重積分

同義語:多重積分multiple integral

概要

重積分(multiple integral)とは、$n$ 次元の閉直方体を小さな直方体に分け、「体積×関数の値」の和の上限と下限が一致するときにその共通の値として定める多変数の Riemann 積分であり、範囲の外で $0$ とおくことで、境界が体積 $0$ の有界集合(Jordan 可測集合)の上でも定義される。体積 $0$ の集合の外で連続な有界関数は積分可能であり、積分可能な関数の重積分は、内側を下積分・上積分とした累次積分に等しい(Riemann 積分の Fubini の定理)。これにより、2 つの連続関数のグラフの間の集合の上で連続関数を積分することは 1 変数の積分の繰り返しに帰着し、面積・体積の計算や変数変換による Gauss 積分の計算の基礎になる。

$$\newcommand{C}[0]{\mathbb{C}} \newcommand{div}[0]{\mathbin{÷}} \newcommand{N}[0]{\mathbb{N}} \newcommand{Q}[0]{\mathbb{Q}} \newcommand{R}[0]{\mathbb{R}} \newcommand{Z}[0]{\mathbb{Z}} $$

前提知識: Riemann積分, 一様連続, コンパクト空間

長方形 $[0,1]\times[0,2]$ の上に、高さ $f(x,y)=xy$ の曲面がある。長方形を縦横に細かく切り、小さな長方形ごとに「面積×高さ」の柱を立てて体積を足すと、曲面の下の立体の体積の近似が得られる。切り方をどこまでも細かくしたときの極限が 重積分 $\iint_{[0,1]\times[0,2]}xy\,dx\,dy$ であり、値は $1$ である(ex-mi-basic)。1 変数の Riemann積分 が区間の上で「幅×高さ」を足したのと同じことを、$n$ 次元の直方体の上で「体積×高さ」で行う。
重積分は、面積・体積・質量・確率などを多変数の関数の積分として表す道具である。計算の柱は二つある。一つは重積分を 1 変数の積分の繰り返し(累次積分)に直すこと、もう一つは変数を取り替えること(変数変換公式)である。この記事では、直方体の上の重積分を定義し、体積 $0$ の集合の外で連続な関数が積分できること(thm-mi-integrable)、積分できる範囲の形の判定(thm-mi-jordan)、累次積分への書き換え(thm-mi-fubini・thm-mi-region)を証明する。

定義

$n\ge1$ とする。$a_k< b_k$($k=1,\dots,n$)について $R=[a_1,b_1]\times\cdots\times[a_n,b_n]\subset\mathbb{R}^n$ を 閉直方体 といい、$V(R):=\prod_{k=1}^n(b_k-a_k)$ をその 体積 という($n=2$ では長方形と面積)。

分割と上限和・下限和

閉直方体 $R$ の 分割 $P$ とは、各辺 $[a_k,b_k]$ の分割 $a_k=x_{k,0}< x_{k,1}<\dots< x_{k,N_k}=b_k$ の組である。各辺から小区間を 1 つずつ選んで作る閉直方体 $R_1,\dots,R_N$ を $P$ の 小直方体 という。有界な関数 $f\colon R\to\mathbb{R}$ について
$$ L(P,f):=\sum_{j=1}^Nm_jV(R_j),\qquad U(P,f):=\sum_{j=1}^NM_jV(R_j)\qquad\Bigl(m_j:=\inf_{R_j}f,\ M_j:=\sup_{R_j}f\Bigr) $$
を 下限和・上限和 という。各辺の分点を増やした分割を $P$ の 細分 という。

小直方体の体積の和は $V(R)$ であり、細分すると下限和は増え上限和は減る。そのため、任意の分割 $P,Q$ について $L(P,f)\le U(Q,f)$ である(共通の細分を経由する)。これらは 1 変数の場合(Riemann積分 の補題「細分による和の比較」・命題「下積分と上積分の大小」)と同じ議論で示せる(Leb2 Proposition 10.1.2・10.1.5・10.1.6)。

