一、集合与运算

1. 集合

常用的集合有:-自然数集、-整数集、-有理数集、-实数集、-复数集、-空集。

常用的集合符号:

集合运算法则:

集合族:写作,可以看作是集合的集合,里面的每个都是一个集合,其中为指标(下标)、为指标集。

集合族的运算符号:

集合族的运算法则:

集合列:写作。若满足则称为升列;若满足则称为降列;升列和降列合称为单调列

比如:,即是从的开区间,则是升列。再比如是降列、是升列。

集合列的极限:

(1)上极限

因为是降列,它越来越小,再取交集就是取最小的那个,即时的集合。(下极限同理)

(2)下极限

换句话说,

上极限就是:属于集合列中无限多个集合的元素的全体组成的集合就是集合列的上极限(或叫上限集);

下极限就是:除去集合列中有限多个集合外,被其余集合均包含的元素的全体组成的集合就是集合列的下极限(或叫下限集)。

若上极限等于下极限,则集合收敛:.

2. 序列的极限

序列:记作

序列的极限的定义:对于任意,存在一个,对所有,有

特别地,序列发散时,

聚点的定义:是序列的一个聚点对于任意以及任意,存在一个,使得

该定义等价于:存在一个收敛于的子列.

比如:,它有两个聚点

对于扩充的实数集也可以是序列的聚点。

对于所有实数,我们定义(当时)、(当时),且设,并且约定

注意:无定义。

集合的上(下)界、上(下)确界(设):

上确界()与最大元()、下确界()与最小元()的区别:对于,但没有定义。

实数集的完备性公理:每个具有上(下)界的实数集必有上(下)确界。

序列的上、下极限:

上、下极限的性质

集合特征函数.

对于集合列,有(1);(2)

证明:设对任意,若,则存在)使得,故,从而

,则,使得当时,,故(当时),从而.

同理可证.

函数在某一点附近的上、下极限:

3. 映射(函数)

映射:对于非空集合,映射指对于任何的存在唯一的与之对应。

映射符号:,比如,这种记法可以方便看出有多少个子集。

例1:比如,则,这里(即),集合列可以看作是自然数集到的映射。

例2:集合的子集的并运算是一个上的函数,即,且。(这里叉乘的含义,且的顺序不能调换,它是一个有序对)。

例3:是自然数集的有限子集,定义映射中元素的个数,我们把这样的映射(或称为函数)称为计数函数。

对于映射,有:

一些常见的映射:

命题:如果都有逆映射,则也有逆映射,且.

对于映射,以及集合,有以下结论:、

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)若,则

(6)

4. 集合的势

势的定义

对等关系(等价关系):如果存在一个从集合到集合的一一满映射(又称双射),则称对等,记作

对等关系满足:

满足自反性、对称性、传递性的二元关系都称为等价关系。

比如矩阵的相似、合同,都是等价关系。

再比如,即自然数集和整数集也是对等的,因为存在双射).

集合的势:如果集合满足,就称有相同的基数),记为。如果是一个含有个元素的有限集,则记.

如果有一个从的一一映射(不一定要求是满射),则有。(直观上的理解就是的元素个数有可能会小于,但对于无穷集,则不可以这样理解)

如果,则约定.

定理:对于任意两个势,关系式中有且仅有一式成立。(证明需要集合论的Zorn公理)

推论:若,则.

自然数集的势记为(阿列夫(Aleph)零),即实数集的势记为.

自然数集的势

可列集可数集)的定义:与自然数集对等的集合。(即可列集的势都是

部分教材把有限个元素构成的集合称为可数集,无限个元素构成的集合称为无限可数集;但这里我们将前者称为有限集,后者称为可列集或可数集。

是一个可列集,则有一一对应关系,于是即可按顺序排成一序列。

定理:任何无穷集合都包含一个可列子集。(因此可列集是势最小的无穷集合)

证明:设是一个无穷集合,任取,则仍是无穷集,再任取,则仍是无穷集(),依此类推,假设已取出个互不相同的元素,则仍是无穷集,从而可取,由归纳法,可以从中取出互不相同的元素排成序列的可列子集。

定理:可列集合的无穷子集仍是可列的。

证明:设是一个可列集合,的无穷子集,根据前一定理可知,含有可列子集,于是有,且由于,因此,所以,即是一个可列集合。

定理:可列集与有限集(或可列集)的并集仍是可列集。

定理:可数个有限集或可列集的并仍是可列集。

比如:设是一列有限集或可列集,令(可列集)或(有限集),则中的元素可用多种不同方法排成序列,比如,即排在第位,这种排列方法用图表示就是

集合与运算-集合的势-01

定理:有限个可列集的直积仍是可列集,即是可列集也是可列集。

证明:设是可列集,这里只证明也是可列集,然后用归纳法推出任意有限个可列集的直积仍是可列集。,注意到,即可列,根据前一定理(有限个可列集的并集仍是可列集)可知,是可列集。(自行用归纳法推广到任意有限个的情况)

(注意到直积是一个有序对,它元素个数恰好等于原来的两个集合的元素个数相乘,由此可以得出后面直积后的势的运算公式)

例1:有理数集是可列集,因为每个有理数都可以表示成分数的形式,即,其中互质,这是一个满射,所以(前面例题已证明),又由(即)可知.

