二元函数可重积分的条件

本文探讨了函数在某区间上Riemann可积的等价条件,包括上积分与下积分相等、极限条件以及与间断点集的关系。此外,还阐述了可积性的局部性质和覆盖性质,对于理解和应用Riemann积分理论具有重要意义。

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必要条件

函数在区间 III 上有界

充要条件

fffIII 上的有界函数,则下列条件等价:

  1. fffIII 上 Riemann 可积
  2. fffIII 上的上积分和下积分相等
  3. lim⁡∣∣x∣∣→0∑i,jωijv(Iij)=0\lim_{||x||\to0}\sum_{i,j}\omega_{ij}v(I_{ij})=0limx0i,jωijv(Iij)=0
  4. 任给 ε>0\varepsilon>0ε>0, 存在 III 的某个分割 π\piπ 使得
    S(π)−s(π)=∑ijωijv(Iij)<ε S(\pi)-s(\pi)=\sum_{ij}\omega_{ij}v(I_{ij})<\varepsilon S(π)s(π)=ijωijv(Iij)<ε
  5. 任意 ε,η>0\varepsilon,\eta>0ε,η>0,存在划分 π\piπ,使得:
    ∑ωij>ηv(Iij)<ε\sum_{\omega_{ij}>\eta}v(I_{ij})<\varepsilonωij>ηv(Iij)<ε
  6. (lebesgue). 矩形 III 上的有界函数 fff 是 Riemann 可积的当且仅当 fff 的间断点集 DfD_fDf 为零测集
  7. fffIII 上可积,而 J⊂IJ\subset IJI 为子长方形区域,则 fffJJJ 上可积
  8. 若矩形区域 III 可被有限多矩形区域 {Jk}k=1m\{J_k\}_{k=1}^m{Jk}k=1m 覆盖,且 fff 在每个 JkJ_kJk 上都可积,则 fffIII 上可积
### 二元函数正交的数学定义 两个二元函数 \( f(x,y) \) 和 \( g(x,y) \),如果它们在一个给定区域 \( D \) 上满足如下条件,则称为在这个区域内相互正交: \[ \iint_D f(x,y)g(x,y)\,dxdy = 0 \] 这意味着当这两个函数相乘并积分时,其结果为零。这种性质对于构建更复杂的函数空间非常有用,在这些空间中可以找到一组基底来表示其他任何函数。 ### 应用场景 #### 物理学中的应用 在量子力学里,薛定谔方程解的形式通常涉及多个变量,而其中涉及到的状态函数往往需要保持彼此间的正交关系以确保物理系统的独立性和稳定性[^1]。 #### 工程领域内的应用 工程上利用傅立叶级数展开技术处理多维信号时也会遇到类似的正交性需求;例如二维图像压缩标准JPEG就采用了离散余弦变换(DCT),它本质上就是一种特殊的正交变换方法[^4]。 ```python import numpy as np from scipy.integrate import dblquad def check_orthogonality(f, g, domain): """ Check orthogonality of two bivariate functions over a given domain. Parameters: f (function): First function taking arguments x and y. g (function): Second function taking arguments x and y. domain (tuple): Domain limits for integration in format ((xmin,xmax),(ymin,ymax)). Returns: float: Integral value indicating whether the functions are orthogonal or not. Should be close to zero if they're truly orthogonal within numerical precision. """ result,_=dblquad(lambda x,y:f(x,y)*g(x,y), *domain[1],lambda x:domain[0][0],lambda x:domain[0][1]) return abs(result) # Example usage with simple trigonometric functions on unit square [-pi, pi]^2 print(check_orthogonality(np.sin,np.cos,( (-np.pi,np.pi),(-np.pi,np.pi)))) ```
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