数学 すうがく の微分 びぶん 積分 せきぶん 学 がく 周辺 しゅうへん 領域 りょういき におけるダニエル積分 せきぶん (ダニエルせきぶん、英 えい : Daniell integral )は、初 はつ 学者 がくしゃ が学 まな ぶリーマン積分 せきぶん のようなより初等 しょとう 的 てき な積分 せきぶん の概念 がいねん を一般 いっぱん 化 か した積分 せきぶん 法 ほう の一種 いっしゅ である。旧来 きゅうらい のルベーグ積分 せきぶん の定式 ていしき 化 か に関 かん して主 おも な障害 しょうがい となっていたのは、積分 せきぶん に対 たい する十分 じゅうぶん な結果 けっか を得 え るまでに、まずは満足 まんぞく な測度 そくど 論 ろん を展開 てんかい する必要 ひつよう があったことである。しかし、Percy J. Daniell (1918 ) ではこの欠点 けってん に悩 なや まされることのない別 べつ な手法 しゅほう がとられ、旧来 きゅうらい の定式 ていしき 化 か (具体 ぐたい 的 てき には、積分 せきぶん の高 こう 次元 じげん 化 か やさらにスティルチェス積分 せきぶん への一般 いっぱん 化 か など)に対 たい するいくつか特徴 とくちょう 的 てき な優位 ゆうい 性 せい を見 み せた。基本 きほん 的 てき な考 かんが え方 かた には、積分 せきぶん の公理 こうり 化 か が含 ふく まれる。
ダニエルの公理系 こうりけい [ 編集 へんしゅう ]
ある集合 しゅうごう X 上 うえ で定義 ていぎ される有界 ゆうかい な実 じつ 函数 かんすう の族 ぞく H で以下 いか の二 ふた つの公理 こうり を満 み たすものをとる(そして H に属 ぞく する函数 かんすう を基本 きほん 函数 かんすう (elementary function ) と呼 よ ぶ)。
H は通常 つうじょう の(点 てん ごとの)加法 かほう とスカラー倍 ばい に関 かん して線型 せんけい 空間 くうかん を成 な す。
函数 かんすう h が H に属 ぞく するならばその各 かく 点 てん の絶対 ぜったい 値 ち をとって得 え られる函数 かんすう |h | も H に属 ぞく す。
さらに、H の各 かく 函数 かんすう h に対 たい して h の基本 きほん 積分 せきぶん (elementary integral ) と呼 よ ばれる実数 じっすう Ih を対応 たいおう させる。ここで基本 きほん 積分 せきぶん は次 つぎ の三 みっ つの公理 こうり を満足 まんぞく するものをいう。
線型 せんけい 性 せい : h, k がともに H の元 もと で、α あるふぁ , β べーた が実数 じっすう ならば
I
(
α あるふぁ
h
+
β べーた
k
)
=
α あるふぁ
I
h
+
β べーた
I
k
{\displaystyle I(\alpha h+\beta k)=\alpha Ih+\beta Ik}
が成立 せいりつ する。
非負 ひふ 性 せい : H の元 もと h が h (x ) > 0 を常 つね に満 み たすならば、Ih ≥ 0 が成立 せいりつ する。
連続 れんぞく 性 せい : H の元 もと の列 れつ (hn ) が非 ひ 増大 ぞうだい で、X の各 かく 点 てん x において 0 に収束 しゅうそく するならば、Ihn → 0 が成立 せいりつ する。
すなわち、基本 きほん 函数 かんすう 全体 ぜんたい のなす空間 くうかん H 上 うえ に非負 ひふ 値 ち 連続 れんぞく 線型 せんけい 汎 ひろし 函数 かんすう I を定 さだ めるのである。
基本 きほん 函数 かんすう および基本 きほん 積分 せきぶん には、任意 にんい の函数 かんすう 空間 くうかん とその上 うえ の非負 ひふ 値 ち 連続 れんぞく 線型 せんけい 汎 ひろし 函数 かんすう をとることができる。例 たと えば、階段 かいだん 函数 かんすう 全体 ぜんたい の成 な す函数 かんすう 族 ぞく は上記 じょうき 基本 きほん 函数 かんすう の公理系 こうりけい を明 あき らかに満足 まんぞく する。さらに階段 かいだん 函数 かんすう 全体 ぜんたい の成 な す族 ぞく の基本 きほん 積分 せきぶん を、階段 かいだん 函数 かんすう の下 した にある領域 りょういき の(符号 ふごう 付 づけ )面積 めんせき として定義 ていぎ すれば、これが基本 きほん 積分 せきぶん の公理系 こうりけい を満 み たすことも明 あき らかである。