Lebesgue-Integral
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Das Lebesgue-Integral (nach Henri Léon Lebesgue) ist der Integralbegriff der modernen Mathematik, der die Integration von Funktionen ermöglicht, die auf beliebigen Maßräumen definiert sind. Im Fall der reellen Zahlen mit dem Lebesgue-Maß stellt das Lebesgue-Integral eine echte Verallgemeinerung des Riemann-Integrals dar.
Anschaulich gesprochen bedeutet dies: Zur Annäherung des Riemann-Integrals (Abb. 1 blau) wird die Abszissenachse in Intervalle unterteilt (Partitionen) und Rechtecke gemäß dem Funktionswert an einer Stützstelle innerhalb der betreffenden Intervalle konstruiert und diese Flächen addiert. Dagegen wird zur Annäherung des Lebesgue-Integrals (Abb. 1 rot) die Ordinatenachse in Intervalle unterteilt und die Flächen zur Approximation ergeben sich aus einer Stützstelle des jeweiligen Ordinatenintervalls multipliziert mit der Gesamtlänge der Vereinigung der Urbilder des Ordinatenintervalls (gleiche Rottöne). Die Summe der so gebildeten Flächen ergibt eine Approximation des Lebesgue-Integrals. Die Gesamtlänge der Urbild-Menge wird auch als ihr Maß bezeichnet. Man vergleiche dazu auch das Zitat von Henri Lebesgue im untersten Abschnitt dieses Artikels.
So wie ein Riemann-Integral durch die Konvergenz des Flächeninhaltes einer Folge von Treppenfunktionen definiert ist, so ist das Lebesgue-Integral durch die Konvergenz einer Folge von sog. einfachen Funktionen definiert.
Geschichtliches zum Lebesgue-Integral
Die Begründung der Differential- und Integralrechnung beginnt bereits im 17. Jahrhundert mit Isaac Newton und Gottfried Wilhelm Leibniz (1687 erscheint Newtons „Philosophiae Naturalis Principia Mathematica“). Sie stellt einen Meilenstein in der Wissenschaftsgeschichte dar, besaß man doch nun zum ersten Mal ein mathematisches Konzept zur Beschreibung kontinuierlicher, dynamischer Prozesse in der Natur und – dadurch motiviert – zur Berechnung krummlinig berandeter Flächen. Es sollten aber noch viele Jahrzehnte vergehen, bis die Integralrechnung gegen Mitte des 19. Jahrhunderts durch Augustin Louis Cauchy und Bernhard Riemann auf ein solides theoretisches Fundament gestellt wurde.
Die Verallgemeinerung des so genannten Riemann-Integrals auf
höherdimensionale Räume, zum Beispiel zur Berechnung der Volumina beliebiger
Körper im Raum, erwies sich jedoch als schwierig. Die Entwicklung eines
moderneren und leistungsfähigeren Integralbegriffes ist untrennbar mit der
Entwicklung der Maßtheorie
verknüpft. Tatsächlich begannen die Mathematiker erst reichlich spät
systematisch zu untersuchen, wie sich beliebigen Teilmengen
des
in sinnvoller Weise ein Volumen zuordnen lässt. Unverzichtbare Voraussetzung für
diese Arbeiten war die strenge axiomatische Begründung der reellen
Zahlen durch Richard
Dedekind und Georg
Cantor und die Begründung der Mengenlehre
durch Cantor, Ende des 19. Jahrhunderts.
Erste Antworten auf die Frage nach dem Volumen beliebiger Teilmengen des
gaben zum Beispiel Giuseppe
Peano und Marie
Ennemond Camille Jordan. Eine befriedigende Lösung dieses Problems gelang
aber erst Émile
Borel und Henri
Lebesgue durch die Konstruktion des Lebesgue-Maßes. 1902 formulierte
Lebesgue in seiner Pariser Thèse zum ersten Mal das moderne Maßproblem
und wies explizit darauf hin, es nicht in voller Allgemeinheit lösen zu können,
sondern nur für eine ganz bestimmte Klasse von Mengen, die er messbare
Mengen nannte. Tatsächlich sollte sich herausstellen, dass das Maßproblem
nicht allgemein lösbar ist, d. h. tatsächlich Mengen existieren, denen man kein
sinnvolles Maß zuordnen kann (sieheSatz von
Vitali, Banach-Tarski-Paradoxon).