例2:由有限个自然数构成的有序数组的全体构成的集合是可列的,因为,而是由个自然数构成的有序数组的全体,所以,根据前面的定理知,的并仍是可列的。

例3:有理系数多项式的全体是可列集,因为个有理系数唯一决定,所以有理系数多项式的全体与有限个有理数构成的有序数组的全体对等,而这个有序数组和例2一样是可列集。

通过以上三个定理可以得出一些关于阿列夫零()的运算法则

势的运算(设):

定理:若是无限集,是可数集,则.

定理:集合是无限集的充分必要条件是:与其自身的一个真子集对等。

实数集的势

首先,,因为存在映射,且是一一满映射,故.

其次,通过一一映射可知,,故(直观上可以理解为自然数集是实数集的子集)。

定理:区间不是可列集。

证明:用反证法,证明不存在的一一满映射。

不妨考虑区间,假设存在用一一满映射,则可唯一表示为十进位小数,即,其中,上式可能从某位开始全为9,但不允许从某位开始全为0(否则就无法唯一表示了),比如等;根据这样的,我们再规定,若则取,若则取,于是就得到了,因为这是一个一一满映射,故对这个存在一个使得,即,即要求,这显然与的构造方式矛盾,所以不存在一一满映射,故区间不是可列集。

定理,即,也就是说,自然数集的所有子集所构成的集合与对等。

证明:思路是先证明,再证明,从而得出.(参考前面关于势的大小的定义)

由于对等(因为元素个数相同),且也是对等的,为方便起见,取。对于任意的,作映射,即有一一映射,由于的取值只有0或1,所以这个不是满映射(比如一定无法取到1),于是有(映射左端与对等,右端与对等,但不是满映射,故中间用小于等于号)

另一方面,任意有唯一2进制小数表示(要求必须含有无穷多个1,否则无法唯一表示)(其中,比如,因为),即可以构造映射(其中,且观察2进制的形式可知,的小数位置恰好可以由数列唯一表示),即是一个一一映射(可以进一步分析是否为满映射,但这里只需要证明即可,只需要一一映射的结论),于是.

定理(无最大基数(势)定理):若是非空集合,则集合与其幂集不对等。

证明:先看一个简单的情况,当,即只有一个元素时,,显然不存在从的一一满映射。

用反证法证明,假设存在一一满映射,构造集合,也就是说,且(即一定存在,不会为空集,反证法证明,),我们将证明不存在使得.

,由的定义可知,;若,由的定义可知,,矛盾,所以不存在一一满映射,即不对等。

定义:,即,且.

该定义结合前面的无最大基数定理,说明了可以这样一直构造更大的势,故不存在最大的势。

连续统假设:不存在集合满足.

目前在已有的集合论公理中,既不能证明连续统假设成立,也不能证明它不成立。

该假设意味着不存在介于之间的势。

5. n维欧氏空间

定义:n维向量空间(线性空间)记作,它满足(设):

三角不等式的证明用到了Cauchy-Schwarz不等式:,该不等式证明过程如下:

定义非负函数,根据正定性可知该二次函数,故根判别式.

三角不等式的证明:.

定义:之间的距离记作),它满足:

  1. 正定性:
  2. 对称性:
  3. 三角不等式:

定义:设,定义,即以为中心,以为半径的,也称作球邻域,也记作。又设,若存在,使得,则称有界点集。(注意是不含边界的,

定义:设,则:

根据以上定义,有如下结论:①内点都是聚点,即;②;③其中的点称为外点

.

简单地说,Ⅰ.孤立点就是散落在外面的点,比如,那么就是的孤立点;Ⅱ..

并有如下运算:

定理

6. 开集和闭集、集合的代数

定义:开集来表示,是开集(即开集每个点都是内点)

开区间是开集,我们规定空集和实数集既是开集也是闭集。

命题:若是开集,那么也是开集。

证明:思路是对任意的,证明存在一个的球邻域包含于,令,则.

命题:任意有限个开集的交是开集。

但是无限个开集的交不一定是开集,比如,则.

命题:任意开集族的并是开集。

证明:,其中是开集,.

定义:闭集来表示,是闭集.

