriff zusammenzufugen Definition markierte Zerlegung Seien Z x 0 x n displaystyle Z x 0 dots x n nbsp eine Zerlegung eines Intervalls a b displaystyle a b nbsp und t 1 t n displaystyle t 1 dots t n nbsp zu Z gehorige Zwischenstellen d h es gelte t i x i 1 x i displaystyle t i in x i 1 x i nbsp fur i 1 n displaystyle i 1 dots n nbsp Die Menge D t i x i 1 x i i 1 n t i I i i 1 n displaystyle D t i x i 1 x i i 1 dots n t i I i i 1 dots n nbsp nennt man eine markierte Zerlegung engl tagged partition des Intervalls a b displaystyle a b nbsp Eine markierte Zerlegung enthalt also geordnete Paare der Form t I displaystyle t I nbsp wobei I displaystyle I nbsp ein abgeschlossenes Intervall und t displaystyle t nbsp eine Zahl mit t I displaystyle t in I nbsp ist Riemannsummen S f D displaystyle S f D nbsp bzgl einer Funktion f displaystyle f nbsp und einer markierten Zerlegung D displaystyle D nbsp definiert man genau wie Riemannsche Zwischensummen durch S f D i 1 n f t i l I i i 1 n f t i x i x i 1 displaystyle S f D sum i 1 n f t i l I i sum i 1 n f t i x i x i 1 nbsp Die folgende Definition legt den Grund fur einen verbesserten Feinheitsbegriff Definition Eichfunktion Eine intervallwertige Funktion g displaystyle gamma nbsp auf dem Intervall a b displaystyle a b nbsp heisst Eichfunktion wenn t g t displaystyle t in gamma t nbsp und g t displaystyle gamma t nbsp ein offenes Intervall ist nbsp Abbildung 4 Oben Eine Eichfunktion weist jedem Punkt x a b displaystyle x in a b nbsp ein offenes Intervall g x displaystyle gamma x nbsp grun zu Unten Eine markierte Zerlegung D t i x i 1 x i i 1 n displaystyle D t i x i 1 x i i 1 dots n nbsp ist g displaystyle gamma nbsp fein wenn x i 1 x i g t i displaystyle x i 1 x i subset gamma t i nbsp fur i 1 n displaystyle i 1 dots n nbsp Eine Eichfunktion ordnet also jedem Punkt t a b displaystyle t in a b nbsp ein offenes Intervall g t displaystyle gamma t nbsp zu das t displaystyle t nbsp enthalt Uber den Begriff der Eichfunktion g displaystyle gamma nbsp lasst sich nun ein sehr flexibles Feinheitsmass definieren das nicht nur die Position der Teilintervalle I i x i 1 x i displaystyle I i x i 1 x i nbsp einer Zerlegung Z displaystyle Z nbsp berucksichtigt sondern uber das sich auch die Beziehung zwischen Zerlegung und Zwischenstellen regeln lasst Eine markierte Zerlegung D displaystyle D nbsp soll dann g displaystyle gamma nbsp fein heissen wenn g displaystyle gamma nbsp eine Eichfunktion ist und jedes Teilintervall I i x i 1 x i displaystyle I i x i 1 x i nbsp innerhalb desjenigen offenen Intervalls liegt das g displaystyle gamma nbsp an der zu dem Teilintervall gehorenden Zwischenstelle t i displaystyle t i nbsp liefert Definition Sei g displaystyle gamma nbsp eine Eichfunktion auf dem Intervall a b und D t i I i i 1 n displaystyle D t i I i i 1 dots n nbsp eine markierte Zerlegung dieses Intervalls D displaystyle D nbsp heisst g displaystyle gamma nbsp fein wenn I i g t i displaystyle I i subset gamma t i nbsp fur alle i 1 n displaystyle i 1 dots n nbsp Beispiel Bearbeiten Durch Beschrankung auf g displaystyle gamma nbsp feine Zerlegungen ist es durch geschickte Wahl der Eichfunktion g displaystyle gamma nbsp moglich nur passende Paare von Zerlegungen und Stutzstellen auszuwahlen Sei etwa a b 0 1 displaystyle a b 0 1 nbsp und Z displaystyle Z nbsp eine Zerlegung dieses Intervalls Soll wie im Beispiel der Funktion g displaystyle g nbsp die 0 displaystyle 0 nbsp als einzige mogliche Zwischenstelle zum Teilintervall I 1 0 x 1 displaystyle I 1 0 x 1 