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Integration

다변수 함수의 적분을 정의하고, 적분 가능성, 반복적분, 수치적분, determinant와 volume, change of variables, Lebesgue integration의 핵심 개념을 정리합니다.

4.1 Defining the Integral​

1) Integration​

Integration: 작은 영역에서의 값을 합하여 전체량을 계산하는 과정.

예를 들어 density가

ρ(x)\rho(x)

이면

∫ρ(x) dx\int \rho(x)\,dx

는 전체 mass를 나타낸다.

다변수에서는

f:Rn→Rf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}

을 작은 nn-dimensional cubes로 나누어 같은 개념을 확장한다.

2) Indicator Function​

집합 A⊂RnA\subset\mathbb{R}^n의 indicator function은

1A(x)={1,x∈A,0,x∉A.1_A(x) = \begin{cases} 1,&x\in A,\\ 0,&x\notin A. \end{cases}

이다.

Meaning: 영역 자체를 함수로 표현한다.

영역 AA 위에서만 적분하고 싶으면

∫Af=∫Rnf(x)1A(x)∣dnx∣\int_A f = \int_{\mathbb{R}^n} f(x)1_A(x)|d^nx|

로 생각할 수 있다.

3) Dyadic Cube​

level NN의 dyadic cube는 각 변의 길이가

12N\frac{1}{2^N}

인 cube이다.

nn-dimensional volume은

vol⁡nC=12nN.\operatorname{vol}_n C = \frac{1}{2^{nN}}.

4) Dyadic Paving​

Dyadic Paving: 같은 level NN에 있는 모든 dyadic cubes의 collection.

표기:

DN(Rn).D_N(\mathbb{R}^n).

Meaning: 공간을 같은 크기의 작은 cubes로 분할한다.

5) Upper and Lower Sums​

cube CC에서

MC(f)=sup⁡x∈Cf(x)M_C(f)=\sup_{x\in C}f(x) mC(f)=inf⁡x∈Cf(x)m_C(f)=\inf_{x\in C}f(x)

라 하자.

Nth upper sum:

UN(f)=∑C∈DNMC(f)vol⁡nC.U_N(f) = \sum_{C\in D_N} M_C(f)\operatorname{vol}_nC.

Nth lower sum:

LN(f)=∑C∈DNmC(f)vol⁡nC.L_N(f) = \sum_{C\in D_N} m_C(f)\operatorname{vol}_nC.

resolution이 증가하면

UN(f)U_N(f)

는 nonincreasing하고

LN(f)L_N(f)

는 nondecreasing한다.

6) Upper and Lower Integrals​

U(f)=lim⁡N→∞UN(f)U(f) = \lim_{N\to\infty}U_N(f) L(f)=lim⁡N→∞LN(f).L(f) = \lim_{N\to\infty}L_N(f).

7) Riemann Integrable Function​

bounded이고 bounded support를 가지는 함수 ff가

U(f)=L(f)U(f)=L(f)

를 만족하면 integrable이다.

그 공통값을 integral로 정의한다.

∫Rnf(x)∣dnx∣=U(f)=L(f)\boxed{ \int_{\mathbb{R}^n} f(x)|d^nx| = U(f) = L(f) }

8) Riemann Sum​

ff가 integrable이면 각 cube CC에서 임의의 sample point

xC∈Cx_C\in C

를 선택하여

∑Cf(xC)vol⁡nC\sum_C f(x_C)\operatorname{vol}_nC

을 계산할 수 있다.

paving이 충분히 fine해지면

∑Cf(xC)vol⁡nC→∫Rnf(x)∣dnx∣.\sum_C f(x_C)\operatorname{vol}_nC \to \int_{\mathbb{R}^n}f(x)|d^nx|.

Meaning: 실제 계산에서는 supremum과 infimum 대신 sample values를 사용할 수 있다.

9) Volume​

집합 AA의 volume은 indicator function의 integral로 정의한다.

vol⁡nA=∫Rn1A(x)∣dnx∣\boxed{ \operatorname{vol}_nA = \int_{\mathbb{R}^n} 1_A(x)|d^nx| }

10) Pavable Set​

Pavable Set: indicator function이 integrable하여 volume이 잘 정의되는 집합.