重積分

有界な関数 $f\colon R\to\mathbb{R}$ について、$\underline{\int_R}f:=\sup_PL(P,f)$ を 下積分、$\overline{\int_R}f:=\inf_PU(P,f)$ を 上積分 という($\underline{\int_R}f\le\overline{\int_R}f$ である)。両者が等しいとき $f$ は $R$ 上で 積分可能(Riemann 積分可能)であるといい、共通の値を
$$ \int_Rf=\int_Rf(x)\,dx $$
と書いて $f$ の $R$ 上の 重積分 という。$n=2,3$ では $\iint_Rf(x,y)\,dx\,dy$、$\iiint_Rf(x,y,z)\,dx\,dy\,dz$ とも書き、2 重積分・3 重積分 ともいう。

1 変数と同じく、$f$ が積分可能であることと、任意の $\varepsilon>0$ に対して $U(P,f)-L(P,f)<\varepsilon$ となる分割 $P$ があることは同値である(Leb2 Proposition 10.1.12、p. 96)。積分の線形性と単調性も 1 変数の場合と同じく成り立つ(この記事では証明しない。Leb2 Proposition 10.1.10・10.1.11)。
直方体でない範囲で積分するには、範囲の外で $0$ とおいて直方体の上で積分する。そのために、範囲の「縁」が無視できるほど薄いことを表す言葉を用意する。

体積 0 の集合と Jordan 可測集合

$E\subset\mathbb{R}^n$ が 体積 $0$ であるとは、任意の $\varepsilon>0$ に対して、有限個の閉直方体 $Q_1,\dots,Q_m$ で $E\subset Q_1\cup\dots\cup Q_m$、$\sum_iV(Q_i)<\varepsilon$ となるものがあることをいう。
有界な集合 $S\subset\mathbb{R}^n$ が Jordan 可測 であるとは、$S$ を含む閉直方体 $R$ の上で指示関数 $\chi_S$($S$ 上で $1$、それ以外で $0$)が積分可能であることをいい、$V(S):=\int_R\chi_S$ を $S$ の 体積(Jordan 測度)という。Jordan 可測な $S$ の上の有界な関数 $f$ が $S$ 上で積分可能 であるとは、$f$ を $R\setminus S$ で $0$ とおいて延ばした関数 $\tilde f$ が $R$ 上で積分可能であることをいい、$\int_Sf:=\int_R\tilde f$ とおく。

直方体の取り方によらないこと

$S$ を含む閉直方体 $R,R'$ のどちらを使っても、$\tilde f$ の積分可能性と積分の値は同じである。

詳しい証明を開く

$R\cup R'$ を含む閉直方体 $R''$ と比べればよいので、$R\subset R''$ の場合に、$\tilde f$ の $R$ 上と $R''$ 上の上積分が等しいことを示す(下積分も同様)。$\lvert\tilde f\rvert\le M$ とする。$R''$ の分割 $P''$ に $R$ の各辺の端点を加えて細分すると、上限和は増えない。細分した分割の小直方体のうち $R$ に含まれるものは $R$ の分割 $P$ をなし、残りの小直方体 $C$ は $R$ の外の点を含むのでそこで $\tilde f=0$ となり、$\sup_C\tilde f\ge0$ である。したがって $U(P'',\tilde f)\ge U(P,\tilde f)\ge\overline{\int_R}\tilde f$ である。逆に $R$ の分割 $P$ に、$R''$ の端点と、$R$ の各辺の端点から $\eta>0$ だけ外側の点を加えて $R''$ の分割を作ると、$R$ の外の小直方体のうち $R$ と交わるものは $R$ を厚さ $\eta$ だけ太らせた集合に含まれ、その体積の和は $\eta\to0$ で $0$ に近づく。$R$ と交わらない小直方体の上では $\tilde f=0$ である。よって上限和は $U(P,\tilde f)+M\cdot(\text{体積の和})$ 以下であり、$\overline{\int_{R''}}\tilde f\le\overline{\int_R}\tilde f$ を得る。

体積 $0$ の集合の例として、有限集合や、$n\ge2$ のときの線分・直方体の面がある(細長い直方体で覆える)。連続関数のグラフも体積 $0$ である(lem-mi-graph)。