nbsp zugelassen werden so definiert man g displaystyle gamma nbsp wie folgt g t d 0 d 0 fur t 0 t d t t d t fur t 0 displaystyle gamma t begin cases delta 0 delta 0 amp text fur t 0 t delta t t delta t amp text fur t neq 0 end cases nbsp Dabei sei 0 lt d t lt t 2 displaystyle 0 lt delta t lt frac t 2 nbsp und d 0 gt 0 displaystyle delta 0 gt 0 nbsp beliebig Dann ist g 0 displaystyle gamma 0 nbsp das einzige durch g displaystyle gamma nbsp gegebene offene Intervall das die 0 enthalt Fur jede markierte Zerlegung D displaystyle D nbsp von 0 1 displaystyle 0 1 nbsp muss aber gelten I 1 g t 1 displaystyle I 1 subset gamma t 1 nbsp Wegen 0 I 1 displaystyle 0 in I 1 nbsp kann eine markierte Zerlegung nur dann g displaystyle gamma nbsp fein sein wenn t 1 0 displaystyle t 1 0 nbsp Das Teilintervall I 1 0 x 1 displaystyle I 1 0 x 1 nbsp tritt also in jeder g displaystyle gamma nbsp feinen markierten Zerlegung ausschliesslich zusammen mit der Zwischenstelle 0 auf Weiterhin kann aufgrund der t displaystyle t nbsp Abhangigkeit der Funktion d displaystyle delta nbsp die Kleinheit eines Teilintervalls I i displaystyle I i nbsp einer markierten Zerlegung D displaystyle D nbsp in Abhangigkeit von der Zwischenstelle t i displaystyle t i nbsp und damit von der Position des Teilintervalls eingestellt werden Definition des Gauge Integrals Bearbeiten nbsp Abbildung 5 Approximation der Flache zwischen dem Graphen einer Funktion f displaystyle f nbsp und der x displaystyle x nbsp Achse durch Riemannsche Zwischensummen orange Rechtecke Das Gauge Integral wird nun ahnlich wie das Riemann Integral definiert als eine feste Zahl A displaystyle A nbsp der sich Riemannsummen bzgl markierter Zerlegungen D t i I i i 1 n displaystyle D t i I i i 1 dots n nbsp eines Intervalls a b displaystyle a b nbsp beliebig nahern sofern diese Zerlegungen fein bzgl geeigneter Eichfunktionen g displaystyle gamma nbsp gewahlt werden Definition Gauge Integral Eine Funktion f I a b R displaystyle f colon I a b rightarrow mathbb R nbsp heisst Gauge integrabel eichintegrabel Henstock Kurzweil integrabel uber a b displaystyle a b nbsp wenn es zu einer festen Zahl A R displaystyle A in mathbb R nbsp zu jedem ϵ gt 0 displaystyle epsilon gt 0 nbsp eine Eichfunktion g displaystyle gamma nbsp auf a b displaystyle a b nbsp gibt sodass S f D A lt ϵ displaystyle S f D A lt epsilon nbsp fur jede g displaystyle gamma nbsp feine markierte Zerlegung D displaystyle D nbsp gilt A displaystyle A nbsp heisst Gauge Integral Eichintegral Henstock Kurzweil Integral von f displaystyle f nbsp uber a b displaystyle a b nbsp in Zeichen A a b f I f displaystyle A int a b f int I f nbsp Die Definition erinnert stark an die ursprungliche Definition des Riemann Integrals Der wichtige Unterschied besteht darin dass das grobe Riemannsche Feinheitsmass Betrachtung des langsten Teilintervalls der Zerlegung Z displaystyle Z nbsp durch das neue verbesserte Mass ersetzt wurde Henstock spricht in seinem Werk Theories of Integration daher auch von einem Integral of Riemann Type Eigenschaften des Gauge Integrals BearbeitenWie fur jeden anderen Integraltyp gilt Der Wert des Gauge Integrals ist eindeutig bestimmt Weiterhin ist die Integralfunktion f a b f displaystyle f mapsto int a b f nbsp linear Sind zwei Funktionen f g displaystyle f g nbsp uber a b displaystyle a b nbsp Gauge integrabel und a b R displaystyle alpha beta in mathbb R nbsp dann ist auch a f b g displaystyle alpha f beta g nbsp Gauge integrabel uber a b displaystyle a b nbsp und es gilt a b a f b g a