闭区间是闭集,闭球是闭集;若是开集,则是闭集;若是闭集,则是开集。

命题:任意有限闭集的并集是闭集。任意多个(包括有限个、可数个)闭集的交集还是闭集。

第一部分的证明:设是两个闭集,由可知是闭集,利用归纳法可得任意有限个闭集的并仍是闭集。

第二部分的证明:设是一个闭集族,记,由此可得,又有,故.

无限个闭集的并不一定是闭集,比如,则.

定义:由的子集构成的集合族(即)若满足以下三个条件:

(1)若,则

(2)若,则

(3)若,则

则称为一个集合的代数布尔代数。(实际上利用德摩根法则可以由1、2推出3,或者由2、3推出1)

命题:给定子集的任何集合族,存在包含最小代数;即存在一个代数包含且对每一个包含的代数,都有包含。包含的最小代数称为由生成的代数。

比如,设,则由生成的代数为,因为对作补集是,根据条件二要对补集运算封闭,生成的代数必须包含,根据条件一和条件三并集和交集也要包含在这个代数内,这时再验证生成的代数中的4个元素就都满足前面三个条件了。

命题:令的子集的代数,且中的一个集合序列,那么存在中的集合序列,满足),.

证明提示:令.

定义:若集合代数中的每个可数集合族的并集仍属于(数学表示为,若,则),则称代数博雷尔(Borel)域。根据德摩根法则,每个可数集合族的交集仍属于.

代数与普通代数的区别在于它可以作可数次运算。代数关于可数集合族的交并,以及集合列的上下极限都是封闭的。

命题:给定子集的任何集合族,存在包含最小代数;即存在一个代数包含且对每一个包含代数,都有。包含的最小代数称为由生成的代数。

代数总是存在的,比如(最大的代数),(最小的代数),这两个代数称为平凡代数。

定义:可数个闭集的并集记作(型)集;可数个开集的交集记作(型)集

集的补集是集,集的补集是集。

定义:由中一切开集构成的开集族所生成的代数称为Borel 代数,记为中的元素称为Borel集

开集、闭集、集、集都是Borel集。Borel集合族的可列交、可列并、上下极限构成的集合也是Borel集。

由于开集的补集是闭集,Borel 代数包含了一切开集也就同时包含了所有闭集(因为代数要求对补集运算封闭),其他同理。

7. 开集的结构、连续性定理

定理(实数集开集的结构):实数集的每个开集都是可数个不交开区间的并集。(这里的可数包括有限个的可数和无限个的可数)

证明:设中的一个非空开集,对任意的的内点,所以必有使,这样就找到中一个包含的开区间,我们要让这个开区间尽可能大,即,令,取的上确界的下确界,这样我们就找到中包含的最大开区间.

,我们有假设,这时显然不是上确界,假设不成立;的证明同理。也就是说如果找到一个包含的最大开区间,那么这个开区间的端点一定.

再考虑开区间族,也就是说,可以被表示成开区间族的并集。再证明该开区间族的开区间两两不交:假设有公共点,则必须有,用同样的方法可以证明,也即,所以中不同的开区间不交。最后再证明该开区间可数:因为该开区间族两两不交,每个开区间都包含一个有理数(阿基米德公理,可由完备性公理推出),我们可以建立该开区间族与有理数的一个子集的一一对应,所以它是一个可数集合族。

开集的例子:

闭集的例子:

推论:闭集是从中挖去至多可数个互不相交的开区间的集合。若是有界闭集,则是从一个闭区间中挖去至多可数个互不相交的开区间后所得的集合。

Cantor集:将区间三等分,并移去之间的那个开区间,存留部分记为,即,这是2个长度为的区间,再将中的区间都三等分,并都移去中间的那个开区间,存留部分记为,即,这是4个长度为的区间,依此类推,个长度为的互不相交的闭区间的并集,将每个闭区间三等分并移去中间的开区间,剩余的部分记为,那么Cantor集,如下表:

Cantor集 挖去的开区间
个长度为的闭区间的并集,总长度为 共挖去个长度为的开区间,共挖去总长度为

Cantor集的性质

定理中任意非空开集可表示为至多可数个互不相交的维半开矩体的并集。

半开矩体:,各边长为,比如二维的情况下就是一个矩形区域,且有两条边是开的。

定义(开集与函数的连续性):设是定义在上的实值函数,,则连续)。若上每一点都连续,则称上连续。

定理:设上的实值函数,则以下条件互相等价:

(1)上连续;

(2)是开集;

(3)是闭集;

证明:显然(2)与(3)是等价的,这里只证明(1)与(2)等价。

已知上连续,设,我们要证明是开集(的情况同理)。对任意的(因为时的的左边且取不到,就是说有一定距离,设这个距离),对于给定的,因为连续,所以,也就是说,存在,使得当,有,即,故的每一点都是内点,从而它是开集。(这里的用的符号与前面连续的定义不同,但意思是一样的,连续给定),证明开集是思路是找球邻域)

已知是开集,对于任意的,我们要证明连续。对任意的是开集(因为两个开集的交集仍是开集,这两个是开集是因为条件),且,故存在,使得),也即),所以连续。

命题上的连续函数对每个开集,集合是开的。(指逆像)

证明:必要性():设(即设是连续函数),根据定义有(指无关),,即以为中心以为半径的球邻域),对于任意一个开集,令,则,即(对任意,存在的一个球邻域,所以是开集)

充分性():是一个开集,因为是开集,且,则存在一个球邻域,即,也即,故连续,由的任意性知.