積分できる関数と積分できる範囲

体積 0 の集合の外で連続な関数の積分可能性

$R$ を閉直方体、$f\colon R\to\mathbb{R}$ を有界な関数とし、体積 $0$ の集合 $E\subset R$ があって、$f$ は $R\setminus E$ の各点で連続であるとする。このとき $f$ は $R$ 上で積分可能である。とくに $R$ 上の連続関数は積分可能である。

悪い点を小さな直方体に閉じ込める

要点:$E$ を体積の和が小さい直方体で覆い、その外では 一様連続 性で上限と下限の差を小さくする。覆った部分の寄与は「$f$ の振れ幅×覆いの体積」で小さい。

詳しい証明を開く

$\lvert f\rvert\le M$ とし、$\varepsilon>0$ をとる。$E$ を閉直方体 $Q_1,\dots,Q_m$ で覆い $\sum_iV(Q_i)<\varepsilon$ とする。各 $Q_i$ の辺を少し延ばした閉直方体 $Q_i'$ をとり、$Q_i\subset\operatorname{int}Q_i'$、$\sum_iV(Q_i')<2\varepsilon$ とする。$K:=R\setminus\bigcup_i\operatorname{int}Q_i'$ は有界閉集合なのでコンパクトであり、$E$ と交わらないから $f$ は $K$ 上で連続、したがって一様連続である。$\delta>0$ を、$x,y\in K$、$\lvert x-y\rvert<\delta$ なら $\lvert f(x)-f(y)\rvert<\varepsilon$ となるようにとる。

$R$ の分割 $P$ を、各 $Q_i'$ の頂点の座標のうち $R$ の辺に入るものをすべて分点に含み、どの小直方体の直径も $\delta$ より小さいようにとる。小直方体 $C$ は次の 2 種類に分かれる。(a) $\operatorname{int}C$ がある $\operatorname{int}Q_i'$ と交わる。このとき分点の取り方から $C\subset Q_i'$ である。(b) そうでない。このとき $\operatorname{int}C\subset K$ で、$K$ は閉集合なので $C\subset K$ であり、$\sup_Cf-\inf_Cf\le\varepsilon$ である。$Q_i'\cap R$ に含まれる小直方体の体積の和は $V(Q_i'\cap R)\le V(Q_i')$ なので、(a) の小直方体の体積の和は $2\varepsilon$ 未満である。よって

$$U(P,f)-L(P,f)\le2M\cdot2\varepsilon+\varepsilon V(R)$$

となり、$\varepsilon$ は任意なので $f$ は積分可能である。

Jordan 可測性の判定

有界な集合 $S\subset\mathbb{R}^n$ について、次は同値である。

  1. $S$ は Jordan 可測である。
  2. $S$ の境界 $\partial S$ は体積 $0$ である。
指示関数が不連続な点は境界の点

閉包 $\overline S$ が内部に入る閉直方体 $R$ をとる(rem-mi-independent によりそうしてよい)。$\chi_S$ は $S$ の内部では近くで $1$、$\overline S$ の外では近くで $0$ なので、$\partial S$ の外の各点で連続である。
2 ⇒ 1:thm-mi-integrable を $E=\partial S$ として使えばよい。
1 ⇒ 2:$\varepsilon>0$ に対し $U(P,\chi_S)-L(P,\chi_S)<\varepsilon$ となる分割 $P$ をとる。小直方体 $C$ の上で $\chi_S$ が定数なら $\sup_C\chi_S-\inf_C\chi_S=0$、そうでなければ $1$ なので、$\chi_S$ が定数でない小直方体の体積の和は $\varepsilon$ 未満である。この小直方体たちが $\partial S$ を覆うことを示す。$p\in\partial S$ とする。$p$ を含まない小直方体の和集合は $p$ を含まない閉集合なので、$p$ を含む小直方体の和集合は $p$ の近傍である($p\in\overline S\subset\operatorname{int}R$ を使った)。$p$ は境界の点なので、この近傍は $S$ の点と $S$ の外の点の両方を含む。もし $p$ を含む小直方体の上で $\chi_S$ がすべて定数なら、$S$ の点を含むものの上では $\chi_S\equiv1$ なので $p\in S$、$S$ の外の点を含むものの上では $\chi_S\equiv0$ なので $p\notin S$ となり矛盾する。よって $p$ は $\chi_S$ が定数でない小直方体に含まれる。$\square$