後述 こうじゅつ するように、ダニエル積分 せきぶん の構成 こうせい 法 ほう を階段 かいだん 函数 かんすう を基本 きほん 函数 かんすう にとって適用 てきよう することで得 え られる積分 せきぶん の定義 ていぎ は、ルベーグ積分 せきぶん と同値 どうち になる。また、連続 れんぞく 函数 かんすう 全体 ぜんたい の成 な す族 ぞく を基本 きほん 函数 かんすう として古典 こてん 的 てき なリーマン積分 せきぶん を基本 きほん 積分 せきぶん とすることもできるが、そうして得 え られる積分 せきぶん はルベーグ積分 せきぶん と同値 どうち になる。同 おな じことを、有界 ゆうかい 変動 へんどう 函数 かんすう に対 たい してリーマン=スティルチェス積分 せきぶん を用 もち いて行 おこな うと、やはりルベーグ=スティルチェス積分 せきぶん に同値 どうち な積分 せきぶん が定 さだ まる。
零 れい 集合 しゅうごう を基本 きほん 函数 かんすう の言葉 ことば で定義 ていぎ することができる。すなわち、X の部分 ぶぶん 集合 しゅうごう Z が零 れい 集合 しゅうごう または測度 そくど 0 であるとは、任意 にんい の ε いぷしろん > 0 に対 たい して H の非負 ひふ 値 ち 基本 きほん 函 はこ 数列 すうれつ (hp ) をうまく選 えら べば、Ihp < ε いぷしろん かつ Z 上 うえ で sup p hp (x ) ≥ 1 とすることができるときに言 い う。
また、集合 しゅうごう が全 ぜん 測度 そくど であるとは、その X に関 かん する補 ほ 集合 しゅうごう が零 れい 集合 しゅうごう であることをいう。集合 しゅうごう が、その全 ぜん 測度 そくど 部分 ぶぶん 集合 しゅうごう の各 かく 点 てん で決 き まった性質 せいしつ を満 み たすとき、つまりある性質 せいしつ が適当 てきとう な零 れい 集合 しゅうごう を除 のぞ いて成立 せいりつ するとき、その性質 せいしつ はその集合 しゅうごう の殆 ほとん ど至 いた る所 ところ 成立 せいりつ すると言 い う。
ダニエル積分 せきぶん の定義 ていぎ [ 編集 へんしゅう ]
基本 きほん 函数 かんすう として選 えら んだ函数 かんすう 族 ぞく H をもとに、より大 おお きな函数 かんすう のクラス L + を定 さだ める。これは積分 せきぶん Ihn 全体 ぜんたい の成 な す集合 しゅうごう が有界 ゆうかい となるような、殆 ほとん ど至 いた る所 ところ 非 ひ 増大 ぞうだい な基本 きほん 函数 かんすう の列 れつ (hn ) の極限 きょくげん として得 え られる函数 かんすう 全体 ぜんたい の成 な す族 ぞく である。L + に属 ぞく する函数 かんすう f の積分 せきぶん If を、
I
f
=
lim
n
→
∞
I
h
n
{\displaystyle If=\lim _{n\to \infty }Ih_{n}}
で定 さだ めるとき、この積分 せきぶん が矛盾 むじゅん 無 な く定義 ていぎ されている ことが示 しめ せる。すなわち、これは f に収束 しゅうそく する基本 きほん 函 はこ 数列 すうれつ (hn ) の取 と り方 かた に依 よ らない。
しかし、函数 かんすう のクラス L + は一般 いっぱん に、点 てん ごとの減法 げんぽう と負 まけ の数 かず によるスカラー乗法 じょうほう に関 かん して閉 と じていないので、これをさらに広 ひろ い函数 かんすう のクラス L へ拡張 かくちょう する。これは、L + の適当 てきとう な函数 かんすう f, g に対 たい して適当 てきとう な全 ぜん 測度 そくど 集合 しゅうごう 上 じょう で差 さ φ ふぁい = f − g として表 あらわ されるような函数 かんすう φ ふぁい 全体 ぜんたい の成 な す族 ぞく である。L における函数 かんすう φ ふぁい の積分 せきぶん Iφ ふぁい を
I
φ ふぁい
=
I
f
−
I
g
{\displaystyle I\varphi =If-Ig}