定义:设,若对于任意的,总存在,使得当,有,就称在点连续,的连续点。处处连续,就称上连续。全体上连续函数的集合记为.

定义:设,如果存在开集(闭集),使得,则称相对于是开集(闭集)。

比如,区间相对于是开集,因为相对于是闭集,因为

命题:设,则:

(1)均相对于是开集

(2)均相对于是闭集

柯西收敛定理(n维点集连续性的基本定理):序列收敛的充要条件是.

证明:由可知,(其中是常数),故,因此维的柯西收敛定理就等价于一维的柯西收敛定理,根据一维的柯西收敛定理

定义:设的子集族,若,则称是集的一个覆盖;当是开集族时,称是集开覆盖;当是有限族时,称是集有限覆盖;若也是的子集族(是另外一个子集族,与无关),,当也是集合的覆盖时,称子覆盖

有限覆盖定理:若是有界闭集的开覆盖,则可以从中取出有限子覆盖。

证明:集合与运算-开集的结构-有限覆盖定理-01

考虑时的情况,如上图,用反证法。设不存在有限子覆盖,因为有界,则存在一个方体,使得,将等分成个边长减半的小方体,那么其中必有一个小方体(记作)满足不被中有限个集所覆盖;再将等分成个边长减半的小方体,其中也必有一个(记作)满足不被中有限个集所覆盖,依此类推,可以得到一个方体的降列,使得每个不被中有限个集所覆盖,因此我们有,这里的表示集合的直径),任取),则当时,,即为柯西列,根据前面的柯西收敛定理及是闭集,有;存在,使,因为是开集,所以存在,使得,又因为,故当充分大时,(因为球邻域的半径是固定的,一定比一个直径趋于零的区域大),这与不被中有限个集覆盖矛盾,证毕。

闭区间套定理:设中的非空有界闭集列,满足,则.

证明:用反证法。假设,由德摩根律知,从而是有界闭集的一个开覆盖,由有限覆盖定理知,存在一个有限子覆盖(注意这里取了补集),使得(因为是降列,详见有限覆盖定理的证明部分),这与矛盾,因此有.

波尔查诺-威尔斯特拉斯极限点定理中任意有界无限点集必有一个聚点,即。该定理也可以等价表述为,中有界无限序列必有收敛子列。

证明:用反证法。取中的一个无限可列子集,令),显然,假设,则有),所以是有界闭集,由闭区间套定理可知,,显然矛盾,所以.

以上四个定理再加上用来证明柯西收敛定理的一维柯西收敛定理是相互等价的,可以相互证明,比如用波尔查诺-威尔斯特拉斯极限点定理来证明柯西列收敛:设是柯西列,则对任意,有,显然有界,则由定理知,它必有一收敛子列,当充分大时,有,令,有,即得

定义:若集合的任意一个开覆盖均包含有限子覆盖,就称紧集

定理:设,若的任一开覆盖都包含有限子覆盖,则是有界闭集。(即,中的紧集=有界闭集)

证明:设(其中无关),的一个开覆盖,由题设,存在一个有限子覆盖,即有界。另外,记,我们有,这说明,即是闭集。

8. 补充:关于度量空间的一些话题

本节讨论如果定义一个新的度量空间,以及相关的距离、球邻域、内点、外点、聚点、开集、闭集、完备性、紧致性、有界性等如何得出。

前面所说的空间需要对加法和数乘封闭,但是一般意义上的空间是指,由某种特定的对象全体所构成的集合。

例如:由所有维向量构成的线性空间、由所有的矩阵构成的矩阵空间等。

本节讨论的是度量空间。

对于空间,可以定义距离函数,且,满足如下性质:

(1)正定性:

(2)对称性:

(3)三角不等式:

我们称度量空间

只要满足以上三个条件都可以称为距离。

常见的几种度量

定义(依度量收敛):).

