중적분

미적분학에서 중적분(重積分, )은 정적분을 다변수 함수에까지 확장한 것이다. 이변수 함수의 경우를 이중 적분(二重積分, )이라고 하며, 양의 함숫값의 함수의 이중 적분은 함수의 그래프 곡면과 formula_1 평면 사이의 부피라고 이해할 수 있다. 삼변수 함수의 경우를 삼중 적분(三重積分, )이라고 하며, 양의 함숫값의 함수의 삼중 적분 역시 (4차원 공간 속의) 초곡면과 좌표 초평면 사이의 초부피라고 생각할 수 있다. 계산을 위해 2차원에선 극좌표, 3차원에서는 구면좌표계와 원통좌표계를 쓴다.
중적분은 정적분을 여러 번 반복하여 계산할 수 있으며, 이를 푸비니 정리라고 한다. 복잡한 중적분의 계산에는 변수 변환을 통해 적분 집합이나 함수를 단순화하는 기법이 필요하며, 이를 치환 적분이라고 한다.
일변수 함수의 리만 적분 · 리만-스틸티어스 적분 · 르베그 적분 · 르베그-스틸티어스 적분에 대하여 각각 그에 대응하는 중적분이 존재한다. 임의의 측도(또는 유한 가법 측도)에 의한 적분이 주어졌을 때, 이에 대응하는 중적분은 곱측도에 의한 적분이다.
정의.
리만 중적분.
조르당 측도.
리만 중적분()의 정의는 조르당 측도()에 기반한다.
유계 집합 formula_2의 조르당 내측도() formula_3는 이에 포함되는 유한 개의 초직육면체를 통한 근사적 초부피이며, 다음과 같다.
비슷하게, formula_5의 조르당 외측도() formula_6는 이를 덮는 유한 개의 초직육면체를 통한 근사적 초부피이며, 다음과 같다.
유계 집합 formula_2에 대하여, 다음 두 조건이 서로 동치이며, 이를 만족시키는 formula_5를 조르당 가측 집합()이라고 한다.
조르당 측도는 유한 가법 측도이지만, 이름과 달리 측도가 아니다. 리만 중적분은 조르당 가측 집합 위에서만 정의된다.
(유계) 조르당 가측 집합 formula_2의 분할()은 다음 세 조건을 만족시키는 유한 집합족 formula_15이다.
또한, 분할 formula_15의 메시() formula_22는 다음과 같다.
리만 중적분.
함수 formula_24 (formula_2은 조르당 가측 집합)의, 분할 formula_15에 대한 리만 합()은 다음과 같다.
또한, 다르부 상합()은 다음과 같다.
또한, 다르부 하합()은 다음과 같다.
함수 formula_24 (formula_2은 조르당 가측 집합)에 대하여, 만약 다음과 같은 극한이 존재하며, 분할 formula_32 및 각 집합의 점 formula_33의 열의 선택과 무관하다면, formula_34를 formula_5 위의 리만 적분 가능 함수()라고 하며, 이 극한을 formula_34의 리만 formula_37중적분()이라고 한다.
또한, 다르부 상적분()은 다음과 같으며, 이는 항상 존재한다.
마찬가지로, 다르부 하적분()은 다음과 같으며, 이는 항상 존재한다.
특히, 리만 이중 적분을
와 같이 표기하며, 리만 삼중 적분을
와 같이 표기한다.
이상 리만 중적분.
유계 집합과 (정의역이 조르당 영집합이 아니라면) 유계 함수에 한정된 리만 중적분을 무계 집합과 무계 함수를 허용하는 이상 리만 중적분()으로 확장할 수 있다. 일변수 함수에서와 달리, 이상 리만 중적분이 수렴할 필요충분조건은 절대 수렴한다는 것이다.
함수 formula_24 및 그 정의역 formula_2이 다음 조건들을 만족시킨다고 하자.
이러한 formula_34 및 formula_5에 대하여, 다음과 같은 극한이 존재하며, 조르당 가측 닫힌집합 formula_52의 열의 선택과 무관하다면, 이를 formula_34의 formula_5 위의 이상 리만 중적분이라고 한다.
비슷하게, formula_2 및 formula_62 및 formula_63가 다음 조건들을 만족시킨다고 하자.
이러한 formula_34 및 formula_5에 대하여, 다음과 같은 극한이 존재하며, 조르당 가측 닫힌집합 formula_70의 열의 선택과 무관하다면, 이를 formula_34의 formula_5 위의 이상 리만 중적분이라고 한다.
르베그 중적분.
르베그 중적분()은 유클리드 공간의 르베그 측도에 기반하여 정의된다.
성질.
