绪论

定理:不存在函数满足以下四个条件:

(1)测度函数,即的定义域是的幂集;

指的幂集,即所有子集构成的集合,有的书上也写作;,是不包含的.

也可以写作,即的闭包的正部。

(2),即区间的测度是长度;

(3),,有,即平移不变性,又可写作;

(4),(其中,即两两不相交),有,即可数可加性(可列可加)。

要证明该定理,首先需要知道:

如果以上四个条件都满足,那么:

定义:集合上的等价关系是上的等价关系,通常用表示,等价关系满足:

下面开始证明:

在上定义等价关系:对所有,如果,记,容易证明是一个等价关系;定义等价类,易证是可数集;

记模等价关系所得集合为;可知不可数,否则是可数个可数集的并集,所以可数,与不可数矛盾;

利用选择公理,中每个元素我们可以在中选取一个代表元,构成集合,此时我们有以下结论:

(1)对任何,如果,则.

如果,则存在,使得,所以,根据的构造可知,我们有,且.

(2)如果,则,于是.

根据测度单调性,,再根据前面的结论1、可数可加性、平移不变性,有,所以,等价于.

(3).

任取,存在,使得,且,得证。

综上,所以与矛盾。

集合类

定义:如果满足以下三个条件,则称为半代数(semi-algebra):

(1),即中要包含全集;

(2),即对交集运算封闭;

(3),即补运算等于有限个集合的不交并。

(不交并:不相交集合的并)

比如:,,验证:比如.

定义:如果满足以下三个条件,则称为代数(algebra):

(1),即中要包含全集;

(2),即对交集运算封闭;

(3),即对补运算封闭。

根据德摩根法则,设,则,因此也对并集运算封闭。

显然,若是代数,则也是半代数。

定义:如果满足以下三个条件,则称为-代数(-algebra):

(1),即中要包含全集;

(2),即对可数次交集运算封闭;

(3),即对补运算封闭。

根据德摩根法则,,则,因此也对可数次并集运算封闭。

显然,若是-代数,则也是代数,因此也是半代数。

引理:任意个代数的交集仍是代数。用数学语言来描述就是,固定全集,设,是代数,则是代数。

证明:

令,要验证是代数,就分别验证代数的三个条件:

1、(),所以;

2、,故(),则,所以;

3、,故(),则,所以.

定义:设,如果满足以下三个条件,则称是集合类生成的代数,或者说是包含集合类的最小代数:

(1)是代数;

(2);

(3)如果代数,则.

显然,最小代数是包含的所有代数的交集,即.

关于第三条的证明:

是包含的代数。所以不是空集,且是代数。如果代数,那么存在指标,使得,因此.

引理:任意个-代数的交集是-代数。用数学语言来描述就是,固定全集,设,是-代数,则是-代数。

定义:设,如果满足以下三个条件,则称是集合类生成的-代数,或者说是包含集合类的最小-代数:

(1)是-代数;

(2);

(3)如果-代数,则.

显然,最小-代数是包含的所有-代数的交集,即.

定理:固定全集,是半代数,是生成的代数,则,当且仅当,存在互不相交的集合(),使得.

证明:

充分性:如果是中互不相交的集合,记,那么,根据代数对并运算封闭,.

必要性:定义集合类,根据充分性,;如果是一个代数,则(因为是代数就一定是半代数),所以,即,得证。

下面证明是一个代数:

1、显然成立;

2、验证对任何,则:记,,其中,根据的半代数性质,则.

3、验证对任何,则:记,其中,根据的半代数性质,,其中,.

集函数

定义:固定全集,设,,如果满足以下条件,则称函数是有限可加(finitely additive)的:

(1);

(2)有限可加性:如果是中互不相交的集合,且,则.

对有限可加函数,如果是代数,则条件自动满足。

如果,,记,由条件2,,可得条件1,.

设,,有集合等式和等式:

以上两种情形,我们有函数的单调性,.

比如:

离散测度:,实数集,,定义有限可加测度(实际上是可数可加的),其中是特征函数,对中互不相交的集合,令,那么.

定义:固定全集,设,,如果满足以下条件,则称函数是可数可加(-additive)的:

(1);

(2)可数可加性:如果是中互不相交的集合,且,则.

对有限可加函数,如果是-代数,条件自动满足。

可数可加函数是有限可加的,因为.

比如:

,,,,

是有限可加的:因为,其中,,,则:

但不是可数可加的:因为,但是.

定义:给定,,函数:

比如:,,,,.

定理:给定代数,函数是有限可加的,则:

第一条的证明:

先证明下连续:如果是可数可加的,则对任何,在处下连续。给定中单调上升到的集合列,即,,我们要证明:定义,对,定义,我们有:①.是两两不相交的;②.对,,则;③.;根据可数可加性,

再证明上连续:如果是可数可加的,则对任何,在处上连续。给定中单调下降到的集合列,即,,且存在,使得,我们要证明:对任何,定义,由于是下降的,则是上升的,根据德摩根等式,,(因为此时全集是)。

所以再根据函数的下连续性,

命题得证,

第二条的证明:

对任何,在处下连续,假设是中互不相交的集合,且,我们要证明:对任何,定义,则单调上升到,根据函数的下连续性,.

对,,根据函数的单调性,,再令,有不等式.

第三条的证明:

在处上连续,且,假设是中互不相交的集合,且,我们要证明:对任何,定义,则单调下降到,根据函数在处上连续,,所以得证。

比如:

,,,是半代数,可以生成代数,,自然扩张到上,,,定义,则:

1、是有限可加的;

证明:如果,其中,,:

2、不是可数可加的;

证明:,.

3、在处连续。

证明:单调下降到,,其中:

扩张

定理:给定半代数,和有限可加函数,则存在唯一有限可加函数是函数的扩张,即满足:

(1)是有限可加的;

(2)扩张性质:,;

(3)唯一性:如果两个有限可加函数,满足,,则,.

证明:给定,根据半代数生成代数的性质,,,定义(因为根据有限可加和扩张性质,),我们要证明:

1、是良定义的,自然满足扩张性质;

证明:假定,和,,我们要验证:

①. 由于,根据有限可加性,,和;

②. 同理,,所以,即良定义性得证。

是良定义的,扩张性质自然满足,按照定义,,按照定义,.

2、是有限可加的;

证明:任取不相交集合,验证:假定,,以及,,,所以,根据的定义,.

3、唯一性。

证明:对任何,,。所以.

定理:给定半代数,和可数可加函数,则存在唯一可数可加函数是函数的扩张,即满足:

(1)是可数可加的;

(2)扩张性质:,;

(3)唯一性:如果两个有限可加测函数,满足,,则,.

证明:给定,根据半代数生成代数的性质,,,定义,我们要证明:

1、是良定义的,自然满足扩张性质;

2、是可数可加的;

3、唯一性。

1和3都在有限可加的情况下证明了,下面证明2:

假定是可数可加的,我们仅需证明扩张的函数是可数可加的,即如果,,则,思路是求和交换次序,可以用正项级数的重排定理或者Fubini定理:

,,,,

第一步,集合分解到测度分解,(作为注解)

(的可数可加性)

第二步,正项级数的重排定理或者Fubini定理,

(的有限可加性)

得证。

Caratheodory定理(卡拉西奥多里定理)

介绍

给定全集,半代数:

  1. 给定半代数上的可数可加测度;
  2. 代数上可数可加测度扩张;
  3. -代数上的可数可加测度扩张.

本节分为四步来构造测度:

第一步,给定半代数上的可数可加测度,定义外测度;对任何,;

第二步,定义可测集合类,且,是一个-代数,且;

第三步,是可数可加的,并且满足扩张性质,对任何,;

第四步,扩张唯一性。

定义:如果满足以下三个条件,则函数称为外侧度(outer measure):

(1);

(2)单调性:如果,,则;

(3)次可数可加性:如果,,则.

第一步

第一步,给定半代数上的可数可加测度,定义外测度;对任何,。其中下确界对所有满足条件的集合列,选取。

引理:若满足以下三个条件,则是外测度:

(1);

(2)单调性:如果,,则;

(3)可数次可加性:如果,,则.

1的证明:

对于任何,;选取集合列(即可相交),,所以;如果,,那么,所以;

一方面,对任何,,,所以;另一方面,取,,,所以;综上,所以.

2的证明:

任取,,,则,所以.

3的证明:

如果存在,使得,命题显然成立;

假定,,给定,根据外侧度的定义,对于每个,存在中集合列,使得和,于是,是和的覆盖,根据外侧度定义,,此式对任何成立,则对成立,命题得证。

第二步

第二步,定义可测集合类,且,是一个-代数。

定义:如果对任何,都有,则集合称为可测的。所有可测集构成集合类.

由于,根据外侧度的可数次可加性,.

引理:.

证明:

固定,要证明对任何,都有:

假设,对任何,存在中集合列,使得和;

我们有、,且;,,且;

此式对任何成立,令,不等式得证。

引理:若满足以下三个条件,则是一个代数:

(1);

(2),即对补集运算封闭;

(3),即可数并运算封闭。

1的证明:对任何,.