因此,的内点、外点、聚点、开集、闭集等都与度量有关。

是否为开集依赖于选取的度量,比如,在度量空间上不是开集,因为;但是在度量空间上是开集,因为

是否为开集也依赖于环绕空间,比如,在(相对于)度量空间不是开集(画图后可知,轴,而轴上这一段,内任意取一点画球邻域,球邻域内都会有部分点在外面,故不是开集);但是在度量空间是开集(因为空间被限制在,也就是轴上了,在上以任意点为中心作开区间是开集)。

定义:度量空间完备的,当且仅当中的每一个柯西列在中都是收敛的。(也就是说,完备,则是闭集)

比如,不是完备的(因为柯西列有可能会收敛到一个无理数),而是完备的。

定义:度量空间紧(致)的,当且仅当中的每一个序列都有收敛子列。(也就是说,紧致,则是一个紧集)

比如,不是紧致的,因为无收敛子列。

这里的”每一个序列都有收敛子列“与紧集的定义”的每一个开覆盖都有一个有限子覆盖“在度量空间中是等价的(在拓扑空间中则未必等价)

在部分度量中,比如中,紧集有界闭集,但是在一些度量中则未必,只能得出紧集有界闭集。

完备性、紧致性、有界性与度量有关,但是与环绕空间无关。

9. 补充:关于自然数、整数、有理数和实数的一些话题

本节讨论自然数、整数、有理数和实数是如何构造出来的。

构造自然数集合需要:增量运算(即编程中自增运算)、皮亚诺公理。

公理1:0是一个自然数。

公理2:如果是一个自然数,那么也是一个自然数。

引入记号:,这样就可以证明3是一个自然数。

公理3:0不紧跟在任何自然数之后。(防止绕回0,且这样就可以证明4不等于0)

公理4:若是两个不同的自然数,则.(①防止绕回之前的某个自然数;②防止有”天花板“;这样就可以证明6不等于3)

公理5(数学归纳法原理):令表示自然数的任意一个性质,如果为真且为真时,必有为真,那么对所有的为真。

因为像集合也满足公理1-4,所以需要公理5.

由增量运算可定义(自然数)的加法+:对定义,归纳的假设已定义,那么我们定义.

这种定义方式称递归的定义方式。

由加法可引入的概念:(1)(或;(2)(或

由加法可定义乘法×:对定义,归纳的假设已定义,那么我们定义

由乘法可定义指数:对定义),归纳的假设已定义,那么我们定义

利用自然数集合定义整数集合:要用两个自然数去定义一个整数,,则整数表示为(这里的不能称为减法,因为我们还没有定义减法,这只是一种表示方式),这样定义要满足,然后我们就可以定义整数的加法、减法、负数、绝对值、减法等。

利用整数集合定义有理数集合:用两个整数去定义一个有理数,),则有理数表示为,这样定义要满足,然后我们可以定义有理数的加法、乘法、减法、除法、倒数等。

有理数集合是有”间隙“的,比如的解不是有理数,可以用反证法证明:假设解是有理数,根据高数中有理数的定义,可以表示为互质),则是偶数那么也是偶数),则是一个偶数,可以写成,那么都是偶数,与互质的条件矛盾。

如何计算:设,其中是一个小量,,再设,即,则,再设,即,依此类推。(或者用数值计算中的Newton法:

利用有理数集合定义实数集合:用有理数柯西列去定义一个实数,(其中是有理数的柯西列),且

10. 补充:有序集与Zorn公理,势的序关系

对于集合,我们引入一个(序)关系,即对任意要么为真,要么为假(即使为假,也不代表有)。序关系是一个二元关系,它满足:

(1)自反性:

(2)反对称性:若,则

(3)传递性:若,则

为了方便表示,再引入如下记号:若,且,则

定义:我们称(偏)序空间,若被赋予了关系,则称是一个偏序集

比如,是一个偏序空间,它满足前面的三个性质(1)对所有(如),有;(2)对,若,则;(3)对于,若,则

再比如,(对于,也就是说如果的因子,那么要排在前面)都是偏序空间。

定义:设是一个偏序空间,如果对任意,我们有,则称全序空间全序集

偏序集的“偏”是指有部分元素不能进行比较,而全序集全部元素都可以进行比较。

比如,都是全序空间。

定义:如果是一个偏序空间,则称的任意一个子集有序子集,如果是全序空间,则称全序子集;如果中不存在真包含的全序子集,则称的一个最大全序子集

比如,的一个最大全序子集;也是的一个最大全序子集;而的全序子集,但并非最大,因为

Zorn公理:每个偏序集都有最大全序子集。

定义:设是偏序集,是全序子集:(1)若满足),则称的一个上界;(2)若满足),则称最大元;(3)若对所有中能与比较顺序的元都有,则称的一个极大元

比如,,则是一个偏序空间,而的一个全序子集,的一个上界,同时也是的最大元,但没有最大元,也是的一个上界,同时也是的一个极大元,也是的一个极大元。

Zorn引理:设是一个非空偏序集,若的每个全序子集在中都有界,则必有极大元。

证明:由Zorn公理,有一个最大全序子集,根据假设,有上界,现证明的极大元(用反证法):若不是的极大元,则存在使得,于是的一个全序子集且真包含,与是最大全序子集矛盾,证毕。