Durch die Konstruktion des Lebesgue-Maßes stand nun der Weg für einen neuen,
verallgemeinerbaren Integralbegriff offen. Die erste Definition des
Lebesgue-Integrals gab denn auch Henri Lebesgue in seiner Thèse gleich
selbst. Weitere bedeutende Definitionen des Lebesgue-Integrals stammten wenig
später von William
Henry Young (1905) und Frigyes
Riesz (1910). Die nachfolgend vorgestellte Definition, die mittlerweile in
der Fachliteratur am üblichsten ist, folgt der Konstruktion Youngs.
Heutzutage ist das Lebesgue-Integral der Integralbegriff der modernen Mathematik. Seine Verallgemeinerbarkeit und seine – aus mathematischer Sicht – schönen Eigenschaften machen ihn auch zu einem unverzichtbaren Werkzeug in der Funktionalanalysis, der Physik und der Wahrscheinlichkeitstheorie.
Zur Konstruktion des Lebesgue-Integrals
Maßraum und messbare Mengen
Das Lebesgue-Integral wird für Funktionen auf einem beliebigen Maßraum definiert.
Vereinfacht gesagt ist ein Maßraum eine Menge
mit einer zusätzlichen Struktur, die es erlaubt, bestimmten Teilmengen ein Maß
zuzuordnen, z.B. ihre geometrische Länge (bzw. ihr Volumen). Das Maß, das
dieses leistet, heißt Lebesgue-Maß.
Eine Teilmenge
von
,
der man ein Maß zuordnen kann, heißt messbar. Ist
eine messbare Menge, so bezeichnet man mit
das Maß von
.
Das Maß einer messbaren Menge ist eine nichtnegative reelle Zahl oder
.
Für das Lebesgue-Maß einer Teilmenge
des
schreibt man stattdessen üblicherweise
.
Integration einfacher Funktionen
So wie das Riemann-Integral
mittels Approximation durch Treppenfunktionen
konstruiert wird, konstruiert man das Lebesgue-Integral mit Hilfe sogenannter
einfacher Funktionen.
Diese Vorgehensweise wird manchmal auch als „algebraische Induktion“ bezeichnet
und findet in vielen Beweisen für messbare Funktionen Verwendung. Eine einfache
Funktion, auch Elementarfunktion genannt, ist eine nicht-negative messbare Funktion,
die nur endlich viele Funktionswerte
annimmt. Somit lässt sich jede einfache Funktion
schreiben als
.
Dabei ist
eine positive
reelle
Zahl,
die (messbare) Menge, auf der die Funktion den Wert
annimmt, und
die charakteristische
Funktion zu
.
Nun lässt sich auf sehr natürliche Weise das Integral einer einfachen Funktion definieren:
Das Integral von
über
ist also einfach die Summe der Produkte aus Funktionswert von
und Maß der Menge, auf der die Funktion den jeweiligen Wert annimmt.
Integration nicht-negativer Funktionen
Nun definiert man zunächst das Integral für nicht-negative Funktionen, d.h. für Funktionen, die keine negativen Werte annehmen. Voraussetzung für die Integrierbarkeit einer Funktion ist ihre Messbarkeit.
Eine nicht-negative Funktion ,
Borelsche
σ-Algebra, ist genau dann messbar, wenn es eine Folge
von einfachen Funktionen gibt, die punktweise
und monoton wachsend gegen
konvergiert.
Man definiert nun das Integral einer nicht-negativen, messbaren Funktion
durch
,
wobei die
einfach sind und punktweise und monoton wachsend gegen
konvergieren. Der Limes ist von der speziellen Wahl der Folge
unabhängig. Das Integral kann auch den Wert
annehmen.
Häufig findet man in der Literatur auch folgende äquivalente Definition:
Man definiert also das Integral einer nicht-negativen messbaren Funktion, indem man die Funktion „von unten“ beliebig genau durch einfache Funktionen approximiert.
Integration beliebiger messbarer Funktionen und Integrierbarkeit
Um das Integral einer beliebigen messbaren Funktion zu definieren, zerlegt man diese in ihren positiven und negativen Anteil, integriert diese beiden einzeln und zieht die Integrale voneinander ab. Das ergibt aber nur dann einen Sinn, wenn die Werte dieser beiden Integrale endlich sind (zumindest der Wert eines der beiden Integrale).
Der Positivteil
einer Funktion
ist (punktweise) definiert als
.
Der Negativteil
wird entsprechend (punktweise) durch
definiert.
Es gilt dann (punktweise) ,
,
und
.
Eine Funktion heißt µ-quasiintegrierbar oder quasiintegrierbar bezüglich des Maßes µ, wenn mindestens eines der beiden Integrale
und
endlich ist.
In diesem Falle heißt
.
das -Integral
von
über
.
Für alle messbaren Teilmengen
ist dann
das -Integral
von
über
.