2的证明:根据和可测集的定义,对任何,.

3的证明:

设集合,首先利用的可测性,,考虑集合等式,以及,从以上集合等式和外侧度的有限次可加性可得,

所以也是可测的。

下面证明,即对可数并运算封闭:

构造、、、、,于是得到中两两互不相交的集合列,且对任何,,对任何,我们有

令,根据外侧度次可数可加性,,所以命题得证,.

引理:令,是两两不交可测集组成的可数集簇,则对任何,我们有;特别地,当时,,即是有限可加的。

证明:

用数学归纳法,定义,显然;

假设,即,由于是两两不交的,我们有和,利用的可测性和归纳假设,

所以,油数学归纳原理,命题得证。

第三步

第三步,是可数可加的,并且对任何,。

引理:对于扩张测度,我们有对任何,.

证明:

固定;

一方面,任取中集合列满足,构造、、、、,于是得到中两两不相交的集合列,且对任何,,根据和的可数可加性,有,根据的定义,;

另一方面,取,,我们有,,因此根据的定义,,所以对任何,得证。

引理:对于扩张测度是可数可加的,即对中两两不相交的集合列,有.

证明:给定中两两不相交的集合列,根据的次可数可加性,我们有,对任何,根据的单调性和有限可加性,,再令,我们有,所以等式得证。

第四步

第四步,唯一性。

定义:给定全集和集合类,如果满足以下条件,则称为单调类:

(1),,,;

(2),,,.

是单调类,则是单调类。

定义:设,如果满足以下条件,则称是集合类生成的单调类,或者说是包含集合类的最小单调类:

(1);

(2)如果单调类,则.

我们有是包含的所有单调类的交集。

定理:给定代数,则.

定义:如果存在,,,满足,,则函数(测度)称为-有限的。

定理(唯一性):假设可数可加测度满足:①对任何,有;②是-有限的;则,即相同。

证明:

由于是-有限的,存在,,,满足,;给定,令,

1、证明:

给定,,,,我们有,令,根据测度的下连续性,我们有,所以.

2、验证是单调类:

给定,,,,我们有,令,根据测度的上连续性,我们有,所以.

所以,即.

任取,对任何,,令,根据测度的下连续性,我们有,即.

单调类

定义:给定全集和集合类,若满足以下条件,则称为单调类(Monotone Classes):

(1),,,;

(2),,,.

例:

1、若是一个-代数,则是一个单调类,是一个单调类。

2、若是单调类,则是单调类。

定义:,定义是集合类生成的单调类,即包含集合类的最小单调类,满足,并且如果单调类,则,我们有,是包含的所有单调类的交集。

定理:给定代数,则.

证明:

先证明:由于是单调类,且,所以;

然后证明,思路是,已知,只需证明是一个-代数,进而.

首先要证明是一个代数:

设,定义,则:

断言1:,则。我们仅需证明:Ⅰ、;Ⅱ、是一个单调类。

Ⅰ的证明:对任意,根据代数的性质,、、,所以;

Ⅱ的证明:

(a). ,,,,验证:

(指单调上升到xx,指单调下降到xx)

(b). ,,,,验证:

断言2:,则。我们仅需证明:Ⅰ、;Ⅱ、是一个单调类。

Ⅰ的证明:对任意,根据断言1,,和,有、、,根据定义,;

Ⅱ的证明(步骤和断言1完全相同):

(a). ,,,,验证:

(b). ,,,,验证:

验证是一个代数:

1、证明,即全集属于:;

2、证明,即对补运算封闭:,,根据断言1,,而,所以;

3、证明,即对交集运算封闭:,根据断言2,则,因此,所以.

验证是-代数:,,由于是一个代数,因此,根据单调类的定义,所以.

长度函数

长度函数:设,半代数,定义函数,如下(即是长度函数):

,,且,所以是-有限的。

引理:长度函数是有限可加的。

证明:

情形1,如果是不相交集合的并集,即,不妨设(其中),那么,,且(其中),所以令,,故的有限可加性成立;

情形2,是空集时,的有限可加性显然成立;

其他情形,,,,,的有限可加性成立。

引理:长度函数是可数可加的。

证明:

定义(是的扩张,根据有限可加和扩张性质,)。我们仅需证明,对于,,等式成立,根据扩张性质,等价于等式成立(其中的定义域是):

当是空集时,的可数可加性显然成立;

第一步,证明:因为,所以,再令,我们有;

第二步,证明:

1、特殊情形,假设,,,我们要证明:对任何,,集合簇是中紧集的开覆盖,所以存在有限子覆盖,即存在,使得,所以,,根据的任意性,得证。

2、一般情形,

断言:令,对,我们有。

证明:

Ⅰ、,;

Ⅱ、,;

Ⅲ、,;

Ⅳ、,;

Ⅴ、,.

对于,,,根据的结果,,令,不等式成立。

另一种证明方法:

函数在空集处上连续,即对任何中单调下降到空集的集合列,,,则.

用反证法证明:

对任何中单调下降到空集的集合列,,,如果不成立,那么存在,使得,

第一步,,则,令,使得,(其中表示的闭包),也就是说,我们得到了集合,,;

第二步,已知,所以,,则,令,使得,,根据,我们有,也就是说,我们得到了集合,,,;

第三步,数学归纳法。假设我们得到集合列(其中),满足,,,

我们来构造,满足相应的条件,,,

已知,所以,,则,令,使得、,

根据,我们有,根据数学归纳法,我们得到集合列(其中)满足相应条件;

第四步,利用的拓扑推出矛盾。对,令,我们有①. ,;②. 是中的有界闭集,即紧集;③. ,,根据紧性定理,不是空集,但是矛盾。

紧性定理:

令是度量空间,以下三个性质等价:

(1)的每个可数开覆盖有有限子覆盖;

(2)如果是一列的非空单调下降闭子集簇,,,那么是非空集;

(3)的每个无限子集有极限点,且极限点属于.

我们证明了的可数可加性,则可以根据卡拉西奥多里定理把扩张到(即Borel集)上,且保持可数可加性。

完备测度

定义:给定全集,集合类,函数,如果,则称是完备的。

给定-代数,测度(满足可数可加性),目标:构造集合类,以及测度,满足:

(1),即在上的限制是;

(2)完备。

引理:给定-代数,测度,定义,则是-代数。

(称为的完备化,或者说是-代数的完备化)

证明:

1、证明,即全集属于:;

2、证明,即对补运算封闭:,即,,,;根据,则,所以;

3、证明(其中),即对可数次交集运算封闭:对,,即,,,,根据,,,我们有.

定义:给定-代数,测度,,定义测度,为.

证明:,.

1、是良定义的,即如果,,,,,,,则.

证明:,,故.

2、,即在上的限制是.

证明:任取,,所以.

3、是-可加的,即对于互不相交的集合(其中),我们有.

证明:对于互不相交的集合(其中),即,,,,,,我们有,.

4、是完备的,即是-完备的,等价于.

证明:,即,,,,,所以,而,,,即,且,

给定-代数,测度,,

给定-代数,测度,,

的完备化依赖于具体的测度,比如、.

引理(唯一性):给定-代数,测度,定义,定义,如果存在测度,满足,即有,那么,即有.

证明:任取,即,,,,则,,所以,命题得证。

引理:测度是-完备的,即.

(以及可测集的定义在卡拉西奥多里定理的章节中提到过,指可测集合类)

证明:对任何,由于,且,所以,因此,所以是可测集,即.

命题(唯一性):假设可数可加测度满足以下两个条件,则,即、相同:

(1)对任何,有;

(2)是-有限的。

如果是-有限的,

首先,我们有唯一测度扩张到上,

然后,我们有唯一测度扩张到上,且是-完备的。

即.

引理:如果是-有限的,那么.

证明:

第一部分,证明:

我们有,且是完备的,有,,,所以再根据是-代数,.

第二部分,证明:

断言:如果,且,则存在集合,使得,且.

证明:根据的定义,对任何,存在中集合列(其中),使得,,令,那么,且,令,所以.

1、如果,且,根据断言,存在集合,使得,且,因此,且,根据断言的结论,存在集合,使得,,且.

2、如果,且,根据是-有限的,存在,,且,根据上个结论,(其中),所以.

比如,勒贝格测度,,,定义函数如下:

;

,表示Borel可测集,容易证明是中开集生成的-代数;

,表示勒贝格可测集;

所以,即Borel可测集的完备化是勒贝格可测集。

近似定理

定理(近似定理):给定全集,代数,-代数,测度,且对任何,任何集合满足,则存在集合,满足,称为集合和的对称差。

证明:

,,,

给定,存在中集合列(其中)使得,,

那么存在,使得,

令,满足,以及,

所以,命题得证。

定理(近似定理):给定全集,代数,-代数,测度是-有限的,可以唯一扩张到,对任何,任何集合满足,则存在集合,满足.