리만 적분 가능 함수는 유계 함수일 필요가 없다. 예를 들어, 정의역이 조르당 영집합인 함수는 항상 리만 적분 가능 함수이다. 그러나, 양의 조르당 측도의 집합들로 임의로 세밀하게 분할될 수 있는 정의역 위의 리만 적분 가능 함수는 항상 유계 함수이다. 특히, 조르당 가측 열린집합 또는 그 폐포 위의 리만 적분 가능 함수는 항상 유계 함수이다.
리만 중적분은 일변수 함수의 리만 적분과 같은 성질들을 갖췄다. 예를 들어, 리만 중적분은 선형성 · 적분 집합에 대한 가법성 · 비엄격 부등식의 보존 · 곱의 적분 가능성 보존 등을 만족시킨다.
누차 적분과의 관계.
함수를 먼저 일부 변수에 대하여 적분한 뒤, 다시 남은 변수에 대하여 적분하는 것을 누차 적분(累次積分, ) 또는 반복 적분(反復積分)이라고 한다. 중적분은 일정 조건 아래 누차 적분을 통해 구할 수 있다.
함수 formula_24 (formula_2는 조르당 가측 집합)가 다음 두 조건을 만족시킨다고 하자.
그렇다면, 다음이 성립한다.
일부 특수한 정의역의 경우는 다음과 같다. (여기서 formula_86, formula_87)
그러나, 둘째 전제가 없다면 결론이 성립하지 않을 수 있다. 예를 들어, 다음과 같은 함수를 정의하자.
그렇다면,
이지만, formula_101 (formula_102)가 리만 적분 가능 함수가 아니므로
는 존재하지 않는다.
치환 적분.
함수 formula_104 (formula_2는 조르당 가측 닫힌집합) 및 formula_106가 다음 조건들을 만족시킨다고 하자.
그렇다면, 다음이 성립한다.
여기서 formula_114는 formula_107의 야코비 행렬식인데, 어떤 점에서의 야코비 행렬식의 값은 대략 변환이 그 점 주위의 초부피를 확대시키는 배수를 나타낸다.
예를 들어, 극좌표 변환
에 의한 치환 적분 공식은 다음과 같다.
또한, 원통 좌표 변환
에 의한 치환 적분 공식은 다음과 같다.
또한, 구면 좌표 변환
에 의한 치환 적분 공식은 다음과 같다.
기하학적 성질.
음이 아닌 값의 함수 formula_24 (formula_2는 조르당 가측 집합)의 리만 중적분은 밑면이 정의역, 윗면이 함수의 그래프인 도형의 조르당 측도와 같다.
특히, 상수 함수 1의 리만 중적분은 정의역의 조르당 측도와 같다.
이상 중적분의 성질.
이상 중적분 역시 중적분과 비슷한 성질들을 만족시킨다.
예를 들어, 함수 formula_134가 다음 조건을 만족시킨다고 하자.
그렇다면, 다음이 성립한다.
또한, 무계 닫힌집합 formula_2 및 단사 formula_108 함수 formula_104 및 함수 formula_106에 대하여, 만약 두 이상 적분
가운데 하나가 존재한다면, 남은 하나도 존재하며, 이 둘은 서로 같다.
이상 리만 중적분
이 수렴할 필요충분조건은
이다. 즉, 일변수 함수의 경우와 달리, 이상 리만 중적분이 수렴할 필요충분조건은 절대 수렴이다.
예.
직육면체의 부피.
직육면체 formula_149의 부피를 중적분을 통해 다음과 같이 구할 수 있다.
삼각뿔의 부피.
삼각뿔 formula_151의 부피를 중적분을 통해 다음과 같이 구할 수 있다.
이차 곡면으로 둘러싸인 도형의 부피.
타원 포물면과 원기둥으로 둘러싸인 도형 formula_153의 부피를 중적분을 통해 다음과 같이 구할 수 있다.
구와 원뿔로 둘러싸인 도형 formula_155의 부피를 중적분을 통해 다음과 같이 구할 수 있다.
치환 적분의 예.
극좌표 변환 · 원통 좌표 변환 · 구면 좌표 변환 외의 변환을 사용하여 구할 수 있는 중적분의 한 가지 예는 다음과 같다.
여기에서 다음과 같은 변환을 사용하자.
이 변환의 야코비 행렬식은 다음과 같다.
따라서 상술 이중 적분을 다음과 같이 구할 수 있다.
이상 중적분의 예.
가우스 함수의 적분
은 이상 중적분
을 통해 구할 수 있는데, 이는
이기 때문이다. 이 이상 중적분의 값은
이므로, 가우스 함수의 적분 값은
이다.