A pavable  ⟺  1A integrable.A\text{ pavable} \iff 1_A\text{ integrable}.

4.2 Probability and Centers of Gravity​

1) Mass​

영역 AA의 density가

μ:A→R\mu:A\to\mathbb{R}

이면 mass는

M(A)=∫Aμ(x)∣dnx∣\boxed{ M(A) = \int_A \mu(x)|d^nx| }

이다.

2) Center of Gravity​

center of gravity의 ii번째 coordinate는

xˉi=∫Axiμ(x)∣dnx∣M(A)\boxed{ \bar{x}_i = \frac{ \displaystyle\int_A x_i\mu(x)|d^nx| }{ M(A) } }

이다.

Meaning: density로 weighted된 coordinate의 average이다.

density가 constant이면

xˉi=∫Axi∣dnx∣vol⁡nA.\bar{x}_i = \frac{ \displaystyle\int_A x_i|d^nx| }{ \operatorname{vol}_nA }.

3) Probability Density​

Probability Density: nonnegative integrable function

μ:Rn→R\mu:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}

가 모든 event AA에 대해

P(A)=∫Aμ(x)∣dnx∣\boxed{ P(A) = \int_A \mu(x)|d^nx| }

를 만족하면 μ\mu를 probability density라고 한다.

따라서

μ(x)≥0\mu(x)\geq0

이고

∫Rnμ(x)∣dnx∣=1\boxed{ \int_{\mathbb{R}^n} \mu(x)|d^nx| = 1 }

이다.

4) Expected Value​

random variable ff의 expected value는

E(f)=∫Sf(x)μ(x)∣dnx∣\boxed{ E(f) = \int_S f(x)\mu(x)|d^nx| }

이다.

5) Variance​

Var⁡(f)=E(f2)−E(f)2\boxed{ \operatorname{Var}(f) = E(f^2)-E(f)^2 }

6) Standard Deviation​

σ(f)=Var⁡(f)\boxed{ \sigma(f) = \sqrt{\operatorname{Var}(f)} }

7) Covariance​

cov⁡(f,g)=E(fg)−E(f)E(g).\operatorname{cov}(f,g) = E(fg)-E(f)E(g).

8) Normal Distribution​

standard normal probability density는

μ(x)=12πe−x2/2\boxed{ \mu(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-x^2/2} }

이다.

책에서 기억할 대표적인 범위는 대략

  • 68%68\%: mean에서 1σ1\sigma 이내
  • 95%95\%: mean에서 2σ2\sigma 이내
  • 99%99\%: mean에서 약 2.5σ2.5\sigma 이내

이다.


4.3 What Functions Can Be Integrated?​

1) Integrability​

모든 함수가 Riemann integrable한 것은 아니다.

Riemann integral에서는 기본적으로

  • bounded function
  • bounded support

를 먼저 가정한다.

2) Continuous Functions​

f:Rn→Rf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}이 continuous이고 bounded support를 가지면 integrable이다.

f continuous with bounded support⇒f integrable\boxed{ f\text{ continuous with bounded support} \Rightarrow f\text{ integrable} }

3) Discontinuities​

함수가 모든 곳에서 continuous일 필요는 없다.

discontinuity가 충분히 작은 집합에만 존재하면 integrable할 수 있다.

특히 bounded support를 가지며 volume 00인 집합을 제외하고 continuous이면 integrable이다.

4) Oscillation​

집합 CC 위에서 함수의 oscillation은

osc⁡C(f)=sup⁡Cf−inf⁡Cf.\operatorname{osc}_C(f) = \sup_C f-\inf_C f.

Meaning: 해당 영역에서 함수가 얼마나 많이 변하는지를 나타낸다.

integrability는 충분히 작은 cubes에서 전체 oscillation의 영향이 작아지는 것과 연결된다.


4.4 Measure Zero​

1) Measure Zero​

집합

X⊂RnX\subset\mathbb{R}^n

이 Measure Zero라는 것은 모든

ϵ>0\epsilon>0

에 대해 open boxes

B1,B2,…B_1,B_2,\ldots

가 존재하여

X⊂⋃i=1∞BiX \subset \bigcup_{i=1}^{\infty}B_i

이고

∑i=1∞vol⁡n(Bi)≤ϵ\boxed{ \sum_{i=1}^{\infty} \operatorname{vol}_n(B_i) \leq \epsilon }

이 되도록 할 수 있다는 뜻이다.

