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6.3 리만 합 예제

6.3.4  ≔ 

일 때  에서  의 리만 합이 수렴함을 증명하여라.

풀이

양수 이 임의로 주어졌다고 하자.  는  에서 리만 적분 가능하고, 적분값이 이므로  의 분할

이 존재하여



  



 그리고



  

 

을 만족시킨다. 이때

의 세련분할이고 가

의 표집수열이면



  



 ≤



 ≤



  ≤



 ≤



  

 

이 성립한다. 즉



   

 

이므로  에서  의 리만 합은 에 수렴한다. □

위 예제의 내용을 일반화하면 다음을 얻는다.

정리 6.3.5 리만 합을 이용한 리만 적분의 정의

함수  가  에서 유계이고   라고 하자. 이때  가  에서 리만 적분 가능할 필요충분조건은

 에서  의 리만 합이 수렴하는 것이다.  가  에서 적분 가능할 때  에서  의 리만 합의 극한은  에서  의 적분값과 동일하다.

증명

[⇒]  가  에서 적분 가능하다고 하자.  에서  의 적분값을

라고 하자. 그리고 양수 이 임 의로 주어졌다고 하자. 그러면 리만 판정법에 의하여  의 분할

이 존재하여

  



 그리고



 

  을 만족시킨다.

의 세련분할이고 가

의 표집수열이면

  



 ≤



 ≤



  ≤



 ≤



 

  이므로 



  

  이다. 따라서  에서  의 리만 합은

에 수렴한다.

[⇐]  에서  의 리만 합이

에 수렴한다고 하자. 양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 그러면 리만 합의 극한의 정의에 의하여  의 분할

가 존재하여

의 임의의 표집수열 에 대하여



  

  

 (9)

이 성립한다.

  ⋯ 

이라고 하자.  는  에서 유계이므로 성분구간    에 점 , 가 존재하여

     

        

을 만족시킨다.

따라서 (9)에 의하여



 



 

  

 

  

          



  

 

 

  

 

      



 

 

 

 

이므로 리만 판정법에 의하여  는  에서 적분 가능하다. ■

정의 6.3.3을 수정하여 다음과 같은 동치 조건을 얻을 수 있다.

정리 6.3.6 리만 적분의 고전적 정의

함수  가  에서 유계이고   라고 하자. 이때  가  에서 리만 적분 가능할 필요충분조건은 실수

가 존재하여 임의의 양수 에 대하여 양수 가 존재하여  의 분할

가 

  를 만족시킬 때마다

의 표집수열 에 대하여 



  

  이 성립하는 것이다. 이 경우  에서  의 리 만 적분값은

가 된다.

증명*

[⇒]  가  에서 적분 가능하다고 하고 적분값을

라고 하자. 그리고 양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 리만 판정법에 의하여  의 분할

  ⋯ 

이 존재하여

 





 ≤



 

 

을 만족시킨다.  에서 의 상한을

이라고 하자. 일반성을 잃지 않고

 이고  ≥ 라고 하자. 그리고

  min

  

    ⋯ 

을 만족시키는 양수 를 택하자.

이제

  ⋯ 

이  의 분할이고 

  를 만족시킨다고 하자. 그리고 가

의 표 집수열이라고 하자.

의 성분구간    가 임의로 주어졌다고 하자.

만약     ⊆    라면, 즉    가

의 한 성분구간에 포함된다면  inf  ,

 sup  , ∈    , ∈    에 대하여 ≤   ≤

가 성립한다.

그렇지 않고    가

의 한 성분구간에 포함되지 않는다면    는

의 두 개의 성분구 간에 포함된다. 가 충분히 작으므로    는

의 세 개의 성분구간에 걸쳐있지는 않는다. 즉

            이다. 이러한 상황은 많아야   번 발생한다. 한편

              

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