a b f b a b g displaystyle int a b alpha f beta g alpha int a b f beta int a b g nbsp Das Riemann Integral fugt sich zwanglos in den Rahmen des Gauge Integrals Jede Riemann integrable Funktion ist auch Gauge integrabel und die beiden Integrale stimmen uberein Sei dazu R a b f displaystyle R int a b f nbsp das Riemann Integral von f displaystyle f nbsp uber a b displaystyle a b nbsp und d gt 0 displaystyle delta gt 0 nbsp so gewahlt dass R a b f S f Z t 1 t n lt ϵ displaystyle left R int a b f S f Z t 1 dots t n right lt epsilon nbsp fur jede Zerlegung Z displaystyle Z nbsp mit m Z lt d displaystyle mu Z lt delta nbsp und beliebige Zwischenstellen t 1 t n displaystyle t 1 dots t n nbsp Wahlt man die Eichfunktion g displaystyle gamma nbsp zu g t t d 2 t d 2 displaystyle gamma t left t frac delta 2 t frac delta 2 right nbsp so gilt fur jede g displaystyle gamma nbsp feine markierte Zerlegung D t i x i 1 x i i 1 n displaystyle D t i x i 1 x i i 1 dots n nbsp per Definition x i 1 x i g t i displaystyle x i 1 x i subset gamma t i nbsp also x i x i 1 lt d displaystyle x i x i 1 lt delta nbsp Definiert man die Zerlegung Z displaystyle Z nbsp durch Z x 0 x n displaystyle Z x 0 dots x n nbsp so ist m Z lt d displaystyle mu Z lt delta nbsp und somit S f D R a b f S f Z t 1 t n R a b f lt ϵ displaystyle left S f D R int a b f right left S f Z t 1 dots t n R int a b f right lt epsilon nbsp Auch gilt die vom Riemann und Lebesgue Integral bekannte Intervalladditivitat Seien f a b R displaystyle f colon a b rightarrow mathbb R nbsp und J 1 J 2 a b displaystyle J 1 J 2 subset a b nbsp zwei nicht uberlappende abgeschlossene Intervalle d h die beiden Intervalle haben hochstens einen Randpunkt gemeinsam und f displaystyle f nbsp uber a b displaystyle a b nbsp Gauge integrabel Dann ist f displaystyle f nbsp auch uber J 1 J 2 J 1 J 2 displaystyle J 1 J 2 J 1 cup J 2 nbsp Gauge integrabel und es gilt J 1 J 2 f J 1 f J 2 f displaystyle int J 1 cup J 2 f int J 1 f int J 2 f nbsp Umgekehrt findet man Sei f a b R displaystyle f colon a b rightarrow mathbb R nbsp uber den nicht uberlappenden Intervallen J 1 J m displaystyle J 1 dots J m nbsp Gauge integrabel Ist a b j 1 m J j displaystyle a b cup j 1 m J j nbsp so ist f displaystyle f nbsp auch uber a b displaystyle a b nbsp integrabel und es gilt a b f j 1 m J i f J 1 f J m f displaystyle int a b f sum j 1 m int J i f int J 1 f dots int J m f nbsp Das Gauge Integral ist monoton Ist f g displaystyle f g nbsp Gauge integrabel uber a b displaystyle a b nbsp und f g displaystyle f geq g nbsp d h f x g x x a b displaystyle f x geq g x forall x in a b nbsp dann gilt a b f a b g displaystyle int a b f geq int a b g nbsp Insbesondere ist a b f 0 displaystyle int a b f geq 0 nbsp falls f 0 displaystyle f geq 0 nbsp Besonders interessant ist dass jede Ableitungsfunktion Gauge integrabel ist Hauptsatz Teil 1 Sei f a b R displaystyle f colon a b rightarrow mathbb R nbsp differenzierbar Dann ist f displaystyle f nbsp uber a b displaystyle a b nbsp Gauge integrabel mit a b f f b f a displaystyle int a b f f b f a nbsp Das Ergebnis erhalt man nach wenigen geschickten Umformungen indem man zu ϵ gt 0 displaystyle epsilon gt 0 nbsp die symmetrische Eichfunktion g t t d t t d t displaystyle gamma t t delta t t delta t nbsp wahlt wobei d t displaystyle delta t nbsp nach dem Straddle Lemma festgesetzt wird Dann wertet man fur eine beliebige g displaystyle gamma nbsp feine markierte Zerlegung den Ausdruck S f D f b f a displaystyle S f D f b f a nbsp aus Der 2 Teil des