证明与前面类似,-有限性用于唯一扩张。

备注:定理中条件不可去掉,比如在勒贝格测度中,,,不能由中元素近似。

正则测度

定义:是拓扑空间,是Borel集,即由中开集生成的最小-代数,-代数,测度,如果对任何,任何,存在开集和闭集,使得,,我们称测度是正则(regular)的。

定义中不要求.

是正则的,等价于对任何,任何,存在开集和闭集,使得,,.

引理:测度是正则测度,且,那么,即是的-完备化的子集。

证明:

对任何,任何,存在开集和闭集,使得,,

令,,我们有,且,令,可得,

,且,根据,所以.

(1)可数个闭集的并集称为集;

(2)可数个开集的交集称为集。

定理:勒贝格测度是正则的。

证明:

第一步,,对任何,存在开集,使得,:

设,令,,则,根据卡拉西奥多里定理,存在中集合列(其中),使得,,

,令,其中,令,,所以,,因此,,,

总结,,存在开集,且,

令开集,,且.

第二步,,对任何,存在闭集,使得,:

对于,根据第一部分的结论,存在开集,且,

令闭集,且,.

勒贝格积分

勒贝格积分的想法

勒贝格积分(Lebesgue Integration)的一般想法:

给定测度空间,函数,定义积分,满足以下条件:

(1)如果,则;

(2)线性性:,其中;

(3)如果,,则.

对比黎曼积分(分割定义域)与勒贝格积分(分割值域):

勒贝格积分需要.

可测函数

引理:,则(即扩展的Borel集)是一个-代数。

证明:

1、证明全集属于:;

2、证明,即对可数并集运算封闭:

由于,且,所以;

3、证明,即对补运算封闭:

因为,且,我们有.

命题(上开集的结构定理):每个非空开集是可数开区间的不交并。

引理:扩展Borel集的四种生成集:

(1),;

(2),;

(3),;

(4),.

证明:我们只证明(1),其他情形的证明类似。

1、先证明Borel集可以由生成:

第一部分:Borel集是中开集生成的-代数,根据取补运算封闭,包含所有的闭集,即,所以;

第二部分:令,根据开集结构定理,如果包含中所有开区间,则包含所有开集,因此,

,

,

综上所述,.

2、再证明扩展Borel可以由生成:

第一部分:由于是-代数,,所以;

第二部分:,(其中),进而,

所以,

综上所述,.

是的两点紧化。

(1)中的开区间、、,;中的闭区间、、,.

(2)中的开区间、、、、,;中的闭区间、、,.

定义:给定测度空间,函数,如果,则称函数是-可测(measurable)的。

引理:给定测度空间,函数,是可测的当且仅当以下四个条件之一成立:

(1)对任何,;

(2)对任何,;

(3)对任何,;

(4)对任何,.

证明:我们只证明(1),其他情形的证明类似。

第一部分:假设可测,又对任何,,所以;

第二部分:

假设条件1成立,令,令,满足以下性质:①. 是一个-代数;②. .

又因为,所以,即是可测的;

①验证是一个-代数:

(a). 证明,即全集属于:;

(b). 证明,,,即对可数并集运算封闭:对,,根据,;

(c). 证明,即对补运算封闭:,根据,.

简单函数

定义:给定测度空间,互不相交集合列,,,实数,则:

称为简单函数(simple function),其中.

不妨假设是全集的划分,即,否则,令,,我们有,.

引理:给定测度空间,简单函数是可测的。

证明:对任何,.

定义:给定测度空间,非负简单函数,即,并且约定如果,,则;我们定义积分:

断言:是良定义的,即如果,,那么.

观察:

1、时,取,我们有,因此;

2、时,,

,,,

,,,

所以.

可测函数

记号:

是可测的,记为.

,,,.

定理:给定测度空间,可测函数,,则以下函数可测:

(1);

(2);

(3);

(4);

(5),约定:如果,则;

(6);

(7).

1、的证明:

2和3、的证明:,.

4、的证明:

7、的证明:.

5、的证明:

6、的证明:

;

;

;

.

定理:给定测度空间,可测函数列,,,则以下函数可测:

(1),;

(2),;

(3)如果函数列收敛,则.

证明:

1、,的证明:

,,;

2、,的证明:

,

;

3、的证明:

.

例:

给定测度空间,是勒贝格测度,是不可测集,所以是不可数集。

可测函数族,,不是可测函数。(对不可数个可测函数取上确界得到函数可能是不可测的)

引理:给定拓扑空间,测度空间,且,连续函数是-可测,且是-可测。(其中是Borel -代数,即中开集生成的-代数)

命题:闭集在连续函数下的原象是闭集。对任何,是闭集,所以.

定义:给定测度空间,函数,性质描述函数在某个点处的性质,如果存在集合,满足,且在上满足性质,我们称几乎处处(符号表示为)满足性质.

例如,表示存在,满足,且,.

引理:给定测度空间,是勒贝格测度,如果函数是-可测的,函数,,则是-可测的。

证明:即存在,满足,且,,对任何,

所以是-可测的。

其中是零测集的子集,根据的完备性,属于.

备注:以上结论对测度空间不成立,因为不是完备的。

引理:给定测度空间,函数是-可测的,函数是-可测的,则函数是-可测的。

证明:对任何,,根据,,所以是可测的。

积分的定义

引理:给定测度空间,非负可测函数,则存在函数列(其中)满足:

(1)是非负简单函数;

(2)(其中)单调上升,即;

(3),即非负可测函数是非负简单函数的极限。

证明:

,定义,即

积分的定义-f_{n}(x)

1、,且是简单函数;

3、验证:

2、验证(其中)单调上升,即:

单调性的另一种证明方法:

令,满足

(1)是非负简单函数,显然成立;

(2)(其中)单调上升,即:;

(3):由于,所以,又,根据夹挤定理,.

积分的定义:给定测度空间,可测函数,分步骤定义积分:

(1)非负简单函数,,,,;

(2)非负函数,,存在单调上升非负简单函数列,满足,定义,积分不依赖于函数列的选取;

备注:第二步中,如果是非负简单函数,令,则,所以第一步和第二步的定义相同。

(3)一般可测函数,,如果,,称是可积(integrable)的,定义.

备注:第二步中,如果是非负可测函数,则,,,所以第二步和第三步的定义相同。

简单函数积分的性质

引理(非负简单函数积分的单调性):给定测度空间,非负简单函数,如果,那么.

证明:

令,,,,,,

1、时,取,我们有,因此;

2、时,,

,,,

,,,

所以.

引理(非负简单函数积分的线性性和单调性):给定测度空间,非负简单函数,,那么:

证明:

1、令,,,,,,

,,,

,,,

因此,取积分得;

2、令,,,

,取积分得;

3、是简单函数,如果,则,且,我们有.

引理(重要引理):给定测度空间,非负简单函数,其中,如果单调上升,且,则.

证明:

情形1,假设,,:

时,;

时,选取,令,则满足如下性质:①. ,因为单调上升;②. .

一方面,根据定义,,另一方面,对任何,由于,根据极限的定义,存在,使得当时,,所以,因此,令,根据测度的下连续性,,令,我们有;

情形2,假设,,,

时,;

时,,令,,满足,且,根据情形1的结论,我们有,再令,根据测度的下连续性,;

情形3,一般情形,,,,

由于,所以,.

定理(非负可测函数的积分不依赖简单函数列的选取):给定测度空间,非负可测函数,存在单调上升非负简单函数列、(其中),若满足,那么.

证明:

由于,根据重要引理,我们有,,同理,,所以.

非负可测函数积分的性质

引理(非负可测函数积分的线性性):给定测度空间,非负可测函数,,则:

(1);

(2),有.

证明:

非负可测,根据非负可测函数积分的定义,存在单调上升到非负简单列、满足

,,,,其中,

因此非负简单函数列,单调上升,且,,

根据非负可测函数积分的定义,,.

引理(非负可测函数积分的单调性):给定测度空间,非负可测函数,则:

(1);

(2)如果,则.

证明:

1、非负可测,根据非负可测函数积分的定义,存在单调上升非负简单函数列,满足、,由非负简单函数积分的定义,,所以;

2、是非负可测函数,根据积分的线性,.

单调性的另一种证明方法:

非负可测,根据非负可测函数积分的定义,存在单调上升非负简单函数列、,满足

,,,,其中,

令是单调上升非负简单函数列,且,由,我们有.

引理:给定测度空间,可测函数,集合,如果可积,则函数可积。

证明:

可积,等价于,且,

,根据积分的单调性,,

,根据积分的单调性,,

所以函数可积。

记号:

,,

称为函数在集合上的积分。

引理:给定测度空间,可测函数,集合,如果,那么函数在上可积,且积分.(约定)

证明:

情形1,,

对于非负可测函数,根据非负可测函数积分的定义,存在单调上升非负简单函数列,满足、,

设,,,,

时,,所以,

,,所以;

情形2,,

,,根据情形1,,我们有.