Meaning: 집합을 임의로 작은 total volume의 boxes로 덮을 수 있다.

2) Almost Everywhere​

Almost Everywhere, abbreviated a.e., 는

except on a set of measure zero

라는 뜻이다.

3) Countable Union​

measure-zero sets

A1,A2,…A_1,A_2,\ldots

의 countable union도 measure zero이다.

Ai measure zero⇒⋃i=1∞Ai measure zero.A_i\text{ measure zero} \Rightarrow \bigcup_{i=1}^{\infty}A_i \text{ measure zero}.

4) Riemann Integrability Criterion​

bounded이고 bounded support를 가진 함수 ff에 대해

f is Riemann integrable  ⟺  f is continuous almost everywhere\boxed{ f\text{ is Riemann integrable} \iff f\text{ is continuous almost everywhere} }

이다.

즉, discontinuity set이 measure zero이면 된다.

Meaning: Riemann integral은 measure-zero 집합 위의 discontinuities에는 영향을 받지 않는다.


4.5 Fubini's Theorem and Iterated Integrals​

1) Fubini's Theorem​

multiple integral을 one-dimensional integrals의 반복으로 계산할 수 있다.

예를 들어

f:Rn→Rf:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}

에 대해 적절한 조건 아래

∫Rnf(x)∣dnx∣=∫−∞∞⋯∫−∞∞f(x1,…,xn) dx1⋯dxn\boxed{ \int_{\mathbb{R}^n} f(x)|d^nx| = \int_{-\infty}^{\infty} \cdots \int_{-\infty}^{\infty} f(x_1,\ldots,x_n) \,dx_1\cdots dx_n }

이다.

2) Two Dimensions​

∬Af(x,y) dx dy\boxed{ \iint_A f(x,y)\,dx\,dy }

를

∫(∫f(x,y) dx)dy\int \left( \int f(x,y)\,dx \right) dy

또는

∫(∫f(x,y) dy)dx\int \left( \int f(x,y)\,dy \right) dx

형태로 계산할 수 있다.

3) Order of Integration​

적절한 조건에서는 integration order를 바꿀 수 있다.

∫(∫f(x,y) dx)dy=∫(∫f(x,y) dy)dx.\int \left( \int f(x,y)\,dx \right)dy = \int \left( \int f(x,y)\,dy \right)dx.

Meaning: 계산하기 쉬운 순서를 선택할 수 있다.

4) Setting Up Iterated Integrals​

계산은 inside-out으로 하지만 integration region을 설정할 때는 outside-in으로 생각하는 것이 유용하다.

예를 들어 영역

A={(x,y)∣a≤y≤b,  g1(y)≤x≤g2(y)}A= \{ (x,y) \mid a\leq y\leq b,\; g_1(y)\leq x\leq g_2(y) \}

에서는

∫ab∫g1(y)g2(y)f(x,y) dx dy\int_a^b \int_{g_1(y)}^{g_2(y)} f(x,y)\,dx\,dy

로 표현한다.


4.6 Numerical Methods of Integration​

1) Numerical Integration​

antiderivative를 정확히 구하기 어려운 경우 function values를 sampling하여 integral을 approximation한다.

일반적인 형태는

∫abf(x) dx≈∑iwif(pi)\boxed{ \int_a^b f(x)\,dx \approx \sum_i w_i f(p_i) }

이다.

여기서

  • pip_i: sample points
  • wiw_i: weights

이다.

2) Simpson's Rule​

interval [a,b][a,b]를 2n2n개의 equal intervals로 나누고

x0,…,x2nx_0,\ldots,x_{2n}

에서 function을 평가한다.

Simpson approximation은

Sn(f)=b−a6n[f(x0)+4f(x1)+2f(x2)+⋯+4f(x2n−1)+f(x2n)]\boxed{ S_n(f) = \frac{b-a}{6n} \left[ f(x_0) + 4f(x_1) + 2f(x_2) +\cdots+ 4f(x_{2n-1}) + f(x_{2n}) \right] }

이다.

weights는

1,4,2,4,…,2,4,11,4,2,4,\ldots,2,4,1

의 pattern을 가진다.

