4.7 Integrierbarkeit stetiger Funktionen
Aus Abschnitt 4.6 wissen wir bereits, dass Polynomfunktionen integrierbar sind. In diesem Abschnitt möchten wir nun unter Verwendung der Beschränktheit und der gleichmässigen Stetigkeit stetiger Funktionen auf kompakten Intervallen (Satz 3.69 respektive Satz 3.77) folgendes allgemeines Resultat beweisen.
Satz 4.42 (Stetige Funktionen und das Riemann-Integral).
Eine stetige Funktion auf einem kompakten Intervall mit ist Riemann-integrierbar.
Beweis.
Sei und . Nach Satz 3.77 ist gleichmässig stetig und es gibt ein , so dass für alle gilt
Sei eine Zerlegung von mit
Zum Beispiel können wir die Zerlegung durch für und ein hinreichend grosses definieren. Wir definieren für jedes die Zahlen
wobei wir Korollar 3.71 für die Existenz von Minimum und Maximum verwendet haben. Wir behaupten nun, dass für alle
gilt. In der Tat ist und für . Da aber ist, haben wir auch . Auf Grund der Wahl von mit (4.16) erhalten wir also unsere Behauptung .
Wir definieren nun Treppenfunktionen durch
für . Nach Definition von für gilt daher . Des Weiteren ist
Da beliebig war (und fix ist), zeigt dies mittels Proposition 4.12, dass Riemann-integrierbar ist.
Applet 4.43 (Integrierbarkeit einer „zittrigen“ Funktion).
Wir sehen, dass eine stetige aber zittrige Funktion wie im dargestellten Graphen auch Riemann-integrierbar ist.
Anmerkung.
Was wir auch mitunter sehen können, ist, dass geogebra mit der verwendeten Funktion manchmal Problem hat und manche der dargestellten Untersummen oder Obersummen eigentlich nicht richtig dargestellt und berechnet werden. Unabhängig davon haben wir aber in unserem Beweis schon die Riemann-Integrierbarkeit gesehen, sind also für die gewünschte Aussage nicht auf geogebra angewiesen.
4.7.1 Sandwich mittels stetigen Funktionen
Die folgende Proposition zeigt, dass auch allgemeine Riemann-integrierbare Funktionen einen gewissen Zusammenhang zu dem Begriff der Stetigkeit aufweisen.
Proposition 4.44 (Sandwich-Kriterium mit stetigen Funktionen).
Eine Funktion auf einem kompakten Intervall mit ist genau dann Riemann-integrierbar, wenn für alle stetige Funktionen existieren mit und
Wir empfehlen Ihnen sich dies geometrisch vorzustellen: wird von den stetigen Funktionen und eingezäunt, wobei die Fläche zwischen diesen beiden Funktionen beliebig klein gemacht werden kann.
Beweis.
Angenommen es existieren zu jedem stetige Funktionen wie in der Proposition. Sei und wähle stetige Funktionen und mit und
Da als stetige Funktion nach Satz 4.42 auch Riemann-integrierbar ist, so existiert eine Treppenfunktion mit und . Genauso existiert mit und . Zusammenfassend gilt sowie nach Linearität
Da beliebig war, beweist dies mit Hilfe von Proposition 4.12 die erste, einfachere Richtung der Proposition.
Wir beweisen nun die verbleibende Richtung und nehmen dazu zuerst an, dass eine Treppenfunktion ist. Sei eine Zerlegung in Konstanzintervalle für und seien die Konstanzwerte. Wir konstruieren eine stetige Funktion mit und . Wenden wir dies auf an, so lässt sich analog eine stetige Funktion auf mit und finden.
Bevor wir eine explizite Definition von angeben, fassen wir die Idee in folgendem Bild zusammen.
Sei mit
vorerst beliebig (dies wird die „halbe Breite“ der Spitzen sein). Da eine Treppenfunktion ist, existeren und . Zur formalen Definition von verwenden wir die Zerlegung , die Konstanzwerte von und für alle die Fallunterscheidung
wobei beliebig ist und die verschiedenen Fälle auf Grund unserer Wahl von disjunkt sind. Aus Korollar 3.51 und mehrfacher Anwendung von Übung 3.54 folgt, dass stetig ist. Dank der Definition von und ist auch . Weiter gilt für jedes Konstanzintervall , dass für alle mit Distanz grösser als von den Randpunkten . Insbesondere ist
und damit
Wählen wir nun , so ist . Daher hat die stetige Funktion alle gewünschten Eigenschaften.
Sei nun eine beliebige Riemann-integrierbare Funkton und sei . Nach Proposition 4.12 existieren Treppenfunktionen mit und . Seien wie oben konstruiert mit , , und . Die stetigen Funktionen und erfüllen damit und . Da beliebig war, haben wir damit die zweite Implikation der Proposition gezeigt.