diff --git a/3. Semester/GDIM/TeX_files/Integral_auf_Mannigfaltigkeiten.tex b/3. Semester/GDIM/TeX_files/Integral_auf_Mannigfaltigkeiten.tex index 0f8f1ea..c073cd4 100644 --- a/3. Semester/GDIM/TeX_files/Integral_auf_Mannigfaltigkeiten.tex +++ b/3. Semester/GDIM/TeX_files/Integral_auf_Mannigfaltigkeiten.tex @@ -67,4 +67,74 @@ Offenbar ist $\{\alpha_j \}$ eine Zerlegung der Eins von $W$, damit auch von $M$ und ist offenbar $\mathcal{U}$ untergeordnet. \end{enumerate} -\end{proof} \ No newline at end of file +\end{proof} + +\begin{*defintion} + Sei $M\subset\mathbb{R}^n$, $f\colon M\rightarrow\mathbb{R}^n$, $\supp f\subset U\subset M$, $U$ Kartengebiet von $M$. + + $f$ heißt \begriff{integrierbar auf $M$}, falls die Einschränkung $f|_U$ integrierbar auf Kartengebiet $U$ und \begin{align} + \int_M f\mathrm{d}a := \int_U f|_U\,\mathrm{d}a + \end{align} + heißt \begriff{Integral} von $f$ auf $M$. +\end{*defintion} + +\begin{lemma}[Kriterium für Integrierbarkeit + \proplbl{integral_mf_lemma_2} + Sei $M\subset\mathbb{R}^n$ eine Mannigfaltigkeit, $f\colon M\to\mathbb{R}$, $\supp f\subset U\subset M$, $U$ Kartengebiet von $M$ und sei $\{x_j\}$ eine Zerlegung der Eins auf $M$. Dann: \\\begin{tabularx}{\linewidth}{X@{$\;\;$}c@{$\;\;$}X} + \hfill $f$ integrierbar auf $M$ & $\Leftrightarrow$ & \begin{minipage}[t]{\linewidth} + \vspace*{-1\baselineskip} + \begin{enumerate}[label={\roman*)}] + \item $f_{x_j}$ integrierbar auf $M$ $\forall j\in\mathbb{N}$ + \item $\sum_{j=1}^nfty \int_m \vert f \vert \alpha_j\,\mathrm{d}a < \infty$ + \end{enumerate} + \end{minipage} + \end{tabularx} + \begin{flalign} + \proplbl{eq:integral_mf_2} + \;\;\Rightarrow\;\; & \sum_M f\mathrm{d}a = \sum_{j=1}^\infty \int_M \alpha_j \mathrm{d}a + \end{flalign} +\end{lemma} + +\begin{proof}\hspace{0pt} + \vspace{-0.8\baselineskip} + \begin{enumerate}[label={\alpha*)}] + \item Sei $f$ integrierbar auf $M$ $\xRightarrow{\propref{integration_mf__7}}$ i) und \begin{flalign} + \sum_{j=1}^\infty \int_M \vert f \vert \alpha_j\,\mathrm{d}a = \lim\limits_{k\to\infty} \sum_{j=1}^k \int \vert f \vert \alpha_j\,\mathrm{d}a \le \int_M \vert f \vert \,\mathrm{d}a < \infty \quad\Rightarrow\;\;\text{ii)} \quad\xRightarrow[\text{Konvergenz}]{\text{majorisierte}} \text{\eqrefeq:integral_mf_2} + \end{flalign} + \item gelten i) und ii) $\xRightarrow[\text{Konvergenz}]{\text{majorisierte}}$ $\vert f \vert$ integrierbar $\Rightarrow$ $f$ integrierbar + \end{enumerate} +\end{proof} + +\begin{*definition} + Sei $M\subset\mathbb{R}^n$ eine Mannigfaltigkeit und $\mathcal{U}$ eine offene Überdeckung bezüglich $M$ von $M$ mit Kartengebieten. + + $f\colon M\to\mathbb{R}$ heißt \begriff{integrierbar auf Mannigfaltigkeit $M$}, falls die Zerlegung der Eins $\{\alpha_j\}$ auf $M$ existiert, die $\mathcal{U}$ untergeordnet ist, sodass \begin{enumerate}[label={\roman*)}] + \item $f\alpha_j$ integrierbar $\forall j\in\mathbb{N}$ (auf $M$) + \item $\sum_{j=1}^\infty \int_M \vet f \vert\alpha_j\,\mathrm{d}a < \infty$ + \end{enumerate} + und damit definiere sich \begin{align} + \proplbl{eq:integral_mf_3} + \int_M f \mathrm{d} a = \sum_{j=1}^\infty \int_M f\alpha_j \,\mathrm{d}a, + \end{align} + und heißt \begriff{Integral von $f$ auf $M$}. +\end{*definition} + +\begin{proposition}[Rechtfertigung des Integralbegriffs] + $f$ ist integrierbar auf $M$ und $\int_M f \mathrm{d}a$ sind unabhängig von konkreter Überdeckung $\mathcal{U}$ und Zerlegung der Eins $\{\alpha_j\$. +\end{proposition} + +\begin{proof} + Sei $\colon M\to\mathbb{R}$ integrierbar auf $M$ mit $\{\alpha_j\}$, $\mathcal{U}$ gemäß Definition. Sei $\{\tilde{\alpha}_j\}$ eine weitere Zerlegung der Eins, die einer Überdeckung $\tilde{\mathcal{U}}$ durch Kartengebiete untergeordnet ist. Dann sind zu zeigen: \begin{enumerate}[label={\roman*')}] + \item $f\tilde{\alpha}_j$ ist integrierbar auf $M$ $\forall j$ und + \item $\sum_{j=1}^\infty \int_M \vert f \vert \alpha_j\,\mathrm{d}a < \infty$ und + \item $\sum_{j=1}^\infty \int_M f\alpha_j\,\mathrm{d}a = \sum_{j=1}^\infty \int_m f \tilde{\alhpha}_j\,\mathrm{d}a$ + \end{enumerate} + \begin{enumerate}[label={zu \roman*')},leftmargin=5em] + $f\alpha_j$ sind integrierbar auf $M$ nach Voraussetzung \\ + \hspace{0.5em}$\xRightarrow{\propref{integration_mf_7}}$ $f\tilde{\alpha}_k \alpha_j$ ist integrierbar auf $M$ $\forall k,j\in\mathbb{N}$ und \begin{align*} + \sum\int_M \vert f \tilde{\alpha}_k\vert \alpha_j\,\mathrm{d}a \le \sum_{j=1}^\infty \vert f \vert\alpha_j \,\mathrm{d}a < \infty + \end{align*} + \hspace{0.5em}$\xRightarrow{\propref{integral_mf_lemma_2}}$ $f\tilde{\alpha}_k$ und $\vert f \tilde{\alpha}_k$ integrierbar auf $M$ $\forall $k$ $\Rightarrow$ i') und \begin{equation}\begin{split} + \tag{\star} + \int_m f \tilde{\alpha_k}\,\mathrm{d}a &= \int_{j=1\^\infty \int_M f\tilde{\alpha}_j\,\mathrm{d}a\qquad\text{bzw.}\\ + \int_M \vert f \vert \tilde{\alpha}_k \,\mathrm{d}a&= \int_{j=1}^\infty \int \vert f \vert \tilde{\alpha}_k \alpha_j \,\mathrm{d}a