定理(积分的性质):给定测度空间,可积函数,互不相交的集合,则函数在上可积,且:

(1)和可积;

(2);

(3)几乎处处有限,即,等价于;

(4);

(5);

(6)对任何,可积,且;

(7),;

(8)如果,且,那么;

(9);

(10)若函数可测,且,那么是可积的。

证明:

1、

可积的证明:可积,等价于且;可测,;可积,等价于,等价于且;

可积的证明:

,

,

可积,等价于且;可积,等价于且,

故,,所以可积。

2、的证明:

和不相交,所以,

3、的证明:可积,等价于可积,也可以用反证法来证明:

假设不是几乎处处有限,那么也不是几乎处处有限,定义,那么,根据积分的定义,容易证明,比如,令,;

另一种证明方法,利用非负可测函数积分的单调性和线性性,

对,定义,满足①. 单调下降,即;②. .

,最后根据测度上连续性,,所以;

是可积函数,则存在取值为实数域的可积函数,使得,且,我们证明非负函数情形,一般情形类似。

假设可积,构造函数,令可测集,,,那么,且;

验证:

存在单调上升非负简单函数列,,,令,是单调上升非负简单函数列,,,,所以;

一般情形,令可测集,,,那么,且.

4、的证明:

断言:如果非负可积,那么.

因为研究积分性质,不妨设和的取值范围是,即,令,那么,等价于,根据非负函数积分的线性性,,

对于可积函数,,

5、的证明:;

6、对任何,可积,且的证明:

时,;

时,;

时,,,

7、

的证明:

如果,那么,,根据积分的定义;

的证明:

如果,则,;

8、如果,且,那么的证明:

,令,则满足:①. 单调上升,即;②. .

,根据测度的下连续性,,所以;

9、的证明:

令,,

,

,

所以;

10、“若函数可测,且,那么是可积的”的证明:

,,

,,

所以可积。

推论:给定测度空间,可测函数,如果存在常数,集合,,满足,那么可积。

证明:,所以可积等价于可积。

单调收敛定理

定理(单调收敛定理,Monotone Convergence Theorem,MCT):给定测度空间,非负可测函数列,,如果单调上升,且,则.

证明:

对每个,,根据非负可测函数积分的定义,存在单调上升非负简单函数列,满足,,令,

,所以是单调上升非负简单函数列,令,我们有,

对于,有,所以,因此,对于,有不等式1:,

在不等式1中,若固定,令,有,再令,得,

根据不等式1和积分的单调性,我们有不等式,若固定,令,有,再令,得,所以,定理得证。

定理(单调收敛定理推论):给定测度空间,可测函数列,,,且可积,如果单调上升,且,则.

证明:

对函数列应用单调收敛定理,

引理:给定测度空间,非负可测函数列,定义函数,表达式为,,是测度,即满足:

(1)空集取值为零:;

(2)可数可加性:如果是中互不相交的集合,且,则.

证明:

等价于,

观察:如果,且,那么为.

定义:给定测度空间,集函数,如果对任何,若,则,我们称关于绝对连续(absolute continuity),记为.

比如:、.

Radon-Nykodym定理:如果,则存在函数,使得,都有.

比如:

给定,为勒贝格测度,可测函数,定义测度,表达式为,,

给定,狄拉克测度,表达式为,,

1、不成立,因为,;

2、不成立:给定区间,,且,,.

引理(一致可积性):给定测度空间,可积函数,则对任何,存在,对任何,如果,则.

证明:

不妨设,否则用替代定理中的,有,由于几乎处处有限,我们可以假设是有限的,即的取值范围是,

函数列单调上升到,根据单调收敛定理,我们有,

对任何,存在,使得,若固定,选取,对任何,当时,.

Fatou引理:给定测度空间,非负可测函数列,,那么.

证明:

对,令,则满足:①. ;②. 单调上升,;③. .

根据单调收敛定理,,

由,取积分得,再令,取下极限得,命题得证。

Fatou引理的推论1:给定测度空间,可测函数列,,,且可积,那么.

证明:

对非负函数列应用Fatou引理,

引理:对数列和实数,.

Fatou引理的推论2:给定测度空间,非负可测函数列,,那么.

证明:

,应用Fatou引理,

以上条件可以改为存在可积函数,且函数列,.

证明:

对,应用Fatou引理,

引理:对数列,.

Fatou引理严格不等式的例子:

例1:测度空间,为勒贝格测度,,,,;

例2:测度空间,为勒贝格测度,对任何,定义,则,于是,

令,则,于是.

定理(控制收敛定理,Dominated Convergence Theorem):给定测度空间,可测函数列,,,可积,且,那么可积的,且.

证明:

对,,令,我们有,且可积,那么可积,

对,,根据Fatou引理,,

对,,根据Fatou引理,,

再根据,我们有.

乘积测度

两个测度空间的情况

定义:给定测度空间,,全空间,设,,称为的一个长方形(集)(rectangle(set));

特别地,,定义函数,,,;;(约定、)

定义为生成的-代数,称为乘积-代数。

备注:虽然叫做长方形集,但它的图形并不是长方形的,可能很复杂。

引理:是一个半代数。

证明:

1、证明全集属于:;

2、证明,即对交集运算封闭:

,,,

,,,

3、证明,即补运算等于有限个集合的不交并:

,,,我们有

定义:给定和点,的子集,称为集合在处的截口(section);类似的,对,的子集,称为在处的截口。

引理:给定,那么:

(1)对任何,有;

(2)对任何,有.

证明(1和2证明类似,我们只证明1):

令,

(Ⅰ). ,(因为,,),那么对任何,

(Ⅱ). 是一个-代数:

(a). 证明,即全集属于:,对任何,;

(b). 证明,即对补运算封闭:

对任何,,要么属于,要么属于,,,所以,等价于,

又因为,则,所以,即;

(c). 证明,即对可数并集运算封闭:

已知对,,对任何,,又因为,所以.

综上,我们有,命题得证。

命题:是有限可加的,即满足:

(1)空集取值为零:;

(2)有限可加性:如果是中互不相交的集合,且,则.

证明(已知,只需证明可数可加性):

对,,,,,,

显然,,

,,

,,

对任何,,

,

,

故,两边取关于的积分得,命题得证。

命题:是可数可加的,即满足:

(1)空集取值为零:;

(2)可数可加性:如果是中互不相交的集合,且,则.

证明:只需要把前面有限可加性证明中的改为,再利用和的可数可加性,就可以得出。

定理:给定测度空间,,是-有限的,则存在唯一测度定义在-代数上,满足,,.

证明:

1、是半代数;(前面已证明)

2、,,,,是可数可加的;(前面已证明)

3、是-有限的,即存在两个单调上升的集合列,,使得,,,,那么,,即是-有限的;

4、利用卡拉西奥多里定理。

三个测度空间的情况

前面的定理可以扩展到有限个-有限的测度空间的笛卡尔积,以三个测度空间为例:

定义:给定测度空间,,全空间,,定义函数,,,,;;(约定、)

定义为生成的-代数,称为乘积-代数。

引理::是一个半代数。

引理:给定,那么:

(1)对任何,有;

(2)对任何,有;

(3)对任何,有.

命题:是可数可加的,即满足:

(1)空集取值为零:;

(2)可数可加性:如果是中互不相交的集合,且,则.

证明证明(已知,只需证明可数可加性):

对,,,,,,,

显然,,,

,,

,,

对任何,,

,

,这里利用了的可数可加性,

故,两边取关于的积分得,命题得证。

、、是-有限的,则是-有限的;

利用卡拉西奥多里定理。

可列维乘积空间的测度

给定可数个测度空间,,,全空间:

记号:时,记,特别地,.

定义:,如果,,,,我们称为柱集(cylinder set)。

表示所有柱集构成的集合,定义函数,表达式为,.

引理:是一个半代数。

证明:思路是化为有限个测度空间的乘积。

1、证明全集属于:;

2、证明,即对交集运算封闭:

,,,

,,,

不妨设,那么

,

;

3、证明,,即补运算等于有限个集合的不交并:

,,,

令,,,那么.

命题:是有限可加的,即满足:

(1)空集取值为零:;

(2)有限可加性:如果,是中互不相交的集合,且,则.

证明:已知,只需证明有限可加性,思路是化为有限个测度空间的乘积。

,,,

令,那么

,,

,,

根据有限维乘积测度空间的可数可加性,,有限可加性得证。

定义:表示生成的代数,我们把扩张到上,记为,也是有限可加的。

记号:,表示中的柱集,

,如果,,,,

定义函数,表达式为,;

表示生成的代数,我们把扩张到上,记为,同理,是有限可加的。

类似可以定义:、、、,.

定义:给定和点,的子集称为集合在处的截口(section)。

引理:给定,对任何,,函数是-可测的,并且.

证明:

给定,,,对任何,我们有,显然,

,是简单函数,所以是-可测的;

.

同理,给定,即,,对任何,,

是简单函数,所以是-可测的,

定理:在空集处上连续,所以是可数可加的。

证明:

在空集处上连续,即,

如果对任何中单调下降到的集合列,即,,有,

等价于,对任何在单调下降集合列,如果存在,,,那么.

