Fórum: Valaki mondja meg!

Kedves Mihály,

szerintem érdemes elkülöníteni a különböző célcsoportokat.

A gyakorlatban előkerülő szakaszonként sima függvények integrálásához mindenki a Newton--Leibniz-formulát fogja akarni használni; ez a célcsoport nem akar Dirichlet-függvényt integrálni, vagy bármit az integrál definíciója alapján kiszámítani. A HK-elmélet keretében a Newton--Leibniz-tételkör nagyon természetes módon tárgyalható, ami nem mondható el a Riemann- vagy a Lebesgue-elméletről. Ez a célcsoport nem fog semmilyen függvényt várni, és nem kapnak sokkot szörnyű függvényektől: a mindennapi praktikus számításokban nem látnak ilyet.

Egy következő célcsoport lehet az, akik látják, hogy van pl. Dirichlet-függvény, és ezt konstans -val nem lehet integrálni (azaz Riemann-értelemben), de egy kicsit bonyolultabb -val már lehet. Ha e célcsoport tagjai ezt a függvényt bonyolultnak találják, akkor nekik a Lebesgue-elmélet sem lenne emészthető. De itt sem muszáj a "definíció" szerinti integrálást erőltetni, a Dirichlet-fv. integráljának értéke a tételekből úgyis "kijön".

Aki pedig absztrakt Lebesgue-elméletet akar tanulni, annak -- a Lebesgue-elmélet megismerése előtt -- nagyon tanulságos lehet látni, hogy milyen gyorsan el lehet jutni egy [a,b]-n értelmezett függvény integráljának definíciójához, amit később majd Lebesgue-integrálnak fogunk hívni és egy bonyolultabb apparátus keretében absztraktabban és általánosabban felépíteni.

Kedves Lajos,

A kérdésed az volt, hogy a HK integrál miért nem vette át pl. az egyetemi tananyagban a Riemann-integrál helyét.

Több okot is látok. Az egyik didaktikai. Én legalábbi személy jobban szeretem, ha a világot apránként fedezzük fel. Előbb találunk néhány mozaikdarabot, ezeket tanulmányozzuk, emésztjük, és csak utána építünk fel valami általánosabb rendszert, aminek a sok darab mind része. Számomra mindig elrettentő példát jelentenek az olyan esetek, ahol előbb kimondanak és bebizonyítanak egy nagyon absztrakt tételt, és utána ennek speciális esete lesz a többi, külön-külön sokkal érdekesebb állítás.

A másik ok, hogy nem akarunk túl sok fölösleges dolgot tanítani. Egy mérnök vagy egy alkalmazott matematikus szép, szakaszonként sima függvényekkel dolgozik, és valószínűleg soha nem akarja mondjuk a Dirichlet-függvényt integrálni. Nekik bőven elég az (improprius) Riemann-integrál, és az x² integrálása sem okoz túl nagy traumát egyenletes felosztással. Semmi nyereség nincs mindaddig, amíg csak véges sok pont közelében van gond a függvénnyel. Az improprius integrált (végtelen inervallumokon) úgysem ússzuk meg.

Azt is írtad, hogy a definíciók közötti különbség alig észrevehető, a nyereség viszont nagy.

Az alig észrevehető különbség valójában óriási. Persze, mondhatjuk ártatlan arccal, hogy konstans helyett inkább egy pozitív értékű függvényt veszünk, de ez félrevezető. A többség valami viszonylag szép függvényt fog várni, tévesen. Nehezen fogják megemészteni azt a sokkot, hogy a várt szakaszonként folytonos függvény helyett miféle szörnyűségekbe ütközhetnek; hogy egy kicsit csúnyább függvény (pl. a Dirichlet-függvény) integrálásához mennyire bonyolult függvényt érdemes választani.

Ha pedig elkezdjük vizsgálni, hogy egyes függvények miért (nem) HK integrálhatók, óhatalanul beleütközünk a Lebesgue-mérték hiányába. Ezért gondolom, hogy a HK integrállal a mértékelmélet után érdmes foglalkozni.