Jordan 可測集合の上の連続関数

$S\subset\mathbb{R}^n$ が Jordan 可測で、$f\colon S\to\mathbb{R}$ が有界な連続関数なら、$f$ は $S$ 上で積分可能である。

延ばした関数は境界の外で連続

$\tilde f$ は $S$ の内部では近くで $f$ に等しく、$\overline S$ の外では近くで $0$ なので、$\partial S$ の外で連続である。thm-mi-jordan により $\partial S$ は体積 $0$ なので、thm-mi-integrable から $\tilde f$ は積分可能である。$\square$

連続関数のグラフは体積 0

$K\subset\mathbb{R}^n$ をコンパクト集合、$\varphi\colon K\to\mathbb{R}$ を連続関数とする。このときグラフ $\{(x,\varphi(x))\mid x\in K\}\subset\mathbb{R}^{n+1}$ は体積 $0$ である。

柱で覆う

要点:$\varphi$ は一様連続なので、$K$ を細かく分けると、各部分の上ではグラフが高さ $2\varepsilon$ の柱に収まる。

詳しい証明を開く

$K$ を含む閉直方体 $R_0$ をとる。$\varepsilon>0$ に対し、$\lvert x-x'\rvert<\delta$ なら $\lvert\varphi(x)-\varphi(x')\rvert<\varepsilon$ となる $\delta>0$ をとり($K$ 上の連続関数は一様連続である)、$R_0$ を直径 $\delta$ 未満の小直方体 $C_1,\dots,C_N$ に分割する。$K$ と交わる $C_j$ ごとに $x_j\in C_j\cap K$ を選ぶと、$C_j\cap K$ の上のグラフは柱 $C_j\times[\varphi(x_j)-\varepsilon,\varphi(x_j)+\varepsilon]$ に含まれる。柱の体積の和は $2\varepsilon\sum_jV(C_j)=2\varepsilon V(R_0)$ 以下である。

累次積分への書き換え

$\mathbb{R}^{n+m}=\mathbb{R}^n\times\mathbb{R}^m$ の点を $(x,y)$ と書き、関数 $f(x,y)$ の $x$ を固定した関数を $f_x(y):=f(x,y)$ とおく。内側の積分が存在しない場合もある(ex-mi-table)ので、主張は下積分と上積分で述べる。

累次積分の定理(Riemann 積分の Fubini の定理)

$R\subset\mathbb{R}^n$、$S\subset\mathbb{R}^m$ を閉直方体とし、$f\colon R\times S\to\mathbb{R}$ を積分可能とする。
$$ g(x):=\underline{\int_S}f_x,\qquad h(x):=\overline{\int_S}f_x\qquad(x\in R) $$
とおくと、$g$ と $h$ は $R$ 上で積分可能で
$$ \int_Rg=\int_Rh=\int_{R\times S}f $$
が成り立つ。とくに、すべての $x$ について $f_x$ が積分可能なら $\displaystyle\int_{R\times S}f=\int_R\Bigl(\int_Sf(x,y)\,dy\Bigr)dx$ である。$x$ と $y$ の役割を入れ替えても同じことが成り立つ。