选择公理:设是一个集合(指标集),且对每个,集合非空,则集合也非空。换而言之,存在一个选择函数,对每一个都指定了一个元素

选择公理与Zorn公理等价,可以相互推出,Zorn引理也可以由选择公理推出。(证明略)

定义:设是一个集合,若满足当时,都有,则称单调映射

引理上的单调映射有不动点。

不动点即,其中是集合中的一个元素,是一个映射。

证明:令,现证明,则

定义:设是一一映射,若(即在是相同的映射,且的定义域和值域都),则称上的延拓上的限制。(如下图)

集合与运算-势的序关系-延拓与限制-01

势的序关系中有且仅有一个成立。

势是通过一一满映射定义的,要比较两个集合的势,就要找到一个的一一满映射,但是这个一一满映射不一定存在,我们考虑以下情况:

证明思路:我们要做的是,对任意,考虑所有从的一一映射,一直扩大,直至从中找出满足时的一一映射,这样就可以证明中必有一个成立,再由,得出中有且仅有一个成立。(见下面两个定理的证明,顺序有调换)

定理是两个集合,若,则有

证明:是一一映射(不一定满),是一一映射(不一定满),我们的目的是找一个的一一满映射。

集合与运算-势的序关系-01

利用构造的思路是,将分成两部分,其中可以通过映射到,而可以通过映射到,如上图。我们要找满足,即,定义,如下图

集合与运算-势的序关系-02

则,,即,也就是说是单调映射,因此),(即存在一个不动点集),故是一一满映射,是一一满映射,故也是一一满映射,

定理:设,则必有且仅有一个成立。

证明:只需证明中至少有一个成立即可(见前面的证明思路)。考虑集合族,我们要找一个定义域尽量大或者值域尽量大的,即。先证明不是开集:对,令,取,则有。对,若的延拓,则称是一个偏序空间,对于任意的一个的全序子集,如下图

集合与运算-势的序关系-03

像这样一直扩大,然后可以通过并集构造极大组,,对任意,令,显然,是每个上的延拓,,且是上界,由Zorn引理可知,有极大元,且是一一满映射(因为的定义),其中,故。现证明不能同时成立,用反证法,若有,则令,即的一一满映射,,与是一个极大元矛盾,所以有两种可能:),或

二、勒贝格(Lebesgue)测度

1. Lebesgue外测度

我们希望对于一个可以指定一个非负实数,即,对于的长度/面积/体积等,统称为测度。比如:.

我们希望这样的测度(其中是指非负实数)可以满足如下条件:

(1)对于矩体

(2)可列可加性:若是互不相交集合列,则有

(3)平移不变性:

其中在部分教材中写作,在二维平面中就是区域沿着向量的方向和长度作平移,比如.

这些都是在平面或三维空间中对图形的一些基本要求,但是这样的测度并不能对每一个都存在,如果想对每个都有测度,可以适当地降低前面的要求,比如说把(2)改为,这样就可以得出其他的测度,但是如果这样改,以后就无法定义类似积分的东西了(因为黎曼和要求每个小区域面积累加后等于总区域面积,但这样定义的测度不满足)。

本章讨论的Lebesgue外测度不具备可列可加性,但是添加了条件的Lebesgue测度可以具有可列可加性。

定义:对中的开矩体,定义这个开矩体的体积.(是边长,所以体积非负)

定义:设,若中一列开矩体,且是的一个覆盖,那么它确定了一个非负实数(可以是,则,称为集合的Lebesgue外测度,简称外测度

定理中的点集的外测度具有以下性质:

(1)非负性:

(2)单调性:若,则

(3)次可加性:;(可以相交)

(4)平移不变性:),其中

证明:(1)可由定义直接得出。(2)的证明:当时,的任一开矩列覆盖也是的一个覆盖,由外测度的定义可得(2)。

(3)的证明:不妨设,对于任意的,存在的一个开矩列覆盖,使得,且(即只需加一个任意小的数就能比大,也就是说只比大一点点),由此可见,也就是说的一个开覆盖,故,由的任意性可得(3)。

(4)的证明:因为矩体在平移下体积不变,故对任意的矩体,有,于是对的任意覆盖,经平移后的一个覆盖,从而,根据的外测度定义得,;反之,考虑将集合作平移,可得点集,因而有;故,得证。

例1:单点集和可数点集的外测度为0,即.(比如有理数集是可列集,所以外测度是

例2:考虑维超平面矩体,则有。比如在轴上的区间这条线段,若用一个矩形覆盖,那么由于矩形高度趋于零,所以矩形面积也趋于零。

例3:中的Cantor集的外测度是零,因为,其中个长度为的闭区间的并集,所以,令,则.

