\section{Satz von \person{Fubini} und Mehrfachintegrale} \setcounter{equation}{0} \begin{theorem}[\person{Fubini}] Sei $f:X\times Y\to\mathbb{R}$ integrierbar auf $X\times Y$. Dann \begin{enumerate}[label={\alph*)}] \item Für Nullmenge $N\subset Y$ ist $x\to f(x,y)$ integrierbar auf $X$ $\forall y\in Y\setminus N$ \item Jedes $F:Y\to\mathbb{R}$ mit $F(y) := \int_X f(x,y) \D x$ $\forall y\in Y\setminus N$ ist integrierbar auf $Y$ und \begin{align} \proplbl{fubini_fubini_eq} \int_{X\times Y} f(x,y) \D(x,y) &= \int_Y F(y) \D y = \int_Y \left( \int_X f(x,y) \D x \right) \D y\notag \end{align} \end{enumerate} \end{theorem} \begin{*definition}[iteriertes Integral, Mehrfachintegral] Rechte Seite heißt iteriertes Integral bzw. Mehrfachintegral. \end{*definition} \begin{proposition}[Satz von \person{Tonelli}] \proplbl{fubini_tonelli} Sei $f:X\times Y\to\mathbb{R}$ messbar. Dann \begin{align} \text{$f$ integrierbar} \;\;\Leftrightarrow\;\; \int_Y \left( \int_X \vert f(x,y)\vert \D x\right) \D y \quad\text{oder}\quad\int_X \left(\int_Y \vert f(x,y)\vert \D y \right) \D x\notag \end{align} existiert. \end{proposition} \begin{proof}\hspace*{0pt} \NoEndMark \begin{itemize} \item["`$\Rightarrow$"'] Mit $f$ auch $\vert f \vert$ integrierbar und die Behauptung folgt \item["`$\Leftarrow$"'] offenbar $f$ integrierbar auf $X\times Y$, $\{f_k\}$ wachsend, $f_k\to f$, mit Fubini: $\{\int_{X\times Y} f_k\diff (x,y)\}$ beschränkte Folge, mit majorisierter Konvergenz folgt $f$ integrierbar \end{itemize} \end{proof} \subsection{Integration durch Koordinatentransformation} \begin{*definition}[Diffeomorphismus, diffeomorph] Sei $f:U\subset K^n\to V\subset K^m$ bijektiv, wobei $U$, $V$ offen. $f$ heißt Diffeomorphismus, falls $f$ und $f^{-1}$ stetig diffbar auf $U$ bzw. $V$ sind. $U$ und $V$ heißen dann diffeomorph. \end{*definition} \begin{theorem}[Transformationssatz] Seien $U$, $V\subset\mathbb{R}^n$ offen, $\phi: U\to V$ Diffeomorphismus. Dann \begin{tabularx}{\linewidth}{X@{\ \ }c@{\ \ }X} \hfill$f:V\to\mathbb{R}$ integrierbar & $\Leftrightarrow$ & $f(\phi(\,\cdot\,))\vert \det \phi'(y) \vert: U\to\mathbb{R}$ integrierbar \end{tabularx} und es gilt \begin{align} \int_U f(\phi(y))\cdot\vert\phi'(y)\vert \D y = \int_V f(x) \D x\notag \end{align} \end{theorem} \begin{example} Sei $V=B_R(0) \subset\mathbb{R}^3$ Kugel mit Radius $R > 0$. Zeige: $\displaystyle \vert B_R(0) \vert = \int_V 1\D (x,y,z) = \frac{4}{3}\pi R^3$ Benutze Kugelkoordinaten (Polarkoordinaten in $\mathbb{R}^2$) mit \begin{align*} \begin{pmatrix} x \\ y \\ z \end{pmatrix} &= \phi(r, \alpha, \beta) := \begin{pmatrix} r \cos \alpha \cos \beta \\ r\sin \alpha \cos \beta \\ r \sin \beta \end{pmatrix} \end{align*} Für $(r,\alpha,\beta)\in U: (0,R)\times(-\pi,\pi)\times\left(-\frac{\pi}{2},\frac{\pi}{2}\right)$. Mit $H:= \{ (x,0,z)\in\mathbb{R}\mid x\le 0 \}$ und $\tilde{V} := V\setminus H$ gilt: $\vert H\vert_{\mathbb{R}^3} = 0$ $\phi: U\to\tilde{V}$ \gls{diffbar}, injektiv, und \begin{align*} \phi'(r,\alpha,\beta) &= \begin{pmatrix} \cos\alpha \cos \beta & -r\sin \alpha\cos\beta & -r\cos\alpha\sin\beta \\ \sin\alpha\cos\beta & r \cos\alpha\cos\beta & -r\sin\alpha\sin\beta \\ \sin\beta & 0 & r\cos\beta \end{pmatrix} \end{align*} $\Rightarrow$ Definiere $\phi'(r,\alpha,\beta) = r^2\cos\beta\neq 0$ auf $U$ \\ % @TODO: Label setzen $\xRightarrow{Satz 27.8}$ $\phi:U\to\tilde{V}$ ist Diffeomorphismus \begin{flalign*} \;\;&\begin{aligned}\Rightarrow\;\; \vert B_R(0)\vert &= \int_V 1 \D (x,y,z) = \int_{\tilde{V}} 1 \D (x,y,z) + \int_H 1 \D (x,y,z) \\ & \overset{\eqref{fubini_trafo_trafosatz_eq}}{=} \int_U \vert \det \phi'(r,\alpha,\beta)\vert \D r \D \alpha \D \beta + \vert H \vert \overset{\text{Fubini}}{=} \int_0^R \int_{-\pi}^\pi \int_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} r^2 \cos\beta \D \beta \D \alpha \D r \\ &= \int_0^R \int_{-\pi}^\pi [r^2\sin \beta]_{-\frac{\pi}{2}}^{\frac{\pi}{2}} \D \alpha \D r = \int_0^R \int_{-\pi}^\pi 2 r^2 \D \alpha \D r = \int_0^R 4 \pi r^2 \D r \\ & = \left.\frac{4}{3}\pi r^3\right|_0^R = \frac{4}{3}\pi R^3 \end{aligned}\end{flalign*} \end{example}