我们证明此结果:

由于,对,截口,定义,是-可测的,所以,

由于,所以,有,即是单调下降的集合列,

根据积分公式,

又因为,所以,因此,,

我们得到证明的第1步:存在,使得:

(a). ,;

(b). 单调下降;

(c). ,.

第二步,存在,使得:

(a). ,;

(b). 单调下降;

(c). ,.

第步,存在,使得:

(a). ,;

(b). 单调下降;

(c). ,.

我们得到一个点,使得对任何,有,

由于是柱集的并集,根据下一条引理,,即,

所以我们证明了在空集处上连续。

引理:给定集合,点,当且仅当属于某个柱集。

用数学语言来描述就是,令,,则以下命题等价:

证明:

,等价于,是柱集,,

,当且仅当存在,使得,

不妨设是柱集,,,

,

等价于,,,,,

等价于,,,,,

记为,;

记,,,

等价于,,,,,,

等价于,,,,,,

记为,.

定理:给定测度空间,,,则存在唯一测度定义在乘积-代数上,其中是柱集,其中元素形如(其中,),且.

证明:

1、是半代数;

2、,,是可数可加的;

3、利用卡拉西奥多里定理。

Fubini定理

给定-有限的测度空间,,全空间,,:

定义:给定函数,对每个固定的,定义函数,,,称为函数在处的截口(section);类似地,对每个固定的,定义函数,,,称为在处的截口。

例:

,,

,所以等价于,我们有.

命题:给定函数是-可测的,那么:

(1),函数是-可测的;

(2),函数是-可测的;

证明:1和2证明类似,这里只证明1。

任取,由于,所以,再根据集合截口的可测性,,因此

,命题1得证。

定理:给定-有限的测度空间,,乘积测度定义在乘积-代数上,对任何,我们有:

(1)函数是-可测的;函数是-可测的;

(2).

证明1中的第一个结论,第二个类似:

先假设,,分四步证明,

第一步,设,,,,则,

是可测的;

第二步,设,,,,,,

则,是-可测的;

第三步,利用单调类定理,

断言:设,则是一个单调类。

证明:

1、,,,,

假设单调上升,即,所以对,,即单调上升,

单调上升到,,

,再根据的下连续性,,是-可测的;

2、,,,,

假设单调下降,即,所以对,,即单调下降,

单调下降到,,

,再由,是上连续的,,是-可测的;

是一个单调类,且,所以;

第四步,是-有限的,即存在两个单调上升的集合列、,使得,,,,

那么单调上升,,,

,对任何,,集合列单调上升到,所以集合列单调上升到,,

根据测度的下连续性,;

证明命题2中的前半部分,后半部分证明类似:

先假设,,分四步证明,

第一步,设,,,,已知是-可测的,;

第二步,设,,,,,,

,

,

第三步,利用单调性定理,

断言:设,则是一个单调类。

证明:

1、,,,,

假设单调上升到,即,,

单调上升到,即,,

,再根据的下连续性,,是-可测的;

已知,根据控制收敛定理或单调收敛定理,,根据的下连续性,,所以;

2、,,,,

假设单调下降到,即,,

单调下降到,即,,

,再由,是上连续的,,是-可测的,

已知,根据控制收敛定理,,根据的上连续性,,所以;

是一个单调类,且,所以;

第四步,是-有限的,即存在两个单调上升的集合列、,使得,,,,

那么单调上升,,,

,对任何,,集合列单调上升到,所以集合列单调上升到,,

根据测度的下连续性,,

已知,根据单调收敛定理,,

根据的下连续性,,所以.

Tonelli定理:给定-有限的测度空间,,乘积测度定义在乘积-代数上,对任何非负-可测函数,有:

(1)是-可测的,且;

(2)是可测的,且.

证明:只证明命题1,命题2的证明类似。

第一步,,,,

,,根据上个定理,

,

;

第二步,是简单函数,记,,,

,,根据积分的线性性和第一步的结果,

,

第三步,是非负-可测函数,

存在非负单调上升的简单函数列,使得,

,是单调上升的非负简单函数列,且,

根据第二步的结果,,再根据单调收敛定理,有,

已知,根据单调收敛定理,,

又因为,所以得证。

Fubini定理:给定-有限的测度空间,,乘积测度定义在乘积-代数上,对任何-可测函数,如果可积,我们有

(1)对-几乎处处,是可积的:

(2)对-几乎处处,是可积的:

证明:

可积,等价于和可积,根据Tonelli定理,,所以关于可积,因此,

定义,是-可测的,且,

同理,定义,是-可测的,且,

定义是-可测的,且

命题:给定-有限的测度空间,,乘积测度定义在乘积-代数上,对任何-可测函数,如果,则Fubini定理成立。

证明:根据,和Tonelli定理,

,

,

可积,所以Fubini定理成立。

Hahn-Jordan定理

定义:给定全集,-代数,函数,若满足以下条件,则称为符号测度:

(1)空集取值为零:;

(2)可数可加性:如果是中互不相交的集合,且,则.

引理:给定可测空间上的符号测度,如果,,则:

(1)若,则,否则没有定义;

(2)若,则,否则没有定义。

引理:给定可测空间上的符号测度,给定中互不相交的集合列,根据可数可加性,有,交换集合列中元素的位置,因为不变,所以也不变,分三种情况讨论:

引理:给定可测空间上的符号测度,如果,,则:

(1)如果,则;

(2)若,则;

(3)若,则.

证明:

1的证明:等价于,所以,又因为,于是有;

2和3的证明:等价于,所以,

如果,那么,所以,

如果,那么,所以.

引理:给定可测空间上的符号测度,如果存在,,那么对任何,都有.

证明:

由于,且,所以,

如果,又因为,所以,与条件矛盾,所以,

由,,

给定可测空间上的符号测度,则以下两种情况只有一种成立:

我们一般假定,对任何,.

定理:给定可测空间上的符号测度,则:

1的证明:

如果是可数可加的,则对任何,在处下连续,

给定中单调上升到的集合列,即,,我们要证明,

定义,对,定义,我们有

(a). 是两两不相交的;

(b). 对,,则;

(c). .

所以根据可数可加性,;

2的证明:

如果是可数可加的,则对任何,在处上连续,

给定中单调下降到的集合列,即,,且存在,使得,我们要证明,

对任何,定义,由于是下降的,故是上升的,根据德摩根等式,,(因为此时全集是),

再根据函数的下连续性,,

命题得证。

Hahn-Jordan定理:给定可测空间上的符号测度,存在集合,记,对任何,有:

(1),;

(2).

、是可测空间上的测度。

称为Jordan分解;

称为Hahn分解。

例:给定测度空间,是勒贝格测度,,定义符号测度,表达式为,,则Hahn分解不是唯一的,比如:

引理:给定可测空间上的符号测度,Hahn分解,Jordan分解,对,我们有:

(1);

(2).

所以Jordan分解是唯一的。

证明:

对于任何,,且,我们有,所以,

对于任何,,且,我们有,所以.

Hahn-Jordan定理的证明:

令,已知,证明分三步:

1、第一步,证明:

反证法,假设,对,令,

断言:如果,,那么.

证明:任取集合,,那么,所以.

Ⅰ. 令,那么,那么存在,使得,根据断言,、至少有一个是,令,所以;

Ⅱ. ,存在,使得,令,所以

Ⅲ. 以此类推,我们得到集合列、,满足:

①. ,,;

②. ,,;

③. ,.

断言:如果存在步时,,那么对任何,我们有.

证明:当时,,又因为,因此.

此时分两种情况:

(a). 存在严格单调上升的正整数列,使得,我们可以得到互不相交的子集列,且,所以,与矛盾;

(b). 只有有限多个,使得,则存在,使得时,,

集合列单调下降,令,根据的上连续性,,与矛盾.

2、第二步,证明存在,使得:

已知,对,存在,使得,

,

同理,对,我们有,令,根据的下连续性,我们有,

令,集合列单调下降,

令,根据的上连续性,,所以.

3、第三步,令

断言:对任何,有.

证明:如果,那么,与矛盾。

断言:对任何,有.

证明:如果,由,则,与矛盾,

如果是正实数,由于,,与矛盾。

对任何,定义,,所以.

Radon-Nikodym定理

定义:给定测度空间,集函数,如果对任何,且,则,我们称关于绝对连续(absolute continuity),记为.

例:给定测度空间,可测函数是可积的,定义集函数,表达式为,,则我们有.

定义:如果存在集合,使得,且,,我们称关于奇异(singular),记为;若和都是测度,如果存在集合,使得,,我们称与相互奇异,记为.

例:,是勒贝格测度,给定,狄拉克测度表达式为,,有理数集,非负数列满足,则测度与相互奇异。

证明:令,,.

Radon-Nikodym定理:给定-有限的测度空间,,是可测空间上的符号测度,,则:

(1)存在-有限的符号测度,其中关于绝对连续,关于奇异,使得,,;

(2)以上分解是唯一的;

(3)存在取值有限的-可测函数,使得,.