Simpson's rule은 cubic polynomial을 exactly integrate하도록 만들어져 있다.

3) Product Rule​

one-dimensional numerical integration rule

∫abf(x) dx≈∑iwif(pi)\int_a^b f(x)\,dx \approx \sum_i w_i f(p_i)

은 higher dimensions에서 product rule로 확장된다.

예를 들어

[a,b]n[a,b]^n

에서는

∫[a,b]nf(x)∣dnx∣≈∑i1,…,inwi1⋯winf(pi1⋮pin)\boxed{ \int_{[a,b]^n} f(x)|d^nx| \approx \sum_{i_1,\ldots,i_n} w_{i_1}\cdots w_{i_n} f \begin{pmatrix} p_{i_1}\\ \vdots\\ p_{i_n} \end{pmatrix} }

이다.

4) Curse of Dimensionality​

각 coordinate에서 kk개의 points를 사용하면 nn dimensions에서는

knk^n

개의 function evaluations가 필요하다.

Meaning: deterministic product rules는 dimension이 증가하면 계산량이 매우 빠르게 증가한다.

5) Monte Carlo Method​

high-dimensional integral에서는 random sampling을 사용할 수 있다.

영역 AA에서 uniformly random points

x1,…,xNx_1,\ldots,x_N

을 선택하고

ai=f(xi)a_i=f(x_i)

를 계산한다.

sample mean:

aˉ=1N∑i=1Nai\boxed{ \bar a = \frac1N \sum_{i=1}^N a_i }

sample variance:

s2=1N∑i=1N(ai−aˉ)2\boxed{ s^2 = \frac1N \sum_{i=1}^N (a_i-\bar a)^2 }

이다.

uniform probability에서는

E(f)=∫Af(x)∣dnx∣vol⁡nA.E(f) = \frac{ \displaystyle\int_A f(x)|d^nx| }{ \operatorname{vol}_nA }.

따라서

∫Af(x)∣dnx∣≈vol⁡n(A)aˉ\boxed{ \int_A f(x)|d^nx| \approx \operatorname{vol}_n(A)\bar a }

이다.

Meaning: Monte Carlo는 높은 dimension에서 product rule보다 유리할 수 있다.


4.7 Other Pavings​

1) Limitation of Dyadic Pavings​

dyadic paving은 이론을 만들기에는 편리하지만 모든 cubes가 같은 구조로 계속 나뉜다.

따라서 함수가 빠르게 변하는 곳에 더 작은 pieces를 배치하고, 천천히 변하는 곳에는 큰 pieces를 사용하는 것이 어렵다.

2) General Pavings​

integration은 dyadic cubes에만 의존하지 않는다.

적절한 general paving을 사용하여 domain을 분할할 수 있다.

Meaning: integral 자체는 특정 grid의 선택에 의존하지 않는다.

3) Adaptive Idea​

함수가 빠르게 변화하는 영역에서는 small paving pieces를 사용하고, 변화가 적은 영역에서는 larger pieces를 사용할 수 있다.

이 flexibility는 이후 change of variables를 이해하는 데 중요하다.


4.8 Determinants​

1) Determinant​

nn개의 vectors

v1,…,vn∈Rnv_1,\ldots,v_n\in\mathbb{R}^n

을 입력받는 determinant는 다음 세 properties로 특징지어진다.

Multilinearity​

각 argument에 대해 linear하다.

Antisymmetry​

두 vectors를 교환하면 sign이 바뀐다.

det⁡(…,vi,…,vj,…)=−det⁡(…,vj,…,vi,…).\det(\ldots,v_i,\ldots,v_j,\ldots) = - \det(\ldots,v_j,\ldots,v_i,\ldots).

Normalization​

det⁡(e1,…,en)=1\boxed{ \det(e_1,\ldots,e_n)=1 }

이다.

Matrix

A=[v1,…,vn]A=[v_1,\ldots,v_n]

에 대해

det⁡A=det⁡(v1,…,vn).\det A = \det(v_1,\ldots,v_n).