Hauptsatzes lautet fur das Gauge Integral Hauptsatz Teil 2 Sei f a b R displaystyle f colon a b rightarrow mathbb R nbsp Gauge integrabel uber a b displaystyle a b nbsp Dann ist die Funktion F a b R displaystyle F colon a b rightarrow mathbb R nbsp mit F x a x f displaystyle F x int a x f nbsp fast uberall in a b differenzierbar mit F x f x displaystyle F x f x nbsp Es ist also fur das indefinite Integral F displaystyle F nbsp einer Gauge integrablen Funktion f displaystyle f nbsp die Aussage F displaystyle F nbsp ist nicht differenzierbar oder es gilt F x f x displaystyle F x neq f x nbsp hochstens auf einer Lebesgue Nullmenge richtig Wichtig ist dass nur die Integrierbarkeit von f displaystyle f nbsp vorausgesetzt werden muss Ist f displaystyle f nbsp sogar stetig so ist F displaystyle F nbsp uberall in a b displaystyle a b nbsp differenzierbar mit F x f x displaystyle F x f x nbsp Fur das Gauge Integral gelten die beiden zentralen vom Lebesgue Integral bekannten Konvergenztheoreme Diese beschreiben unter welchen Umstanden die Grenzfunktion f displaystyle f nbsp einer Funktionenfolge f n displaystyle f n nbsp Gauge integrabler Funktionen wiederum Gauge integrabel ist und Integration und Grenzwertbildung vertauscht werden durfen lim n a b f n a b f a b lim n f n displaystyle lim n rightarrow infty int a b f n int a b f int a b lim n rightarrow infty f n nbsp Man erhalt nbsp Abbildung 6 Darstellung der ersten 6 Glieder einer Funktionenfolge f n displaystyle f n nbsp die monoton wachsend nicht aber gleichmassig gegen f displaystyle f nbsp konvergiert Die Funktionenfolge f n displaystyle f n nbsp ist ausserdem gleichmassig beschrankt Satz uber monotone Konvergenz Sei I displaystyle I nbsp ein Intervall f n displaystyle f n nbsp eine Folge von Funktionen f n I R displaystyle f n colon I rightarrow mathbb R nbsp die uber I displaystyle I nbsp Gauge integrabel sind und f I R displaystyle f colon I rightarrow mathbb R nbsp Konvergiert f n displaystyle f n nbsp monoton wachsend gegen f displaystyle f nbsp d h gilt lim n f n x f x displaystyle lim n rightarrow infty f n x f x nbsp und f n 1 x f n x displaystyle f n 1 x geq f n x nbsp fur alle x R displaystyle x in mathbb R nbsp so ist f displaystyle f nbsp genau dann Gauge integrabel uber I displaystyle I nbsp wenn sup I f n n N lt displaystyle sup left int I f n n in mathbb N right lt infty nbsp In diesem Falle gilt I f I lim n f n lim n I f n displaystyle int I f int I lim n rightarrow infty f n lim n rightarrow infty int I f n nbsp Konvergiert also eine Funktionenfolge punktweise gegen eine Grenzfunktion f displaystyle f nbsp und ist die Folge f n x displaystyle f n x nbsp fur jedes x I displaystyle x in I nbsp monoton wachsend und jede Funktion f n displaystyle f n nbsp uber I displaystyle I nbsp Gauge integrabel so ist die Grenzfunktion f displaystyle f nbsp dann und nur dann uber I displaystyle I nbsp Gauge integrabel wenn die Folge I f n displaystyle left int I f n right nbsp beschrankt ist In diesem Fall darf die Integration und die Grenzwertbildung vertauscht durfen die beiden Operationen also in umgekehrter Reihenfolge ausgefuhrt werden Auch gilt der Satz uber majorisierte Konvergenz Sei I displaystyle I nbsp ein Intervall f n displaystyle f n nbsp eine Folge von Funktionen f n I R displaystyle f n colon I rightarrow mathbb R nbsp die uber I displaystyle I nbsp Gauge integrabel sind und f I R displaystyle f colon I rightarrow mathbb R nbsp Konvergiert f n displaystyle f n nbsp punktweise gegen f displaystyle f nbsp und gibt es