Eine Funktion heißt µ-integrierbar oder integrierbar bezüglich des Maßes µ, wenn beide Integrale
und
endlich sind. Äquivalent dazu ist die Bedingung
.
Offensichtlich ist jede integrierbare Funktion quasiintegrierbar.
Schreibweisen
Für das Lebesgue-Integral werden zahlreiche Schreibweisen verwendet: Im
Folgenden sei
eine messbare Menge. Will man bei der Integration die Integrationsvariable
angeben, so schreibt man
oder
oder auch
.
Ist
das Lebesgue-Maß, so schreibt man statt
einfach
,
im eindimensionalen Fall
schreibt man auch
für das Integral über das Intervall
oder
.
Wenn das Maß
eine Radon-Nikodým-Dichte
bezüglich des Lebesgue-Maßes besitzt, gilt
.
In Anwendungsgebieten wird die Schreibweise
häufig auch dann verwendet, wenn
formal keine Dichte besitzt. Dies ist jedoch nur dann sinnvoll, wenn man
nicht als Funktion, sondern als Distribution
auffasst.
Ist das Maß
im Fall
durch eine Verteilungsfunktion
definiert, so schreibt man auch
oder
(Lebesgue-Stieltjes-Integral).
Ist
ein Wahrscheinlichkeitsmaß,
so schreibt man auch
für
(Erwartungswert).
In der theoretischen
Physik wird die Schreibweise
verwendet, in der Funktionalanalysis
manchmal die Schreibweise
.
Nullmengen und fast überall bestehende Eigenschaften
Eine Menge ,
die das Maß 0 besitzt, heißt Nullmenge,
im Falle des Lebesgue-Maßes auch speziell Lebesgue-Nullmenge. Ist also
mit
und
eine integrierbare Funktion, so gilt:
da das Integral über die Nullmenge
den Wert 0 annimmt. (
bezeichnet die Menge
ohne die Menge
)
Folglich ändert sich der Wert des Integrals nicht, wenn man die Funktion
auf einer Nullmenge ändert. Besitzt eine Funktion eine Eigenschaft (Stetigkeit,
punktweise Konvergenz etc.) auf dem gesamten Definitionsbereich mit Ausnahme
einer Menge vom Maß 0, so sagt man, diese Eigenschaft bestehe fast überall. In
der Lebesgue’schen Integrationstheorie ist es folglich oft sinnvoll, zwei
Funktionen, die fast überall übereinstimmen, auch als gleich anzusehen –
man fasst sie zu einer Äquivalenzklasse
zusammen (siehe hierzu auch Lp).
Es ist sogar oft so, dass man Funktionen, die nur fast überall definiert sind (z.B. der punktweise Limes einer Funktionenfolge, die nur fast überall konvergiert), als Funktionen auf dem ganzen Raum auffasst und ohne Bedenken
schreibt, auch wenn
gar nicht auf ganz
definiert ist. Dieses Vorgehen ist dadurch gerechtfertigt, dass jede Fortsetzung
von
sich nur auf einer Nullmenge
von
unterscheidet und somit das Integral der Fortsetzung über ganz
den gleichen Wert hat wie das Integral über
.
Man muss beachten, dass eine Nullmenge nur im Sinne des Maßes
vernachlässigbar „klein“ ist. Sie kann aber auch durchaus unendlich viele
Elemente enthalten. So ist zum Beispiel die Menge ,
also die Menge der rationalen
Zahlen als Teilmenge der reellen
Zahlen eine Lebesgue-Nullmenge. Die Dirichlet-Funktion
ist also im oben genannten Sinne gleich der Funktion, die konstant den Wert
Null annimmt (Nullfunktion),
obwohl es keine noch so kleine Umgebung gibt, in der ihre Werte übereinstimmen.
Eine bekannte überabzählbare (zu
gleichmächtige) Lebesgue-Nullmenge ist die Cantor-Menge.
Wichtige Eigenschaften des Lebesgue-Integrals
Das Integral ist linear in
(Raum der
integrierbaren Funktionen), d. h. für integrierbare Funktionen
und
und beliebige
ist auch
integrierbar und es gilt:
Das Integral ist monoton, d. h. sind
und
zwei messbare Funktionen mit
,
so gilt
.
Das Integral kann getrennt werden
Ist
messbar mit
,
so gilt
Konvergenzsätze
Einer der wichtigsten Vorzüge des Lebesgue-Integrals sind die aus
mathematischer Sicht sehr schönen Konvergenzsätze. Dies betrifft die
Vertauschbarkeit von Grenzwert und Integral bei Funktionenfolgen der Form
.