是-有限的,指和都是-有限的。

证明:

首先假定和是有限测度,,,

1、绝对连续部分的证明:思路是,,我们要把找出来,然后再找出的上确界,即,.

(Ⅰ). 证明:

存在函数列,使得,令,单调上升,记极限函数为;

(Ⅱ). 证明时,:

对,记,,

,我们有,

(Ⅲ). 证明:

,根据,再由单调收敛定理,,

(Ⅳ). 证明:

根据的定义,,对,,令,得,因此,

定义,,;

3、奇异部分的证明:

由于,且是可积的,因此,定义,对任何,,

证明,思路是.

定义符号测度,根据Hahn-Jordan定理,我们得到集合,,,和,

(Ⅴ). ,

对任何,,所以,我们有,

(Ⅵ). ,

,又因为,所以,

令,

(Ⅶ). ,

因为,,

(Ⅷ). ,

已知,,令,得,所以.

如果是有限符号测度,即,把和分别作分解,可以得到的分解。

2、唯一性的证明:

假定是有限测度,,因为是有限符号测度,即,

令,其中,,

,即存在,使得,且对任何,有,

,即存在,使得,且对任何,有.

令,对任何,由于,所以,,

,(),

,(),

所以,.

4、从有限情形到-有限情形:

是-有限的,即存在两个单调上升的集合列、,使得,,,,其中,

令,那么单调上升,且,,,

任取,存在,使得时,,且时,,因此时,,

补充定义,令,,那么,,,在每个上分别利用有限情形的Radon-Nikodym定理,合起来得到-有限情形的Radon-Nikodym定理。

几乎处处收敛

引理:给定测度空间,是完备的,如果函数是可测的,函数,,则是-可测的。

其中即.

定义:设是所有-可测函数构成的集合,在上定义等价关系,,如果,则称与等价,记为.

验证等价关系:

(1)自反性,:

.

(2)对称性,:

.

(3)传递性,:

,即令,有,

,即令,有,

任取,,且,所以.

记.

定义:给定函数列,,如果,,则称函数序列在上点态收敛到函数.

定义:给定可测函数列,,如果存在集合,使得,且,,则称函数序列在上几乎处处收敛(almost sure Convergence)到函数,记为或(其中指almost sure,指almost everywhere)。

引理:几乎处处收敛是类性质。给定可测函数列,,,,如果,那么.

证明:

,即存在,使得,且,,

,即存在,使得,且,,

,即存在,使得,且,,

令,,且,

任取,我们有,即.

引理:给定可测函数列,,如果,且,那么.

证明:

,即存在,使得,且,,

,即存在,使得,且,,

令,,且,

任取,我们有,即.

例:给定测度空间,函数列,,

,,

,

所以 -,但是在上点态收敛到不成立,

对任何,,,,函数序列在上一致收敛到函数,所以几乎已知收敛到.

几乎处处一致收敛

定义:给定函数列,,如果,,,当,等价于,则称函数序列在上一致收敛到函数,记为.

定义:给定可测函数列,,如果存在集合,使得,且在上一致收敛到,即,则称函数序列在上几乎处处一致收敛(almost sure uniform convergence)到函数,记为.

引理:几乎处处一致收敛是类性质。给定可测函数列,,,,如果,那么.

定义:给定可测函数,如果存在,使得,则称是本性有界(essentially bounded)的,定义的本性上确界(essential supremum)为,

如果,对于,由于,所以,

,我们有:

例:

函数,

,,

时,;

时,.

引理:给定本性有界函数,如果,那么,可以令,我们有,且.

证明:

第一步,对,,

因为如果,那么对任何,,所以,与矛盾;

第二步,,所以.

引理:本性确界是类性质。给定本性有界函数,,那么.

证明:

,即存在,使得,且,,

假设,那么,又,所以,根据本性上确界的定义,;

以上论证中交换和的位置,我们有,所以.

定义:定义,可以看成上的泛函。

引理:是一个线性空间。

证明:

给定本性有界函数,,

(1)证明:

(a). 时,命题成立;

(b). 时,,所以

(2)证明,那么:

,且,

,且,

所以,且.

定义:定义,.

引理:是一个距离函数。

证明:

(1)证明,当且仅当:

令,当且仅当,

如果,所以,

如果,那么,即;

(2)显然;

(3)证明:

令,,那么,

对任何,如果,根据三角不等式,两个不等式和必有一个成立,

所以,

有.

引理:,,当且仅当.

证明:

(1)假设,即存在集合,使得,且在上一致收敛到,即,

,存在,当时,,所以,因此,得证;

(2)假设,即,存在,当时,,有,

对,存在,当时,有,因此,

不妨假设数列严格单调上升,进一步,,其中,.

断言:在上一致收敛到.

证明:,存在,使得,当时,,,因此,得证。

几乎一致收敛

定义:给定可测函数列,,如果对任何,存在集合,使得,且在上一致收敛到,即,则称函数列在上几乎一致收敛到函数.

引理:给定可测函数列,,几乎一致收敛到函数,则.

证明:

假设几乎一致收敛到函数,对任何,存在集合,使得,且在上一致收敛到,因此在上收敛到,

令,在上收敛到,而,

因为,.

例:给定可测函数列,,,则:

(提升:因为)

Egoroff定理:给定几乎处处有限可测函数列,,,,则几乎一致收敛到函数.

证明:

几乎处处有限,不失一般性,假设取值有限,,令,,

,即,,使得当时,,所以

,

,

令,则,即单调下降,

,由测度的下连续性,,

对任何,存在,使得当时,有,

不妨假设严格单调上升,令,有,

对任何,选取,使得,当时,,所以几乎一致收敛到函数.

依测度收敛

定义:给定几乎处处有限可测函数列,,如果对任何,,则称函数列依测度收敛(convergence in measure)到.

例:

给定测度空间,

时,,

时,,,

时,,,,,

当时,,令,,则

(Ⅰ). 对任何,没有极限,因为,;

(Ⅱ). 依测度收敛到,证明:

(a). 时,;

(b). 时,当时,,且,所以;

(Ⅲ). 存在的子列几乎处处收敛到,证明:

选取的子列,

时,,

时,.

记号:

引理:给定几乎处处有限的可测函数列,,如果依测度收敛到,且依测度收敛到,那么.

证明:

依测度收敛到,即对任何,,

依测度收敛到,即对任何,,

对任何,,

令,我们有,所以,得证。

引理:依测度收敛是类性质。给定几乎处处有限的可测函数列,,,,如果依测度收敛到,那么依测度收敛到.

证明:

依测度收敛到,即对任何,,

,即存在,使得,且,,,

,即存在,使得,且,,

令,,且,

任取,

令,我们有,命题得证。

定理:给定几乎处处有限可测函数列,,如果依测度收敛到,则存在子列,使得几乎处处收敛到.

证明:

依测度收敛到,即对任何,,

令,对,选取,存在,当时,,

不妨假设严格单调上升,我们有,那么,因此,即,其中.

断言:,.

证明:任取,存在,使得,当时,,于是.

例:给定可测函数列,,,则:

(提示:因为)

定理:给定几乎处处有限可测函数列,,,如果几乎处处收敛到,那么依测度收敛到.

证明:

几乎处处收敛到,不失一般性,假设取值有限,

,几乎处处收敛到,根据Egoroff定理,几乎一致收敛到,即对任何,存在集合,使得,且在上一致收敛到,我们要证明:

任给,根据几乎一致收敛到,存在集合,使得,且在上一致收敛到,

存在,使得当时,,那么,所以.

Hölder和Minkowski不等式

定义:给定可测函数,且①. 时,;②. 时,。如果,那么.

定义:,,如果,我们称、为共轭指标;特别地,当时,.

当时,我们有:,,.

引理(Young不等式):设为共轭指标,我们有不等式,.

证明:

时,不等式成立;

时,

函数,

函数,

函数的勒让德变换,

时,

(a). ,;

(b). ;

(c). 函数的驻点:

等价于,即,

函数在处取得最大值,,

所以,,不等式得证。

定理(Hölder不等式):给定共轭指标,可测函数,如果,,那么.

证明:

如果,那么,因此,,命题得证;

同理,时,命题得证;

我们还需证明,的情况:

1、时,令,,

根据不等式,,令,因为,所以,

我们有,

令,则

(a). ;

(b). ;

(c). 的驻点:

,等价于,故在处达到最小值,

命题得证;

2、,时(,时同理可证):

,

记,有,

定理(Minkowski不等式):给定,可测函数,如果,,那么.

证明:

时,,那么,命题成立;

同理,时,命题成立;

我们还需证明,的情况:

1、时,,命题得证;

2、时,根据Hölder不等式,

,

,

我们有;

3、的情形已经证明,,

.

空间

给定-有限的测度空间,,是完备的。

定义:设是所有-可测函数构成的集合,在上定义等价关系,,如果,则称与等价,记为.

记.

对,有:

引理:对,是一个线性空间,即:

记号:,

引理:对,是一个范数(norm)。

证明:的情形已证明,只需验证的情形。

1、证明,,那么:

;

2、证明当且仅当:

;

3、证明:就是Minkowski不等式。

定义:定义,.