Gauge integrable Funktionen a b I R displaystyle alpha beta colon I rightarrow mathbb R nbsp mit a f n b displaystyle alpha leq f n leq beta nbsp fast uberall in I displaystyle I nbsp und alle n N displaystyle n in mathbb N nbsp so ist f displaystyle f nbsp uber I displaystyle I nbsp Gauge integrabel und es gilt I f I lim n f n lim n I f n displaystyle int I f int I lim n rightarrow infty f n lim n rightarrow infty int I f n nbsp Gibt es also eine uber I displaystyle I nbsp Gauge integrable Minorante a displaystyle alpha nbsp und eine uber I displaystyle I nbsp Gauge integrable Majorante b displaystyle beta nbsp fur f n displaystyle f n nbsp so ist auch die Grenzfunktion f displaystyle f nbsp der Funktionenfolge f n displaystyle f n nbsp Gauge integrabel uber I displaystyle I nbsp Auch in diesem Fall durfen Grenzwertbildung und Integration vertauscht werden Erweiterungen BearbeitenIm Folgenden ist unter dem Begriff Messbarkeit und entsprechend verwandten Begriffen stets Lebesgue Messbarkeit zu verstehen Das betrachtete Mass ist also das Lebesgue Mass auf R n displaystyle mathbb R n nbsp Erweiterungen in einer Dimension Bearbeiten Das Gauge Integral lasst sich auf unendliche Intervalle ausdehnen Dies scheint zunachst verwunderlich Betrachtet man das Intervall R displaystyle mathbb R infty infty nbsp als Beispiel so steht man zunachst vor dem Problem dass das Intervall nicht abgeschlossen ist Dieses Problem lasst sich einfach beheben indem man nicht R displaystyle mathbb R nbsp sondern die erweiterten reellen Zahlen R R displaystyle overline mathbb R mathbb R cup infty infty infty infty nbsp zugrunde legt Entsprechend geht man bei der Integration uber jedes offene Intervall a b displaystyle a b nbsp vor Man betrachtet dann stets den Abschluss des Intervalls in R displaystyle overline mathbb R nbsp also das abgeschlossene Intervall a b displaystyle a b nbsp wobei auch a displaystyle a infty nbsp und oder b displaystyle b infty nbsp zugelassen sind Damit sind aber die Probleme noch lange nicht behoben Da das Gauge Integral mit endlichen Zerlegungen arbeitet ist im Falle eines unendlichen Integrationsbereiches I a b displaystyle I a b nbsp mindestens ein Teilintervall jeder markierten Zerlegung von I displaystyle I nbsp unendlich lang entweder x 0 x 1 displaystyle x 0 x 1 nbsp oder x n 1 x n displaystyle x n 1 x n nbsp oder beide und somit die Summe S f D i 1 n f t i l I i i 1 n f t i x i x i 1 displaystyle S f D sum i 1 n f t i l I i sum i 1 n f t i x i x i 1 nbsp bestenfalls unendlich schlimmstenfalls noch nicht einmal definiert sofern zwei unendlich lange Intervalle auftreten und f an den jeweiligen Zwischenstellen Werte mit unterschiedlichem Vorzeichen annimmt dann tritt der undefinierte Ausdruck displaystyle infty infty nbsp auf Man konnte nun ahnlich wie beim Riemann Integral uneigentliche Integrale definieren doch es zeigt sich dass dies durch die Verwendung eines Tricks nicht notig ist Dazu untersucht man im Falle eines unendlichen Definitionsintervalls I displaystyle I nbsp nicht das Integral uber f displaystyle f nbsp sondern uber f R displaystyle bar f infty infty rightarrow mathbb R nbsp gegeben durch f x f x fur x I 0 sonst displaystyle bar f x begin cases f x amp text fur x in I 0 amp text sonst end cases nbsp nbsp Abbildung 7 Oben Darstellung einer auf R displaystyle overline mathbb R nbsp erweiterten Funktion f displaystyle f nbsp Unten Die Flachenstucke zwischen f displaystyle bar f nbsp und der x displaystyle x nbsp Achse uber den beiden unendlich langen Intervallen