Die wichtigsten Konvergenzsätze sind:
- Satz von der monotonen Konvergenz (Beppo Levi, 1906)
- Ist
eine monoton wachsende Folge von nichtnegativen, messbaren Funktionen, so gilt:
.
- Satz von der majorisierten (dominierten) Konvergenz (Henri Léon Lebesgue, 1910)
- Konvergiert die Folge der messbaren Funktionen
-fast überall gegen die messbare Funktion
und sind die Funktionen
,
, betragsmäßig
-fast überall durch eine integrierbare Funktion
beschränkt, dann gilt:
-
ist integrierbar,
und
- Lemma von Fatou (Pierre Fatou, 1906)
- Sind
,
, nichtnegative messbare Funktionen, dann gilt:
Riemann- und Lebesgue-Integral
Im Fall
mit dem Lebesgue-Maß gilt: Ist eine Funktion auf einem kompakten Intervall Riemann-integrierbar,
so ist sie auch Lebesgue-integrierbar und die Werte beider Integrale stimmen
überein. Hingegen ist nicht jede Lebesgue-integrierbare Funktion auch
Riemann-integrierbar.
Allerdings muss eine uneigentlich
Riemann-integrierbare Funktion nicht als Ganzes Lebesgue-integrierbar
sein; der entsprechende Grenzwert von Lebesgue-Integralen existiert jedoch nach
den obigen Bemerkungen und liefert denselben Wert wie für die Riemann-Integrale.
Ist aber
uneigentlich Riemann-integrierbar, dann ist
sogar als Ganzes Lebesgue-integrierbar.
Man kann leicht ein Beispiel einer uneigentlich Riemann-integrierbaren
Funktion angeben, die nicht Lebesgue-integrierbar ist: Ist nämlich f eine
Treppenfunktion mit den Flächen 1, -1/2, 1/3 usw., dann ist
f uneigentlich Riemann-integrierbar. Denn das Integral entspricht gerade
der alternierenden
harmonischen Reihe. Wäre f Lebesgue-integrierbar, so würde
gelten. Dies ist jedoch nicht der Fall, da die harmonische Reihe
divergent ist. Folglich existiert das entsprechende Lebesgue-Integral
nicht. Die Situation ist in Abbildung 2 wiedergegeben.
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Wichtiger ist der umgekehrte Fall einer Lebesgue-integrierbaren Funktion, die nicht Riemann-integrierbar ist.
Das bekannteste Beispiel dafür ist die Dirichlet-Funktion:
f ist nicht Riemann-integrierbar, da alle Untersummen stets 0 und alle
Obersummen stets 1 sind. Da aber
die Menge der rationalen Zahlen, in der Menge der reellen Zahlen eine
Lebesgue-Nullmenge ist, ist die Funktion fast überall 0. Also existiert
das Lebesgue-Integral und besitzt den Wert 0.
Der wesentliche Unterschied im Vorgehen bei der Integration nach Riemann bzw. Lebesgue besteht darin, dass beim Riemann-Integral der Definitionsbereich (Abszisse), beim Lebesgue-Integral jedoch die Bildmenge (Ordinate) der Funktion unterteilt wird. An obigen Beispielen lässt sich bereits erkennen, dass sich dieser Unterschied durchaus als entscheidend herausstellen kann.
- Henri Lebesgue über den Vergleich zwischen Riemann- und Lebesgue-Integral
„Man kann sagen, dass man sich bei dem Vorgehen von Riemann verhält wie ein Kaufmann ohne System, der Geldstücke und Banknoten zählt in der Reihenfolge, wie er sie in die Hand bekommt; während wir vorgehen wie ein umsichtiger Kaufmann, der sagt:
- Ich habe
Münzen zu einer Krone, macht
,
- ich habe
Münzen zu zwei Kronen, macht
,
- ich habe
Münzen zu fünf Kronen, macht
,
usw., ich habe also insgesamt
.
Die beiden Verfahren führen sicher den Kaufmann zum gleichen Resultat, weil er – wie reich er auch sei – nur eine endliche Zahl von Banknoten zu zählen hat; aber für uns, die wir unendlich viele Indivisiblen zu addieren haben, ist der Unterschied zwischen beiden Vorgehensweisen wesentlich.“
Bochner-Integral
Eine direkte Verallgemeinerung des Lebesgue-Integrals für Banachraum-wertige Funktionen stellt das Bochner-Integral dar. Es erbt fast alle Eigenschaften des Lebesgue-Integrals, wie zum Beispiel den Satz von der majorisierten Konvergenz.
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Datum der letzten Änderung: Jena, den: 14.11. 2020