上限和と下限和を挟む

$R\times S$ の分割は、$R$ の分割 $P$ と $S$ の分割 $Q$ の組で、小直方体は $R_i\times S_k$、体積は $V(R_i)V(S_k)$ である。$i$ を固定する。$x\in R_i$ なら各 $k$ で $\inf_{R_i\times S_k}f\le\inf_{S_k}f_x$ なので
$$ \sum_k\Bigl(\inf_{R_i\times S_k}f\Bigr)V(S_k)\le L(Q,f_x)\le g(x) $$
である。左辺は $x$ によらないので、左辺 $\le\inf_{R_i}g$ である。両辺に $V(R_i)$ を掛けて $i$ について足すと $L((P,Q),f)\le L(P,g)$ を得る。同様に $U(P,h)\le U((P,Q),f)$ である。$g\le h$ なので
$$ L((P,Q),f)\le L(P,g)\le U(P,g)\le U(P,h)\le U((P,Q),f) $$
であり、$h$ についても $L((P,Q),f)\le L(P,g)\le L(P,h)\le U(P,h)\le U((P,Q),f)$ である。$f$ は積分可能なので、$\varepsilon>0$ に対して $U((P,Q),f)-L((P,Q),f)<\varepsilon$ となる分割がある。すると $U(P,g)-L(P,g)<\varepsilon$ なので $g$ は積分可能で、$\int_Rg$ と $\int_{R\times S}f$ はどちらも区間 $[L((P,Q),f),U((P,Q),f)]$ に入るから、差は $\varepsilon$ 未満である。$\varepsilon$ は任意なので $\int_Rg=\int_{R\times S}f$ であり、$h$ も同様である($\lvert f\rvert\le M$ なら $\lvert g\rvert,\lvert h\rvert\le MV(S)$ で、$g,h$ は有界である)。$\square$

長方形の上の積分

$f(x,y)=xy$ は $[0,1]\times[0,2]$ 上で連続なので積分可能であり(thm-mi-integrable)、各 $x$ で $y\mapsto xy$ も連続である。thm-mi-fubini により
$$ \iint_{[0,1]\times[0,2]}xy\,dx\,dy=\int_0^1\Bigl(\int_0^2xy\,dy\Bigr)dx=\int_0^12x\,dx=1 $$
である。順序を入れ替えて $\int_0^2\bigl(\int_0^1xy\,dx\bigr)dy=\int_0^2\frac y2\,dy=1$ としても同じ値になる。

縦線集合の上の積分

直方体でない範囲では、範囲を「下のグラフと上のグラフの間」として表して累次積分に直す。

縦線集合の上の累次積分

$K\subset\mathbb{R}^n$ をコンパクトな Jordan 可測集合、$\varphi_1,\varphi_2\colon K\to\mathbb{R}$ を $\varphi_1\le\varphi_2$ を満たす連続関数とし、
$$ D:=\{(x,y)\in\mathbb{R}^n\times\mathbb{R}\mid x\in K,\ \varphi_1(x)\le y\le\varphi_2(x)\} $$
とおく。このとき $D$ はコンパクトな Jordan 可測集合である。$f\colon D\to\mathbb{R}$ が連続なら、$F(x):=\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)}f(x,y)\,dy$ は $K$ 上で積分可能で
$$ \int_Df=\int_K\Bigl(\int_{\varphi_1(x)}^{\varphi_2(x)}f(x,y)\,dy\Bigr)dx $$
が成り立つ。とくに $V(D)=\int_K(\varphi_2-\varphi_1)$ である。

境界を 2 つのグラフと側面で覆い、Fubini の定理を使う

$K\subset\operatorname{int}R$ となる閉直方体 $R$ と、$c<\min\varphi_1$、$d>\max\varphi_2$ をとる(最小値・最大値は 最大値・最小値の定理 により存在する)。$D\subset R\times[c,d]$ で、$K$ が閉集合で $\varphi_1,\varphi_2$ が連続なので $D$ は有界閉集合、つまりコンパクトである。
$D$ の境界は、2 つのグラフ $\Gamma_1,\Gamma_2$ と側面 $\partial K\times[c,d]$ の和集合に含まれる。