Szerintem az alapvető tételek bizonyításai nem nehezebbek, lásd pl. Lee Peng-Yee: Lanzhou Lectures on Henstock Integration c. művét 1989-ből, amely a fogalom felépítésére koncentrál.

Vagy érdemes egy pillantást vetni erre a masszívabb könyvre Brian S. Thomson: Theory of the integral, amely összehasonlító szempontból tárgyal viszonylag sok integrálfogalmat.

De hogy a Riemann-integrál fogalma is rejteget még nemtriviális részleteket: 2009-ben adták meg annak szükséges és elégséges feltételét, hogy egy F függvény előálljon, mint egy f Riemann-integrálható függvény integrálfüggvénye. Azaz: mik a feltételek F-re, hogy létezzen hozzá egy c konstans és f Riemann-integrálható függvény, hogy legyen (x[a,b]).

Ahhoz mennyi előkészületre van szükség (a definíciókkal együtt), hogy az xx² függvény Lebesgue-integrálját ki tudjuk számítani a [0,1] intervallumon?

Véleményem szerint ennél kevesebb vesződséggel jár a Dirichlet-függvényről megmutatni a definíciókból, hogy HK-integrálja 0.

Ha nem cél az absztrakt mértékelmélet tanulmányozása, a HK-integrál fogalma kifizetődőbben felépíthető, mint a Lebesgue-integrálé.

Szerintem nem olyan egyszerű ez az integrálfogalom, és inkább a mértékelmélet tárgyalása után érdemes foglalkozni vele.

Például próbáljuk integrálni a Dirichlet-függvényt, vagy a Cantor halmaz összes racionális eltoltja uniójának karakterisztikus függvényét a [0,1] intervallumban.

És nem okozza ez azt, hogy nehezebb bebizonyítani az alapvető tételeket rá, mint a Riemann-integrálra?

De ebben az esetben pontosan ezt gondolom. A HK-integrál éppoly természetes, ha vki először hallja, és nem csak elsős matematikusokra gondolok. A mögöttes tartalom pedig csupán annyi, hogy ha a függvény valahol csúnyán változik, akkor a téglalapos közelítőösszegeket is ennek megfelelően finomítsuk: egy igazi adaptív algoritmus.

Nem gondolhatod, hogy matematikában csak mert két dolog definíciója pofára hasonló, hasonlóan nehéz lesz megérteni a fogalmakat :) A Riemann integrál egy elsős matematikus számára könnyen érthető és természetes, míg ezen igen csak törnie kéne a fejét, és nem is biztos hogy rendesen megértené miről is van szó (és így az egész csak formális zúzás lenne neki).

Csak 1-2 morzsát írok, a többit az idézett oldalakon megadott összefoglaló könyvekből jól áttekintheted egy kis kutatómunka után.

Rejtély számomra, hogy a Henstock--Kurzweil-integrál (HK) miért nem vette át pl. az egyetemi tananyagban a Riemann-integrál helyét: a definíciók közötti különbség alig észrevehető, a nyereség viszont nagy. Ki és miért ennyire konzervatív?

A HK-integrál egyik hátránya, hogy (alapesetben) csak intervallumokon tudunk vele integrálni. Egy másik hátránya, hogy a HK-integrálható függvények tere nem teljes.

A Lebesgue-integrál (L) esetében a fenti teljesség teljesül: ez az alkalmazásokban döntően fontos tényező, ami a mérleget itt az L-integrál javára billenti. Az L-integrállal bonyolult halmazokon is lehet integrálni. Ezt az integrálfogalmat a valós számok halmazánál absztraktabb terekre könnyű kiterjeszteni.

A különféle integrálfogalmak fejlődését az alkalmazások motiválták: egy fontos elméleti/gyakorlati kérdés alapos tanulmányozásakor sokszor kifejlesztettek egy új integrálfogalmat.

Az idézett oldalon felsorolt integrálfogalmak nem feltétlenül összehasonlíthatók Venn-diagramon: más típusú (máshol értelmezett/más típusú térbe képező) függvényekre vannak kitalálva.