注意:外测度没有(有限)可加性,也没有可列可加性。若有(有限)可加性(对任意互不相交的点集,有),则可以推出可列可加性(),推导过程:,又(次可加性),,然而外测度不具备(可列)可加性,下面通过举例说明:

对任意的,定义,易知,且有(有理数的差仍是有理数),也就是说要么不相交,要么相等(如),这样就可以把分解成一些互不相交的的并集,根据选择公理,可以对每一个从中任意选取一个点构成一个集合,则,另外再定义一个集合中的有理数全体(即),根据这两个集合可以定义,它是的平移,因此有,易知,若(反证法,假设,则,即,也就是说,由于是由互不相交的点构成的,所以不可能等于,矛盾),同时又可以验证(证明:,令,存在一个使得,且,也就是说存在一个使得,代入得),于是我们有,且互不相交,且都是的平移,如果外测度有可列可加性,则,且,因为是平移),也就是说显然不可能小于等于。类似的,可证外测度无有限可加性。

命题:对于任意的开矩体,总有。(的闭包,即把边界也计算进去)

很显然,但严格证明要用有限覆盖定理。

2. Lebesgue可测集

定义:对于某些集合,外测度不具备可加性,我们把这些集合排除在外,称为不可测集,剩下的集合称为可测集。用数学语言描述就是,设,若,有,则称是Lebesgue可测集,简称可测集。可测集的全体记为,称为可测类。当时,称为测度,简记为.

可测集的定义中,任意的不好选取,因此有与之等价的定义:对任意的矩体,虽然这个等价定义简化了,但是实际上依然无法操作,一般只用作证明。

可测集等价定义的证明:对任意的,存在可列矩体列,使得,则,即

,令,得,又因为可以写成,故.

定理:若,则,即外测度是的集合是可测集。

证明:由可得.

定理中的开矩体.(开矩体是可测集)(实际上半开半闭矩体也是可测集,但这里没有证明)

证明:只需验证对于每一个开矩体。由于仍是开矩体,于是有(前面的命题已说明),而对于,有是一个半开半闭的矩体,结论和前面的命题相同,严格的证明自行查书),所以.

定理:可测集的性质

(1)

(2)若,则

(3)若,则

(4)可列可加性,若,则;若还有),则,

这个定理告诉我们,可测集类关于(可列)交、(可列)并和补的运算是封闭的,即是一个代数,根据前面的定理(中任意非空开集可表示为至多可数个互不相交的维半开矩体的并集,开矩体是可测集、半开半闭矩体也是可测集、可测集性质)知,由开集生成的Borel代数,即Borel集是Lebesgue可测集。

(1)(2)显然成立,现证明(3)。只需证明是可测集,其他两个可以由德摩根法则和得出。对任意的点集

勒贝格测度-可测集-01

,故.(实际上可列个的情况下性质(3)也成立)

(4)的证明:设集合是一列互不相交的可测集,由的可测性,对任意点集,有

再引入记号,则根据前面的结论可知

结合次可加性,所以,再令,得.

前面假设之间互不相交有性质4,而我们可以通过如下方法构造一组互不相交的集合:对于一般的可测集,令),这样构造出来的就是互不相交的,且,所以即使是相交的可测集,它们的并仍是可测集。

推论:若,则.

性质(4)通过德摩根法则可直接得出。

定理:若有递增可测集列,则,且.

证明:,我们有(规定),是互不相交的可测集列,由于互不相交,,故,由测度的可列可加性,.

推论:若是递减可测集列,且,则.

证明:令,则是一列递增的可测集列,由前面的定理知,且,因此,其中要求是为了避免出现的情况。

定理:若,则.

证明:易知,且对任意,易知,因此

因此.

定理:对任意的,存在Borel集,使得.

证明:首先设,则对任意的,存在开矩体列(其中),满足(其中是一个很小的量,表示开矩体列的测度无限接近),令,则是开集,且,考虑到之间有可能相交,于是有,故,令,则型Borel集,且(因为,即每个都包含,取交集后仍包含),由,可知,即,这样就找到了,接下来找。如果有界,则存在闭矩体,记,由前面证明可知,存在型集,满足,令,则型Borel集,且(画图就知道了),故,又有,即得.

前面只证明了有界的情况,如果无界,则存在递增开矩体列,使得,令,因为递增,所以是递增可测集列,且由于每个都有界,所以也有界,于是,对任意的,存在Borel集,使得,令,则都是Borel集,且,因为,而(前面已证明过,这里类似),,同理(也就是说可测集和Borel集相差一个零测集),所以.