詳細

$(x,y)\in\partial D$ とする。$D$ は閉集合なので $(x,y)\in D$、とくに $x\in K$ である。$x\in\operatorname{int}K$ かつ $\varphi_1(x)< y<\varphi_2(x)$ なら、$\varphi_1,\varphi_2$ の連続性から $(x,y)$ の近くの点 $(x',y')$ も $x'\in K$、$\varphi_1(x')< y'<\varphi_2(x')$ を満たし、$(x,y)$ は $D$ の内部の点になって矛盾する。よって $y=\varphi_1(x)$、$y=\varphi_2(x)$、$x\in\partial K$ のどれかが成り立つ。


lem-mi-graph により $\Gamma_1,\Gamma_2$ は体積 $0$ である。thm-mi-jordan により $\partial K$ は体積 $0$ なので、$\partial K$ を体積の和が $\varepsilon$ 未満の直方体 $Q_i$ で覆えば、$Q_i\times[c,d]$ が側面を体積の和 $\varepsilon(d-c)$ 未満で覆う。したがって $\partial D$ は体積 $0$ で、thm-mi-jordan により $D$ は Jordan 可測である。$f$ はコンパクト集合 $D$ 上で連続なので有界であり、cor-mi-continuous により $D$ 上で積分可能である。
$f$ を $R\times[c,d]$ に $0$ で延ばした $\tilde f$ に thm-mi-fubini を使う。$x\notin K$ なら $\tilde f_x=0$ である。$x\in K$ なら、$\tilde f_x$ は $[\varphi_1(x),\varphi_2(x)]$ の上で連続関数 $y\mapsto f(x,y)$ に等しく、$[c,\varphi_1(x)]$ と $[\varphi_2(x),d]$ の上では端の 1 点を除いて $0$ である。有限個の点を除いて $0$ の有界な関数は積分可能で積分は $0$ なので、区間についての加法性(Riemann積分 の定理「区間についての加法性」)により、$\tilde f_x$ は積分可能で $\int_c^d\tilde f_x=F(x)$ である。
詳細

有界な関数 $u\colon[\alpha,\beta]\to\mathbb{R}$ が $k$ 個の点を除いて $0$ で、$\lvert u\rvert\le M$ とする。各小区間の幅が $\eta$ 未満の分割では、$u$ が $0$ でない点を含む小区間は高々 $2k$ 個なので $U(P,u)\le2kM\eta$、$L(P,u)\ge-2kM\eta$ である。$\eta\to0$ として $u$ は積分可能で積分は $0$ である。$\varphi_1(x)=\varphi_2(x)$ のときは $\tilde f_x$ 自体が 1 点を除いて $0$ なので $\int_c^d\tilde f_x=0=F(x)$ である。


よって thm-mi-fubini の $g$ は、$K$ 上で $F$、$R\setminus K$ で $0$ の関数であり、$R$ 上で積分可能で $\int_Rg=\int_{R\times[c,d]}\tilde f=\int_Df$ である。これは定義により $F$ が $K$ 上で積分可能で $\int_KF=\int_Df$ であることを意味する。$f=1$ とすれば $V(D)=\int_K(\varphi_2-\varphi_1)$ を得る。$\square$

$n=1$、$K=[a,b]$ のとき、$V(D)=\int_a^b(\varphi_2-\varphi_1)\,dx$ は 2 つのグラフで囲まれた図形の面積の公式(定積分と面積)であり、$D$ の切り口の長さ $\varphi_2(x)-\varphi_1(x)$ を積分して面積を得るという点で、Cavalieri の原理(体積と回転体)の平面版にあたる。座標を入れ替えた集合 $\{(x,y)\mid y\in[c,d],\ \psi_1(y)\le x\le\psi_2(y)\}$ についても、thm-mi-fubini の順序を入れ替えた形から同じ公式が成り立つ。

積分の順序を入れ替えて計算する

$I=\int_0^1\bigl(\int_x^1e^{y^2}\,dy\bigr)dx$ をこのまま計算するには、内側で $e^{y^2}$ の原始関数が要る。順序を入れ替えると原始関数の要らない形になる。三角形 $T=\{(x,y)\mid0\le x\le1,\ x\le y\le1\}$ は $\{(x,y)\mid0\le y\le1,\ 0\le x\le y\}$ とも書けるので、thm-mi-region を 2 通りに使うと
$$ I=\iint_Te^{y^2}\,dx\,dy=\int_0^1\Bigl(\int_0^ye^{y^2}\,dx\Bigr)dy=\int_0^1ye^{y^2}\,dy=\Bigl[\frac{e^{y^2}}2\Bigr]_0^1=\frac{e-1}2 $$
である。