2) Equal Columns​

두 columns가 같으면

det⁡A=0.\det A=0.

3) Product Rule​

det⁡(AB)=det⁡(A)det⁡(B)\boxed{ \det(AB) = \det(A)\det(B) }

이다.

4) Invertibility​

A invertible  ⟺  det⁡A≠0\boxed{ A\text{ invertible} \iff \det A\neq0 }

이다.

5) Transpose​

det⁡(AT)=det⁡A\boxed{ \det(A^T)=\det A }

이다.

6) Triangular Matrix​

triangular matrix에서는 determinant가 diagonal entries의 product이다.

det⁡A=a11a22⋯ann\boxed{ \det A = a_{11}a_{22}\cdots a_{nn} }

7) Orthogonal Matrix​

orthogonal matrix QQ에서는

QTQ=I.Q^TQ=I.

따라서

(det⁡Q)2=1(\det Q)^2=1

이고

det⁡Q=±1\boxed{ \det Q=\pm1 }

이다.

8) Determinant and Eigenvalues​

matrix AA의 eigenvalues를 multiplicity를 포함하여

λ1,…,λn\lambda_1,\ldots,\lambda_n

이라고 하면

det⁡A=λ1⋯λn\boxed{ \det A = \lambda_1\cdots\lambda_n }

이다.

9) Trace​

trace는 diagonal entries의 sum이다.

tr⁡A=∑i=1naii\boxed{ \operatorname{tr}A = \sum_{i=1}^{n}a_{ii} }

책에서는 determinant의 derivative와 trace의 관계도 다룬다.

특히

[Ddet⁡(I)]B=tr⁡B.[D\det(I)]B = \operatorname{tr}B.

4.9 Volumes and Determinants​

1) Determinant as Volume Scaling​

Linear transformation

T:Rn→RnT:\mathbb{R}^n\to\mathbb{R}^n

에 대해

vol⁡n(T(A))=∣det⁡[T]∣vol⁡n(A)\boxed{ \operatorname{vol}_n(T(A)) = |\det[T]| \operatorname{vol}_n(A) }

이다.

Meaning: ∣det⁡T∣|\det T|는 linear transformation에 의한 volume scaling factor이다.

2) Geometric Interpretation​

∣det⁡T∣>1|\det T|>1

이면 volume이 확대되고,

0<∣det⁡T∣<10<|\det T|<1

이면 volume이 축소된다.

det⁡T=0\det T=0

이면 dimension이 collapse되어 nn-dimensional volume은 00이 된다.

3) Orthogonal Transformations​

orthogonal transformation에서는

∣det⁡Q∣=1.|\det Q|=1.

따라서

vol⁡n(Q(A))=vol⁡n(A)\boxed{ \operatorname{vol}_n(Q(A)) = \operatorname{vol}_n(A) }

이다.

Meaning: rotation과 reflection은 volume을 보존한다.

4) Determinant and Orientation​

absolute value

∣det⁡T∣|\det T|

는 volume scaling을 나타내며 determinant의 sign은 orientation과 연결된다.

이 개념은 Chapter 6의 differential forms에서 다시 사용된다.


4.10 The Change of Variables Formula​

1) Change of Variables​

복잡한 영역의 integral을 더 단순한 coordinate system에서 계산한다.

mapping

ϕ:U→V\phi:U\to V

를 사용한다.

2) Local Linear Approximation​

작은 영역에서

ϕ(x+h)≈ϕ(x)+Dϕ(x)h.\phi(x+h) \approx \phi(x)+D\phi(x)h.

따라서 작은 volume은 derivative에 의해 approximately

∣det⁡Dϕ(x)∣|\det D\phi(x)|

배 scale된다.

3) Jacobian Determinant​

Jacobian Determinant:

Jϕ(x)=det⁡Dϕ(x)\boxed{ J_\phi(x) = \det D\phi(x) }

Meaning: coordinate transformation이 local volume을 얼마나 확대 또는 축소시키는지를 나타낸다.