引理:是一个距离函数。

证明:的情形已证明,只需验证的情形。

1、证明当且仅当:

;

2、显然;

3、证明:

.

定义:给定中函数列及函数,如果,我们称 次平均收敛于,或 次收敛于.

例1:给定测度空间,为勒贝格测度,,对,,函数,则:

例2:给定测度空间,为勒贝格测度,,对,,函数,则:

引理:,给定中函数列及函数,如果 收敛于,那么依测度收敛于.

证明:

任给,

令,根据,我们有,即依测度收敛于.

定义:给定中函数列,如果对任何,存在正整数,使得当时,有,利用逻辑符号写出极限的形式化定义,,则称为柯西列。

引理:给定中函数列及函数,如果 收敛于,那么是柯西列。

证明:

收敛于,即,

对任何,存在正整数,使得当时,有,,

利用三角不等式,,

所以是柯西列。

引理:给定中函数列,如果是柯西列,那么有界,即存在常数,对任何,有.

证明:

取,存在正整数,使得当时,有,

时,,

所以对,.

定理:空间是完备的,即如果是中的柯西列,那么存在,使得.

证明:

假设是中的柯西列,

第一步,构造极限函数:

存在严格单调上升数列,存在集合,,使得对任何,是柯西列,

定义函数,函数列几乎处处收敛到,

对,存在,使得当时,有,

令,存在,使得当时,有,

不妨假设,因此,

所以

,

,

.

断言:对任何,是柯西列。

证明:任取,

存在,使得,

对任何,存在,使得,当时,.

第二步,证明:

根据引理,存在常数,使得对任何,,

根据Fatou引理,

所以;

第三步,证明:

对任何,存在,当时,,

当时,根据Fatou引理,,

所以.

空间中的收敛

定义:给定可测空间上的一簇测度,对任何中的集合列,且单调下降收敛到空集,对任何,存在,使得当时,有,即,我们称在空集处等度连续(equicontinuous)。

定义:给定可测空间上的一簇测度和,对任何,存在,使得对任何,如果,有,我们称关于一致绝对连续(uniformly absolutely continuous)。

例1:给定测度空间,为勒贝格测度,,,,函数,则:

例2:给定测度空间,为勒贝格测度,,,,函数,则:

引理:给定-有限的测度空间,,是完备的,给定中的函数列,定义测度族,,如果存在函数,使得,那么测度族在空集处等度连续。

证明:对任何,我们有不等式,

对中单调下降收敛到空集的集合列,

,

,

所以,即在空集处等度连续。

引理:给定测度空间,,是完备的,给定中的函数列,定义测度族,,如果,且一致可积(uniformly integrable),即,那么测度族在空集处等度连续。

证明:

对中单调下降到空集的集合列,

对任何,存在,使得,

对以上固定,存在,使得当时,,因此

所以在空集处等度连续。

引理:给定可测空间上的一簇测度和,如果在空集处等度连续,且对任何,有,那么关于一致绝对连续。

证明:用反证法,假设关于一致绝对连续不成立,

那么存在,对任何,存在,使得,且存在,使得,

令,,集合列单调下降到集合,

对任何,,所以,再根据对任何,,所以.

我们构造集合列单调下降到空集,时,,与在空集处等度连续矛盾。

定理:给定-有限的测度空间,,是完备的,给定中的函数列,定义测度族,,如果测度族在空集处等度连续,且依测度收敛到,那么 收敛到.

证明:

第一步,是-有限的,即存在单调上升的集合列使得,,那么集合列单调下降到空集,

根据在空集处等度连续,有,

对任何,存在,当时,有;

第二步,证明是柯西列:

对以上和,我们做3个积分估计,

(Ⅰ). 根据不等式,,,

(Ⅱ).

(Ⅲ).

(a).

(b).

在空集处等度连续,且对任何,,根据引理,关于一致绝对连续,

对以上给定,存在,使得对任何,如果,有,

由于依测度收敛到,那么,

存在,当时,,有;

(c). 于是当时,,所以是柯西列;

第三步,证明 收敛到:

是空间中的柯西列,根据的完备性,存在,使得 收敛到,也依测度收敛到,

又依测度收敛到,所以,定理得证。

空间中的有界线性算子

线性变换

定义:是线性空间,即满足线性空间的如下公理:

(1)数乘:,,那么;

(2)加法:,那么.

定义:设是线性空间,如果满足以下条件,则是一个范数:

(1),,那么;

(2)当且仅当;

(3).

是一个赋范线性空间(normed linear space),例如.

定义:如果满足,,那么,则算子称为线性算子(linear operator);如果存在,使得,,则称算子是有界(bounded)的。定义线性算子范数为,则:

空间中的有界线性算子

给定-有限的测度空间,,是完备的。

引理:设,,,定义线性算子,,,那么是一个有界线性算子,且.

证明:

先证明:

根据Hölder不等式,,;

再证明:

令,其中

,因为

,

,

,

所以,

综上,命题得证。

引理(有界线性算子的连续性):给定有界线性算子,和中元素,其中,如果,那么.

证明:

有界,即存在,使得,,.

定理:设,,给定有界线性算子,那么存在函数,使得,即,.

证明:

先假设,

第一步,构造函数,,,其中,则,

(a). 证明是有限可加的:

假设是中互不相交的集合,;

(b). 证明是可数可加的:

已知存在,使得,,

假设是中互不相交的集合,

又根据测度的上连续性(),,

所以;

第二步,证明函数,,:

断言:是-有限的符号测度,实际上是有限符号测度,且.

证明:

对任何,,

因此,则,即,即,

根据Hahn-Jordan定理,存在集合,记,对任何,有

(a). ,;

(b). .

其中、是可测空间上的测度,

对任何,,

对任何,,

所以、是有限测度,记是有限符号测度,

根据Radon-Nikodym定理,存在函数,使得,;

第三步,证明,:

,,所以,

当时,以上公式第二步已经证明,

(Ⅰ). 是简单函数,显然,

设,,,,

,

(Ⅱ). ,,存在非负单调上升的简单函数列使得,

令,,,,,

是简单函数,我们有,

一方面,根据单调收敛定理,,

另一方面,根据控制收敛定理(),,

,

再根据的连续性,,

因此,。

同理,对有类似的结果,,

把的正部负部合起来;

另一种证明方法:

,

,

一方面,,所以,

另一方面,,

所以;

(Ⅲ), 时,,

;

第四步,,

令,其中,是有界函数,所以属于,

,,所以,

再利用单调收敛定理,得;

前四步总结:当时,存在函数,使得,即,.

第五步,是-有限的测度空间,即存在中两两不交集合列,,,

对,存在有限测度空间,,,,

存在函数,,,使得,

,其中,

令,根据积分的线性性,

(Ⅰ). 对任何,,令,,,,;

(Ⅱ). ,时,存在非负单调上升的简单函数列使得,

不妨设,同样满足以上条件,

我们有,

一方面,根据单调收敛定理, 收敛到,再由的连续性,,

另一方面,根据单调收敛定理,,

所以,

同理,我们有,

(后面证明与情形完全相同)所以;

(Ⅲ). 时,,;

(Ⅳ). .

Vitali覆盖引理

定义:给定中区间族,,如果,,,使得,且(其中表示区间的长度),我们称是的一个Vitali覆盖。

Vitali覆盖引理:设,是的一个Vitali覆盖,是闭区间,则存在互不相交的区间,,时,,且,其中是上的勒贝格测度。

证明:

1、可以假定有界,比如,,令,

假设定理对成立,即存在互不相交的区间,,,

可数集合列互不相交,如果,,,所以;

2、令,

断言:是的一个Vitali覆盖。

证明:如果,那么,,,使得,且.

令,

断言:是的一个Vitali覆盖。

证明:对任何,,令,,使得,且,因此.

3、在此条件证明定理,,是的一个Vitali覆盖,是闭区间,:

第一步,时,

(a). 时,定理得证;

(b). 假设,令,由于存在,存在,使得,且,所以,

选取,使得;

时,

(a). 如果,命题得证;

(b). 否则,若,令,由于存在,存在,使得,且,所以,且,

选取,使得,且;

以此类推,我们得到了,

(a). 如果,命题得证;

(b). 否则,,令,由于存在,存在,使得,且,所以,且,

选取,使得,且;

以上步骤在有限步停止,命题得证,

否则我们得到了互不相交的区间列,满足,;

第二步,

断言:由于,所以.

对,令,

Vitali覆盖引理-5区间方法

断言:.

任取,存在闭区间,使得,,,

断言:存在,使得.

证明:如果,那么,,而,与矛盾.

我们选取最小的,满足,,所以,因此,

根据断言,,

所以.

Vitali覆盖引理:设,是的一个Vitali覆盖,则存在互不相交的区间,,时,,且.

备注:也就是说前面引理中的是闭区间这个假设不需要。

证明:令是的闭包,则是的一个Vitali覆盖,

已知,,,使得,且,

那么,,,使得,且,

根据Vitali覆盖引理,则存在互不相交的区间,,,

对,,,所以.