球の体積

$r>0$ とし、閉円板 $K=\{(x,y)\mid x^2+y^2\le r^2\}$ を考える。$K$ は $[-r,r]$ 上の 2 つのグラフ $y=\pm\sqrt{r^2-x^2}$ の間の集合なので、thm-mi-region($n=1$)によりコンパクトな Jordan 可測集合である。閉球 $B=\{x^2+y^2+z^2\le r^2\}$ は $K$ 上のグラフ $z=\pm\sqrt{r^2-x^2-y^2}$ の間の集合なので、thm-mi-region を $n=2$($V(B)$ を $K$ 上の積分に直す)と $n=1$($K$ 上の積分を累次積分に直す)で使い、$\rho:=\sqrt{r^2-x^2}$ とおくと
$$ V(B)=\iint_K2\sqrt{r^2-x^2-y^2}\,dx\,dy=\int_{-r}^r\Bigl(\int_{-\rho}^{\rho}2\sqrt{\rho^2-y^2}\,dy\Bigr)dx=\int_{-r}^r\pi\bigl(r^2-x^2\bigr)\,dx=\frac43\pi r^3 $$
である。内側の積分は、$y=\rho\sin t$ と置換すると $\int_{-\rho}^\rho\sqrt{\rho^2-y^2}\,dy=\int_{-\pi/2}^{\pi/2}\rho^2\cos^2t\,dt=\frac\pi2\rho^2$ となる(置換積分)。

変数変換

直交座標以外の座標で積分するときは、体積の拡大率である Jacobi 行列式を掛ける。開集合 $U\subset\mathbb{R}^n$、$U$ に含まれるコンパクトな Jordan 可測集合 $S$、単射な $C^1$ 級写像 $g\colon U\to\mathbb{R}^n$ で $S$ の上で $\det J_g\ne0$ となるものについて、$g(S)$ 上で積分可能な $f$ に対し
$$ \int_Sf\bigl(g(x)\bigr)\,\bigl\lvert\det J_g(x)\bigr\rvert\,dx=\int_{g(S)}f(u)\,du $$
が成り立つ(Jacobi行列 の定理「重積分の変数変換公式」。この記事では証明しない。Leb2 Theorem 10.7.2、p. 134)。平面の極座標 $(x,y)=(r\cos\theta,r\sin\theta)$ では $\lvert\det J\rvert=r$ であり、閉円板の上の連続関数について $\iint f\,dx\,dy=\int_0^{2\pi}\int_0^Rf(r\cos\theta,r\sin\theta)\,r\,dr\,d\theta$ となる(極座標 の定理「極座標による重積分の変数変換」)。これを使って Gauss 積分 $\int_{-\infty}^\infty e^{-x^2}\,dx=\sqrt\pi$ が計算できる(極座標 の定理「Gauss積分」)。

Lebesgue 積分との関係

閉直方体の上の有界な関数が Riemann 積分可能であることは、不連続点の集合が Lebesgue 測度 $0$ であることと同値である(Lebesgue の判定法。この記事では証明しない。Leb2 Theorem 10.4.3、p. 118)。thm-mi-integrable はその一方向の、体積 $0$ の場合にあたる。Lebesgue積分 では有界でない関数や有界でない範囲もそのまま扱え、累次積分の定理は Fubiniの定理(Tonelli の定理を含む)になる。体積 $0$ の集合は Lebesgue 測度 $0$ だが、逆は成り立たない。$[0,1]^2$ の有理点全体は可算なので Lebesgue 測度 $0$ だが、Jordan 可測でない(ex-mi-table)。体積 $0$ の集合は閉包も同じ有限個の閉直方体で覆えるので境界も体積 $0$ になり、Jordan 可測であるから、この集合は体積 $0$ ではない。