rot hinterlegt entfallen sofern fur diese displaystyle infty nbsp bzw displaystyle infty nbsp als Zwischenstellen gewahlt werden Insbesondere gilt f f 0 displaystyle bar f infty bar f infty 0 nbsp Innerhalb der Riemannsumme S f D displaystyle S f D nbsp soll dann die Konvention 0 0 displaystyle 0 cdot infty 0 nbsp gelten Demnach ist jede Riemannsumme S f D displaystyle S f D nbsp auch dann definiert wenn D displaystyle D nbsp unendlich lange Intervalle enthalt insofern diese nur mit den Zwischenstellen displaystyle pm infty nbsp zusammen auftreten Dies lasst sich aber durch die folgende Definition erzwingen Definition Das Intervall a displaystyle a infty nbsp mit a R displaystyle a in mathbb R nbsp heisst offenes Intervall das displaystyle infty nbsp enthalt Analog heisst b displaystyle infty b nbsp mit b R displaystyle b in mathbb R nbsp offenes Intervall das displaystyle infty nbsp enthalt Damit ist es nun moglich Eichfunktionen g displaystyle gamma nbsp so zu definieren dass unendlich lange Teilintervalle ausschliesslich zusammen mit displaystyle pm infty nbsp als Zwischenstellen auftreten z B fur das Intervall displaystyle infty infty nbsp g t a fur t t l t t r t fur t R b fur t displaystyle gamma t begin cases infty a amp text fur t infty t l t t r t amp text fur t in mathbb R b infty amp text fur t infty end cases nbsp Dabei konnen a b displaystyle a b nbsp beliebige reelle Zahlen und r l displaystyle r l nbsp beliebige positive reelle Funktionen sein Da g displaystyle gamma infty nbsp und g displaystyle gamma infty nbsp die einzigen Intervalle aus dem Wertebereich von g displaystyle gamma nbsp sind die unendlich lang sind kann das Teilintervall x 1 displaystyle infty x 1 nbsp aus einer g displaystyle gamma nbsp feinen markierten Zerlegung D displaystyle D nbsp aufgrund der Bedingung x 1 g t 1 displaystyle infty x 1 subset gamma t 1 nbsp nur mit der Zwischenstelle t 1 displaystyle t 1 infty nbsp zusammen auftreten Entsprechendes gilt fur das Teilintervall x n 1 displaystyle x n 1 infty nbsp das nur zusammen mit der Zwischenstelle t n displaystyle t n infty nbsp auftreten kann Am Beispiel der Zerlegung D 1 1 0 1 2 1 3 3 displaystyle D infty infty 1 1 0 1 2 1 3 infty 3 infty nbsp und einer Funktion f R displaystyle f colon mathbb R rightarrow infty nbsp wird klar warum dadurch das Problem der unendlichen undefinierten Riemannsummen gelost ist S f D f l 1 0 0 f 1 2 0 f 2 3 1 f l 3 0 0 2 f 1 2 f 2 displaystyle S bar f D underbrace bar f infty l infty 1 0 cdot infty 0 f 1 2 0 f 2 3 1 underbrace bar f infty l 3 infty 0 cdot infty 0 2f 1 2f 2 nbsp Die beiden potentiell unendlichen Summanden entfallen und die Riemannsumme ist endlich Mit diesen neuen Definitionen kann das Gauge Integral problemlos auf unendliche und oder offene Teilintervalle ausgedehnt werden Definition Sei I R displaystyle I subset mathbb R nbsp irgendein Intervall und I a b displaystyle bar I a b nbsp sein Abschluss in R displaystyle overline mathbb R nbsp d h es sind auch a displaystyle a infty nbsp und b displaystyle b infty nbsp zugelassen f displaystyle f nbsp heisst Gauge integrabel Henstock Kurzweil integrabel eichintergrabel uber I displaystyle I nbsp wenn es zu einer festen Zahl A R displaystyle A in mathbb R nbsp zu jedem ϵ gt 0 displaystyle epsilon gt 0 nbsp eine Eichfunktion g displaystyle gamma nbsp auf I displaystyle bar I nbsp gibt sodass S f D A lt ϵ displaystyle S f D A lt epsilon nbsp fur jede g displaystyle gamma nbsp feine markierte Zerlegung Zerlegung D displaystyle D span data clas