4) Change of Variables Formula​

적절한 regularity와 invertibility 조건 아래

∫Vf(y)∣dny∣=∫Uf(ϕ(x))∣det⁡Dϕ(x)∣∣dnx∣\boxed{ \int_V f(y)|d^ny| = \int_U f(\phi(x)) \left| \det D\phi(x) \right| |d^nx| }

이다.

5) Why the Absolute Value?​

determinant의 sign은 orientation을 나타내지만 ordinary volume은 nonnegative이므로

∣det⁡Dϕ∣|\det D\phi|

를 사용한다.

6) Polar Coordinates​

ϕ(r,θ)=(rcos⁡θrsin⁡θ).\phi(r,\theta) = \begin{pmatrix} r\cos\theta\\ r\sin\theta \end{pmatrix}.

Derivative는

Dϕ=[cos⁡θ−rsin⁡θsin⁡θrcos⁡θ].D\phi = \begin{bmatrix} \cos\theta&-r\sin\theta\\ \sin\theta&r\cos\theta \end{bmatrix}.

따라서

∣det⁡Dϕ∣=r\boxed{ |\det D\phi|=r }

이다.

그래서

dx dy=r dr dθ\boxed{ dx\,dy = r\,dr\,d\theta }

가 된다.

Meaning: polar-coordinate integral에 나타나는 rr은 임의로 붙는 것이 아니라 local area scaling factor이다.


4.11 Lebesgue Integrals​

1) Limitation of the Riemann Integral​

이 장 앞부분의 Riemann integral은 기본적으로

  • bounded functions
  • bounded support

를 중심으로 정의된다.

그러나 실제 문제에서는

  • unbounded domain
  • unbounded function
  • limits of functions

을 다루어야 한다.

이를 위해 Lebesgue integration을 도입한다.

2) Lebesgue Equality​

두 functions가 measure-zero set을 제외하고 같으면 Lebesgue의 의미에서 같은 것으로 취급한다.

f=ga.e.\boxed{ f=g \quad\text{a.e.} }

Meaning: measure-zero set에서의 값은 Lebesgue integral에 영향을 주지 않는다.

3) L-Integrable Function​

책에서는 Lebesgue-integrable function을 Riemann-integrable functions의 absolutely integrable series로 구성한다.

즉,

f=∑k=1∞fka.e.f = \sum_{k=1}^{\infty}f_k \quad\text{a.e.}

이고 각 fkf_k가 Riemann integrable이며

∑k=1∞∫Rn∣fk(x)∣∣dnx∣<∞\boxed{ \sum_{k=1}^{\infty} \int_{\mathbb{R}^n} |f_k(x)||d^nx| < \infty }

이면 ff를 L-integrable하게 다룬다.

Lebesgue integral은

∫f=∑k=1∞∫fk\boxed{ \int f = \sum_{k=1}^{\infty} \int f_k }

로 정의된다.

4) Relation to Riemann Integration​

Riemann integrable function은 모두 Lebesgue integrable이며 두 integrals는 같다.

f R-integrable⇒f L-integrable\boxed{ f\text{ R-integrable} \Rightarrow f\text{ L-integrable} }

그리고

∫Rf=∫Lf.\int_R f = \int_L f.

5) Measure-Zero Sets​

measure-zero set에서 function 값을 변경해도 Lebesgue integral은 변하지 않는다.

예를 들어 rational numbers의 indicator function은

1Q(x)={1,x∈Q,0,x∉Q1_{\mathbb Q}(x) = \begin{cases} 1,&x\in\mathbb Q,\\ 0,&x\notin\mathbb Q \end{cases}

이지만

1Q=0a.e.1_{\mathbb Q}=0 \quad\text{a.e.}

이므로 Lebesgue integral은

00

이다.

6) Infinite Series and Integration​

적절한 absolute integrability 조건 아래

∫∑k=1∞fk=∑k=1∞∫fk\boxed{ \int \sum_{k=1}^{\infty}f_k = \sum_{k=1}^{\infty} \int f_k }

이다.

7) Monotone Convergence​

nonnegative L-integrable functions가 monotone하게 limit function으로 증가하는 경우 적절한 조건 아래

∫lim⁡k→∞fk=lim⁡k→∞∫fk\boxed{ \int \lim_{k\to\infty}f_k = \lim_{k\to\infty} \int f_k }

로 limit과 integral을 교환할 수 있다.