反例:条件を外すと崩れること

外す条件反例成り立たなくなること
thm-mi-fubini の「$f$ が積分可能(とくに有界)」$(0,1]^2$ 上の $f(x,y)=\dfrac{x^2-y^2}{(x^2+y^2)^2}$2 つの順序の累次積分が一致する($\frac\pi4$ と $-\frac\pi4$)
thm-mi-fubini の「$f$ が積分可能」(有界のまま)$E=\{(\frac jp,\frac kp)\mid p\text{ は素数},\ 1\le j,k\le p-1\}$ の指示関数累次積分が重積分に等しい(累次積分はともに $0$ だが重積分が存在しない)
thm-mi-fubini の内側を下積分・上積分にすること$[0,1]^2$ 上で、$x=\frac12$ かつ $y\in\mathbb{Q}$ のとき $1$、ほかで $0$ の関数内側の積分 $\int_0^1f(x,y)\,dy$ がすべての $x$ で存在する
thm-mi-jordan の「境界が体積 $0$」$S=\mathbb{Q}^2\cap[0,1]^2$$S$ が Jordan 可測である
thm-mi-region の「$\varphi_2$ が連続」$K=[0,1]$、$\varphi_1=0$、$\varphi_2=\chi_{\mathbb{Q}}$$D$ が Jordan 可測である
表の反例の確かめ

1 行目:$\frac{\partial}{\partial y}\frac{y}{x^2+y^2}=f(x,y)$ なので、$x\in(0,1]$ を固定すると $\int_0^1f(x,y)\,dy=\frac1{1+x^2}$、その積分は $\frac\pi4$ である。$f(y,x)=-f(x,y)$ なので逆の順序では $-\frac\pi4$ になる。$f(x,x/2)=\frac{12}{25x^2}$ は $x\to0$ で有界でないので、$f$ はどう延ばしても $[0,1]^2$ 上で積分可能でない(Fubiniの定理 の例「反例:原点の近くで絶対可積分でない関数」と同じ関数である)。
2 行目:$x=\frac jp$($p$ は素数、$1\le j\le p-1$)と書ける $x$ は $p$ を 1 つに決めるので、縦線 $\{x\}\times[0,1]$ と $E$ の共通部分は高々 $p-1$ 点であり、それ以外の $x$ では空である。よって各 $x$ で $y\mapsto\chi_E(x,y)$ は有限個の点を除いて $0$ で、積分は $0$(prf-mi-region の詳細)、累次積分は $0$ である。順序を入れ替えても同じである。一方、$[0,1]^2$ のどの小直方体も、大きな素数 $p$ について格子点 $(\frac jp,\frac kp)$ を含み、また $E$ に属さない点(座標が無理数の点)も含む。よって任意の分割で $U(P,\chi_E)=1$、$L(P,\chi_E)=0$ であり、$\chi_E$ は積分可能でない。
3 行目:$f$ は線分 $\{\frac12\}\times[0,1]$ の外で $0$ なので、この線分(体積 $0$)の外で連続であり、thm-mi-integrable により積分可能で、どの分割でも $L(P,f)=0$ だから積分は $0$ である。しかし $x=\frac12$ では $y\mapsto f(\frac12,y)$ は有理数で $1$、無理数で $0$ の関数で、Riemann積分 の例「反例:至るところ不連続な関数」のとおり積分可能でない。thm-mi-fubini はこの $x$ で $g(\frac12)=0$、$h(\frac12)=1$ として成り立っている。
4・5 行目:5 行目の集合は $D=([0,1]\times\{0\})\cup\{(x,y)\mid x\in\mathbb{Q}\cap[0,1],\ 0\le y\le1\}$ である。$S$ も $D$ も、$[0,1]^2$ に含まれる内部をもつどの小直方体も、その集合の点(有理数の座標の点)とその集合の外の点($x$ 座標が無理数で $y>0$ の点)を両方含む。$[0,1]^2$ を含む閉直方体の分割を $0,1$ が分点になるように細分すると(細分で上限和と下限和の差は増えない)、$[0,1]^2$ に含まれる小直方体の体積の和は $1$ で、その上で指示関数の上限は $1$、下限は $0$ である。よって上限和と下限和の差はつねに $1$ 以上で、指示関数は積分可能でない。境界はどちらも $[0,1]^2$ 全体である。

関連項目

参考文献

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