Кратные интегралы. Двойной интеграл

Суммы Дарбу и их свойства Определения.

Пусть функция f(x,y) определена на D и D={Dk} разбиение этой области. Нижней суммой Дарбу называется сумма

s(f,D)=, mk =.

Верхней суммой Дарбу называется сумма

S(f,D)=, Mk =.

Свойства сумм Дарбу.

Определение. Если разбиение D2 получено из разбиения D1 добавлением некоторого числа новых линий, то говорят, что разбиение D2 следует за разбиением D1 (или D2 является более мелким, чем D1), при этом пишут D1  D2 .

Для любого разбиения D и набора промежуточных точек XÎD имеют место соотношения

s(f,D) £ s( f,D, X) £ S(f,D), s(f,D) = s( f,D, X), S(f,D) = s( f,D, X).

Следует непосредственно из определения интегральных сумм и сумм Дарбу.

2) Если D1  D2 два разбиения D, то

s(f,D1)  £ s(f,D2) , S(f,D2) £ S(f,D1) .

Другими словами, при измельчении разбиения нижние суммы могут только возрасти, а верхние суммы могут только уменьшиться. Это утверждение достато￿но￿доказат￿ для случая, когда второе разбиение получено из первого разбиением некоторого множества D¢k первого разбиения D1 на два квадрируемых множества D¢¢k, D¢¢k+1. Рассмотрим нижние суммы Дарбу. Введем обозначения

, , . Нижняя грань по всему множеству D¢k будет меньше или равна, чем нижняя грань по части этого множества, поэтому m¢k£ m¢¢k , m¢k£ m¢¢k+1 . Для нижних сумм Дарбу можно записать

s(f,D1)=m¢k mD¢k +...,

s(f,D2) = m¢¢k mD¢¢k + m¢¢k+1 mD¢¢k+1 +...

  В каждой из сумм показаны только слагаемые, которыми они отличаются. Таким образом, разность сумм

s(f,D2) - s(f,D1) = m¢¢k mD¢¢k + m¢¢k+1 mD¢¢k+1 - m¢k mD¢k = m¢¢k mD¢¢k + m¢¢k+1 mD¢¢k+1 -

- m¢k (mD¢¢k +mD¢¢k+1) = (m¢¢k - m¢k) mD¢¢k +( m¢¢k+1 - m¢k ) mD¢¢k+1 ³ 0.

Аналогично доказывается утверждение для верхних сумм Дарбу.

Для любых разбиений D1 ,D2 данного отрезка справедливо неравенство

s(f,D1)  £ S(f,D2).

Обозначим через D3 = D1 ÈD2 разбиение, образованное всеми линиями двух исходных разбиений. Очевидно D1  D3 , D2  D3 . Тогда, как это следует из предыдущего свойства

s(f,D1)  £ s(f,D3) £ S(f,D3) £ S(f,D2),

откуда и следует доказываемое неравенство.

 

Полилинейные формы и их связь с тензорами

Пусть Х – евклидово пространство (линейное пространство со скалярным произведением) размерности n и Х* его сопряженное пространство, отождествляемое с ним самим (см. п.1 §1). Обозначим xk = ej  , y s =ei.

Определение. Функция F(x1,x2,…,xp,y1,y2,…,yq) от p контравариантных и q ковариантных векторов называется полилинейной формой ( (p,q) – полилинейной формой ), если она линейна по каждому аргументу.

Полилинейные формы можно складывать, умножать на числа и перемножать. Перемножение двух форм типов (p,q),(r,s) дает форму типа (p+r, q+s) H(x1,x2,…,xp+r,y1,y2,…,yq+s)=

F(x1,x2,…,xp,y1,y2,…,yq) G(xp+1,xp+2,…,xp+r,yq+1,yq+2,…,yq+s).

 Координатами полилинейной формы в базисе ej , ej являются числа Производная функции, заданной параметрически

  =.

Рассмотрим наборы векторов x1=, x2=,…, xp=,y1=, y2=,…, yq=. Координаты полилинейной формы в новом базисе = и = будут равны

====.

Таким образом, полилинейная форма типа (p,q) является тензором типа (p,q).

Операции между тензорами можно определять через полилинейные формы.

Операция свертки. Пусть А – тензор, соответствующий форме F(x1,x2,…,xp,y1,y2,…,yq), рассмотрим новую форму

G(x2,…,xp,y2,…,yq)= F(ea ,,x2,…,xp,ea,y2,…,yq).

Докажем, что это определение не зависит от выбора базиса. Так как x2,…,xp,y2,…,yq фиксированы, то достаточно рассмотреть F(ea ,ea). Имеем = и = и F()=F(,)=F(,)=F(,)=F(,).

Полилинейная форма G(x2,…,xp,y2,…,yq) называется сверткой. Координатами этой формы будут

= =

Свертку можно определять по любой паре индексов, расположенных на разных уровнях.