Vitali覆盖引理:,是的一个Vitali覆盖,则存在互不相交的区间,,时,,且;而且对任何,存在,使得.

证明:

由于,所以,

.

有界变差函数的可微性

定义:给定函数,则:

定义:

给定,如果,则在处可微。

显然,,.

定理:给定单调上升函数,则几乎处处可微。

证明:

第一步,只需证明上几乎处处可微,即,令,证明:

是以下八个集合的子集:

,,

,,

,,

,,

令,令,显然,

这里只给出的证明,其它证明类似,

第二步,由于等价于,因此只需证明,令,

给定集合,根据勒贝格测度的正则性,对任何,存在开集,使得,且,

对任何,存在单调下降到的数列,使得,且,

令,

断言:是的一个Vitali覆盖。

利用Vitali覆盖引理,存在中互不相交的闭区间列,使得,

,,不妨设,我们有;

第三步,

开区间,令,

由于,和,所以,

对任何,存在单调下降到的数列,使得,且,

令,

断言:是的一个Vitali覆盖。

利用Vitali覆盖引理,存在中互不相交的闭区间列,使得,

断言:.

证明:因为,所以,.

令,不妨设,由于,且函数单调上升,所以

,

,

,

令,我们有,所以,命题得证。

定理:给定单调上升函数,则几乎处处可微,,且.

证明:

当时,令,定义函数列,则,且,

根据上个定理,对几乎处处,(允许),

对中不可微点,我们定义,所以,且,再根据Fatou引理,

所以几乎处处有限。

定理中严格不等号可能成立,比如,,且.

变差回顾:

是有界闭区间上的实值函数,是的一个分割,即,

定义

,

,

,

其中是关于的变差,我们有,,

回顾,,,,,

定义,,.

定义:是有界闭区间上的实值函数,如果,则称是有界变差。

引理:是有界变差函数,那么

(1);

(2).

证明:

由于是有界变差函数,那么,

对任何,存在分割和,使得

,

,

令,我们有

,

,

所以

,

,

令,我们有,

同理,

,

,

令,我们有.

命题:是有界变差函数,那么几乎处处可微。

证明:,而和关于单调上升,所以几乎处处可微,因此也几乎处处可微。

绝对连续函数

定义:设是有界闭区间上的实值函数,如果对任何,存在,使得对任何中不交开区间族,如果,则,那么我们称在上绝对连续。

显然绝对连续的函数必然是连续的。

设在上连续,对以上的、,对任何固定,当,即或属于,且时,有.

例:函数可积,即,定义函数,,验证是绝对连续函数。

解:根据函数的一致可积性,对任何,存在,使得对任何,如果,则,

特别地,对任何中不交开区间族,如果,那么

引理:设函数可积,即,如果,,那么.

证明:

记,显然对任何区间,,比如,

定义集合类,则

(1)包含上的半代数,;

(2)根据积分的线性性,;

(3)是一个单调类,

(Ⅰ). ,,,,

我们有,,

为控制函数,根据控制收敛定理,;

(Ⅱ). ,,,,

我们有,,

为控制函数,根据控制收敛定理,;

根据单调类定理,,是上的Borel -代数;

(4)已知,即Borel可测集的完备化是勒贝格可测集,

任取,存在Borel集,使得,且,所以,

所以,那么,定理得证。

定理:设函数可积,即,定义函数,,那么几乎处处可微,且.

证明:

第一步,如果定理对非负函数成立,那么定理成立:

,,

定义函数,,,那么、几乎处处可微,且,,又因为,所以几乎处处可微,且;

第二步,对非负函数情形的证明定理:

如果,那么单调上升,所以几乎处处可微,且,,

断言:,.

证明:我们仅需证明,,且如果断言成立,根据引理,,命题就得证。

情形1,有界,即存在,使得,

当时,令,定义函数列,

,,

,所以,,

,根据有界收敛定理和的连续性,

情形2,无界时,即,

对,令,,

定义函数,,

那么,,

若,那么,,,

如果和在处可微,那么

,根据单调收敛定理,.

引理:若函数绝对连续,则是有界变差的。

证明:

函数绝对连续,即对任何,存在,使得对任何中不交开区间族,如果,则,

选取,有固定的,设(其中是取整符号),且,设是区间的一个分割,关于的变差为,

令是区间的一个分割,

记,

我们有,且,命题得证。

引理:若函数绝对连续,且,则是常值函数。

证明:

函数绝对连续,即对任何,存在,使得对任何中不交开区间族,如果,则,

固定,由于连续,只需对,证明,

定义集合,显然,

对任何,由于,存在单调下降到的正数列,使得,且,

令,

断言:是的一个Vitali覆盖。

利用Vitali覆盖引理,存在中互不相交的闭区间列,,使得,因此,

不妨假设,那么根据绝对连续性,,所以

令,我们有,命题得证。

定理:若函数绝对连续,那么几乎处处可微,且导函数勒贝格可积,且,.

证明:

函数绝对连续,则是有界变差的,因此,是单调上升的函数,几乎处处可微,且,即几乎处处可微,

,因此可积,同理,可积,进而可积,

令,,那么根据定理,绝对连续,且,,

令,绝对连续,且,,

根据引理,为常值函数,,所以,即,,定理得证。

分布函数的分解

是Borel集,设测度族,对应分布函数为,,则:

如果,,

如果,.

备注:条件可以去掉,但是为了记号方便,我们使用该假设。

若没有此假设,我们记

.

引理:

(1),;

证明:根据测度的连续性,

,

.

(2)单调上升;

证明:时,.

(3)右连续,左极限存在,记为,且.

证明:根据测度的连续性,

,

.

定理:设函数族,则与一一对应。

证明:这里只给出思路。

一方面,给定,我们得到唯一的,

另一方面,给定,我们得到唯一的,

半代数,

定义函数,如下:

验证在上是可数可加的,则可以根据卡拉西奥多里定理把扩张到上,且保持可数可加性。

定义:给定,如果,,那么称是关于的原子(atom)。

引理:给定,令,那么是可数的:

对,令,那么;

对,,令,那么,

我们有是有限集,所以、是可数集。

证明:

假设中有个点,那么,所以,即是有限集。

定义:给定,如果存在可数集,权重,且对任何,,使得,,则称是离散的。

例:,定义狄拉克测度,,那么,,.

定义:给定,如果存在可数集,权重,且对任何,,使得,,则称为跳函数(jump function)。

引理:是离散测度,当且仅当是跳函数。

证明:

一方面,假设是离散测度,即存在可数集,权重,且对任何,,使得,,所以,,是跳函数,

另一方面,假设是跳函数,即存在可数集,权重,且对任何,,使得,,

定义离散测度,,,我们有,

因此与在上相同,根据测度扩张的唯一性,,定理得证。

引理:,则可以唯一分解为,其中是离散测度,没有原子,即,.

证明:

由于,令,那么是可数的,

,,且对任何,,

存在性的证明:

定义离散测度,,所以,

定义测度,,,

其中没有原子:

唯一性的证明:

设,其中、是离散测度,、没有原子,

时,,

时,,所以,

因此,,且.

引理:没有原子,当且仅当是连续函数。

证明:

1、假设没有原子,

已知右连续,左极限存在,且,,

对任何,,所以在处连续,即是连续函数;

2、假设是连续的,

对任何,,即没有原子。

,对应测度,其中是离散测度,没有原子,

对应跳函数,对应连续函数,

对任何,,所以.

引理:关于勒贝格测度绝对连续,当且仅当是绝对连续的。

其中绝对连续,表示对任何区间,满足绝对连续条件。

证明:

一方面,已知,根据Radon-Nikodym定理,存在函数,使得,,

那么,即有不定积分形式,所以绝对连续;

另一方面,已知绝对连续,那么根据牛顿-莱布尼茨公式,,,

那么,

在上定义测度,满足,,

因此与在上相同,根据测度扩张的唯一性,,关于绝对连续,定理得证。

定义:,如果连续,且,那么称是奇异(singular)的。

引理:是非原子的,且关于勒贝格测度奇异,当且仅当是奇异的。

证明:

一方面,已知是非原子的,且关于勒贝格测度奇异,

是非原子的,则是连续的,

是关于勒贝格测度奇异,即存在,使得,且,

单调上升,所以存在,且,

在上定义测度,满足,,

由于,,可以证明在上成立,

再根据单调类定理,可以证明在上成立,

断言:.

证明:,,因此.

因此,所以是奇异的;

另一方面,已知是奇异的,

连续,则是非原子的,根据Radon-Nikodym定理,,,,

断言:.

证明:

由于,存在函数,使得,,

对任何,定义函数,满足,

,

,

从而,即,

又因为奇异,有,所以,

因此,且关于奇异。

引理:连续,则,其中绝对连续,奇异。

证明:

连续,则是非原子的,根据Radon-Nikodym定理,,,,

对应绝对连续函数,使得,和奇异函数,使得,

对任何,,

所以.

定理:,则,其中是跳函数,绝对连续,奇异。