8) Dominated Convergence Theorem​

L-integrable functions fkf_k가

fk(x)→f(x)f_k(x)\to f(x)

almost everywhere이고 어떤 L-integrable function FF가 존재하여

∣fk(x)∣≤F(x)|f_k(x)|\leq F(x)

almost everywhere이면

ff

도 L-integrable이고

∫f=lim⁡k→∞∫fk\boxed{ \int f = \lim_{k\to\infty} \int f_k }

이다.

Meaning: 적절한 dominating function이 있으면 limit과 integral의 순서를 바꿀 수 있다.

9) Fubini for Lebesgue Integrals​

L-integrable function에 대해서도 iterated integration이 가능하다.

∫Rn+mf(x,y)∣dnx∣∣dmy∣=∫Rm(∫Rnf(x,y)∣dnx∣)∣dmy∣\boxed{ \int_{\mathbb{R}^{n+m}} f(x,y)|d^nx||d^my| = \int_{\mathbb{R}^m} \left( \int_{\mathbb{R}^n} f(x,y)|d^nx| \right) |d^my| }

이다.

10) Change of Variables for Lebesgue Integrals​

Lebesgue integral에서도

∫Vf(v)∣dnv∣=∫Uf(ϕ(u))∣det⁡Dϕ(u)∣∣dnu∣\boxed{ \int_V f(v)|d^nv| = \int_U f(\phi(u)) |\det D\phi(u)| |d^nu| }

형태의 change of variables formula가 성립한다.


Essential Study Checklist​

반드시 이해해야 할 내용:

  • Indicator Function
1A1_A
  • Dyadic Paving
  • Upper Sum / Lower Sum
UN(f),LN(f)U_N(f),\quad L_N(f)
  • Riemann Integrability
U(f)=L(f)\boxed{ U(f)=L(f) }
  • Riemann Sum
  • Volume as an Integral
vol⁡nA=∫1A∣dnx∣\boxed{ \operatorname{vol}_nA = \int1_A|d^nx| }
  • Pavable Set
  • Mass
M(A)=∫Aμ(x)∣dnx∣M(A) = \int_A\mu(x)|d^nx|
  • Center of Gravity
  • Probability Density
P(A)=∫Aμ(x)∣dnx∣P(A) = \int_A\mu(x)|d^nx|
  • Expected Value
E(f)=∫fμE(f) = \int f\mu
  • Measure Zero
  • Almost Everywhere
  • Riemann Integrability Criterion
f integrable  ⟺  f continuous a.e.\boxed{ f\text{ integrable} \iff f\text{ continuous a.e.} }

for bounded functions with bounded support.

  • Fubini's Theorem
  • Iterated Integrals
  • Simpson's Rule
  • Product Rules
  • Monte Carlo Method
  • Determinant의 세 핵심 properties
    • Multilinear
    • Antisymmetric
    • Normalized
  • Determinant Product Rule
det⁡(AB)=det⁡Adet⁡B\boxed{ \det(AB)=\det A\det B }
  • Invertibility
A−1 exists  ⟺  det⁡A≠0\boxed{ A^{-1}\text{ exists} \iff \det A\neq0 }
  • Determinant as Volume Scaling
vol⁡(T(A))=∣det⁡T∣vol⁡(A)\boxed{ \operatorname{vol}(T(A)) = |\det T|\operatorname{vol}(A) }
  • Jacobian Determinant
Jϕ=det⁡Dϕ\boxed{ J_\phi = \det D\phi }
  • Change of Variables
∫Vf=∫U(f∘ϕ)∣det⁡Dϕ∣\boxed{ \int_V f = \int_U (f\circ\phi) |\det D\phi| }
  • Polar Coordinate Jacobian
dx dy=r dr dθ\boxed{ dx\,dy=r\,dr\,d\theta }
  • Riemann Integral과 Lebesgue Integral의 차이
  • Almost Everywhere Equality
  • Lebesgue Integrability
  • Dominated Convergence Theorem
∫lim⁡fk=lim⁡∫fk\boxed{ \int\lim f_k = \lim\int f_k }

under the domination condition.