で定 さだ めると、やはりこれも矛盾 むじゅん 無 な く定義 ていぎ される。すなわち Iφ ふぁい は φ ふぁい の f, g への分解 ぶんかい の仕方 しかた に依 よ らない。これでダニエル積分 せきぶん が洩 も れなく構成 こうせい された。
古典 こてん 的 てき なルベーグ積分 せきぶん 論 ろん における重要 じゅうよう な定理 ていり (例 たと えばルベーグの優 ゆう 収束 しゅうそく 定理 ていり 、リース=フィッシャーの定理 ていり 、ファトゥーの補題 ほだい 、フビニの定理 ていり など)はこの構成 こうせい を用 もち いてもやはり証明 しょうめい することが可能 かのう である。ダニエル積分 せきぶん として定式 ていしき 化 か されたルベーグ積分 せきぶん は旧来 きゅうらい のルベーグ積分 せきぶん と同 おな じ性質 せいしつ を有 ゆう する。
ダニエル積分 せきぶん の測度 そくど [ 編集 へんしゅう ]
集合 しゅうごう と写像 しゃぞう の間 あいだ の自然 しぜん な対応 たいおう により、ダニエル積分 せきぶん から測度 そくど 論 ろん を構成 こうせい することが可能 かのう である。すなわち、ある集合 しゅうごう の X 指示 しじ 函数 かんすう χ かい X をとったとき、その積分 せきぶん 値 ち Iχ かい X をその集合 しゅうごう X の測度 そくど m (X ) と定 さだ めるのである。このダニエル積分 せきぶん を基 もと にして定義 ていぎ される測度 そくど が、古典 こてん 的 てき なルベーグ測度 そくど と同値 どうち であることが証明 しょうめい できる。
旧来 きゅうらい の定式 ていしき 化 か に対 たい する優位 ゆうい 性 せい [ 編集 へんしゅう ]
この方法 ほうほう で構成 こうせい される一般 いっぱん の積分 せきぶん は、特 とく に函数 かんすう 解析 かいせき 学 がく の分野 ぶんや において旧来 きゅうらい のルベーグ式 しき の積分 せきぶん に対 たい するいくつか優位 ゆうい な点 てん を持 も つ。既 すで に述 の べたように、基本 きほん 函数 かんすう として有限 ゆうげん 個 こ の値 ね をとる通常 つうじょう の階段 かいだん 函数 かんすう をとって得 え られるダニエル積分 せきぶん の構成 こうせい は、ルベーグ積分 せきぶん の構成 こうせい と同値 どうち である。しかしながら、積分 せきぶん をより複雑 ふくざつ な函数 かんすう に対 たい してまで拡張 かくちょう するとき(例 たと えば、線型 せんけい 汎 ひろし 函数 かんすう の積分 せきぶん を定義 ていぎ しようとしたとき)、ルベーグの構成 こうせい を用 もち いる際 さい に生 しょう じる困難 こんなん を、ダニエル積分 せきぶん の方法 ほうほう は緩和 かんわ することができる。
ポーランドの数学 すうがく 者 しゃ ミクシンスキー は、さらに別 べつ のより自然 しぜん なダニエル積分 せきぶん の定式 ていしき 化 か を、絶対 ぜったい 収束 しゅうそく 級数 きゅうすう の概念 がいねん を用 もち いて行 い った。ミクシンスキーの定式 ていしき 化 か はボホナー積分 せきぶん (バナッハ空間 くうかん に値 ね をとる函数 かんすう に対 たい するルベーグ式 しき の積分 せきぶん )に対 たい しても通用 つうよう する。ミクシンスキーの補題 ほだい を用 もち いれば、零 れい 集合 しゅうごう に言及 げんきゅう することなく積分 せきぶん が定義 ていぎ できる。ミクシンスキーはまた、ボホナー積分 せきぶん に対 たい する多重 たじゅう 積分 せきぶん の変数 へんすう 変換 へんかん 定理 ていり とボホナー積分 せきぶん に対 たい するフビニの定理 ていり とをダニエル積分 せきぶん 法 ほう を用 もち いて証明 しょうめい した。(Asplund & Bungart 1966 ) では、実 じつ 数値 すうち 函数 かんすう に対 たい してこの方法 ほうほう による明快 めいかい な取 と り扱 あつか いがなされており、またダニエル=ミクシンスキーの方法 ほうほう を用 もち いた抽象 ちゅうしょう 的 てき ラドン=ニコディムの定理 ていり の証明 しょうめい が提示 ていじ されている。
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