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Cálculo Integral MAT0321 - 2026/1

Material de apoio Integração em \(\R^n\)

Definição 16. Partições de intervalos e retângulos.

Uma partição de um intervalo \([a,b]\) é um subconjunto \(P\subset [a,b]\text{:}\) \(P=\big\{a=t_0<t_1<\ldots<t_n=b\big\}\text{.}\)
Se \(A\subset\R^n\) é um retângulo limitado, digamos \(A=[a_1,b_1]\times\cdots\times[a_n,b_n]\text{,}\) uma partição de \(A\) é uma coleção \(P=\big(P_1,\ldots,P_n\big)\text{,}\) onde cada \(P_i\) é uma partição de \([a_i,b_i]\text{.}\)
Uma partição \(P'\) é mais fina que \(P\), ou um refinamento de \(P\), se \(P\subset P'\text{.}\)

Nota 17.

\(P\) divide \(A\) em subretângulos disjuntos.

Definição 18. Somas superior e inferior.

Sejam \(f\colon A\subset\R^n\to\R\) uma função limitada no retângulo limitado \(A\subset\R^n\text{,}\) \(P\) uma partição de \(A\) e \(S\subset A\) um subretângulo desta partição. Definimos
\begin{equation*} m_s(f)=\inf\big\{f(x)\colon x\in S\big\}\quad\text{e}\quad M_S(f)=\sup\big\{f(x)\colon x\in S\big\} \end{equation*}
e indicamos por \(v(S)\) o volume do subretângulo \(S\text{.}\)
Com isso, a soma superior e a soma inferior de \(f\) com a relação a \(P\) são os números reais
\begin{equation*} U(f,P)=\sum_S M_S(f)v(S)\quad\text{e}\quad L(f,P)=\sum_P m_S(f)v(S). \end{equation*}

Nota 19.

\(L(f,P)\leq U(f,P)\) para qualquer partição nas condições acima.

Demonstração.

Demonstração.

Definição 22. Função integrável.

Uma função limitada \(f\colon A\subset\R^n\to\R\) definida no retângulo limitado \(A\subset\R^n\) é integrável se \(\sup\limits_P L(f,P)=\inf\limits_P U(f,P)\text{.}\)
Notação: \(\displaystyle\int_A f(x_1,\ldots,x_n)\, dx_1\ldots dx_n\) ou \(\displaystyle\int_A f(x)\, dx\) ou ainda \(\displaystyle\int_A f\text{.}\)

Demonstração.

Demonstração.

Parte feita em sala e parte é um exercício.

Definição 25. Medida nula e Conteúdo nulo.

Um conjunto \(A\subset\R^n\) tem medida nula se para todo \(\epsilon> 0\) existe uma cobertura enumerável por retângulos fechados (ou abertos), \(\big\{U_i\big\}_{i=1}^\infty\text{,}\) de \(A\) tal que \(\sum\limits_{i=1}^\infty v(U_i)<\epsilon\text{.}\)
Um conjunto \(A\subset\R^n\) tem conteúdo nulo se para todo \(\epsilon> 0\) existe uma cobertura finita por retângulos fechados (ou abertos), \(\big\{U_i\big\}_{i=1}^n\text{,}\) de \(A\) tal que \(\sum\limits_{i=1}^n v(U_i)<\epsilon\text{.}\)

Nota 26.

Se \(A\) tem conteúdo nulo, então \(A\) tem medida nula, mas não vale a recíproca.

Nota 27.

Se \(A\subset\R^n\) é compacto e tem medida nula, então também tem conteúdo nulo.

Demonstração.

Definição 29. Integral em Conjuntos Limitados.

Sejam \(B\subset\R^n\) um conjunto limitado e \(A\subset\R^n\) um retângulo tal que \(B\subset A\text{.}\) A função característica de \(B\) relativa a \(A\), \(\chi_B\colon A\to\R\) é dada por \(\chi_B=1\text{,}\) se \(x\in B\) e \(\chi_B=0\text{,}\) se \(x\not\in B\text{.}\)

Nota 30.

A função \(\chi_B\) é integrável se, e somente se, \(\partial B\) (fronteira de \(B\)) tem medida nula (e portanto conteúdo nulo). Nesse caso, dizemos que \(B\) é \(J-\)mensurável (Jordan mensurável).
Assim, definimos a integral de \(f\) em \(B\) por
\begin{equation*} \int_B f(x)\, dx = \int_A f(x)\chi_B(x)\, dx, \end{equation*}
desde que a integral do lado direito exista.

Nota 31.

Existem conjuntos abertos que não são \(J-\)mensuráveis. Exemplo: \((0,1)^2\setminus \big(C\times [0,1]\big)\text{,}\) onde \(C\) é o conjunto de Cantor "gordo".