3. 测度空间

前面通过开矩体的覆盖定义了外测度,然后通过外测度定义了测度,但是对于一般的空间也有测度,而且可以不通过开矩体来定义,这里用前面可测集的性质为基本假设来引入抽象的测度。

定义:设为非空集,,即的一个代数,我们称为一个可测空间,每个集合称为可测集。若集函数具有以下性质:

(1)

(2)若(其中),且互不相交,有;(可加性)

则称上的一个测度,称三元组测度空间。若测度还满足:若,则,则称完备测度完备测度空间

一些常见的名词:设是测度空间:

例1:就是Lebesgue测度空间

例2:是概率测度空间,其中

例3:对于,其中计数测度,若则称是有限集,若则称是无限集,由于,所以上的完备测度,当且仅当是可列集时有限测度

例4:,其中是特征函数,且是一个常数),则上的完备测度,称它为元处的Dirac测度,记作.(的含义就是,固定一个,对于不同的,如果不包含,则测度为0,如果包含,则测度为1)

例5:若是测度空间,是一一满映射,令),则是一个测度空间.(就是通过映射到,规定里的测度等于里的测度,这样就可以通过一个测度空间得到另一个新的测度空间了)

定理:设是测度空间,则测度具有以下性质:

(1)单调性:若,则

(2)次可加性:

(3)上连续性:若是一升列,则

(4)下连续性:若是一降列,且,则

证明和可测集中对应的性质类似,略。

4. Lebesgue可测函数

之前我们一直希望测度具有可加性,为的是可以定义一种新的积分。因为以前的黎曼积分有很多限制,比如:

有些函数不是黎曼可积,如;连续函数的极限不一定是连续函数,如

由于可测函数类比黎曼可积函数类大得多,且可测函数类在极限运算下是封闭的,我们考虑对可测函数定义积分,但首先我们要先了解可测函数。

定义:设(其中是广义实值函数),若是可测的,则称上的Lebesgue可测函数,简称为上的可测函数,也说上是可测的,并将上的可测函数的全体记作.

比如,常数函数是可测函数,(因为如果那就全部都能取到,如果就全都不能取到),而是可测集(定义给出),也是可测集,是可测函数.

再比如,,则(特征函数最小值是0,如果小于零则一定能全部取到,同理时不可能取到,时,只有的部分是大于的,以一维下的情况举例,见下图),故,也就是说是否为可测函数取决于是否为可测集.

勒贝格测度-可测函数-举例-01

定理:设。则(1)的右端与后面的条件等价:

(1));

(2));

(3));

(4));

也就是说可以把定义中的符号换成.

证明:比如(2),,根据是可测集,所以也是可测集(无限逼近),根据可测集的可列交仍是可测集,故右端是可测集,所以也是可测集。而,根据可测集性质3知也是可测集,同理。

可知,,同理,易证.

定义:设的互不相交的可测子集,且有,设,则我们称简单函数,若是矩体,则是阶梯函数。

定理:设,则上的简单函数是可测的。

证明:对于简单函数,不妨设,则,因为都可测,故可测。

定理:设是非负函数,则存在非负函数简单函数列,使得,且).

就是可以用简单函数来近似一个非负可测函数。

证明:必要性:设,令,则互不相交,且,设,则有(见下图,下面的一段段横线(阶梯函数)就是,且随着增大,的函数值也会越来越大(即阶梯越来越高),如果增大(即绿色的线),由于更细分,阶梯函数也会更往上接近

勒贝格测度-可测函数-简单函数-01

接下来用数学语言来证明):若,则(即上图最右边的区间上),;若,当时,)(见上图,如果取右端点(即相差最大的情况),的差就是分割的小区间的长度(比如轴上蓝色、黄色等部分),即),所以,再根据的任意性,得证。

充分性:设是非负的简单函数升列,且,由于,且,所以.

定理:若,则(其中)是其有定义的集合上的可测函数。

可以理解为,除非没有定义或特殊情况(比如),否则可测函数是对加减乘除封闭的。

证明:对于,若,则;若,则;若,则.

对于.

对于,先考虑;又由于.

对于,所以.

注意:在集合上没有定义;上没有定义。我们只考虑,以及时的情况,但是为了方便起见,我们简单地假设为上都有定义。

推论:设,则,即可测集上的连续函数都是可测函数。

因为对于连续函数,开集有一个等价条件:是开集(见第一章);根据可测集的定义知,开集是可测集(把前面改为就是可测集定义,且可数个可测集的并仍是可测集),再根据前面的几个等价定义知,是可测函数。

定理:设,则①;②;③;④都是可测函数。

证明:.

推论:设.

前面说过,可以用简单函数来近似一个非负可测函数,如果函数有正有负,可将正、负部分分开。正部,负部,则,且有以下结论:

定理.

命题(开集与可测函数的关系):对任意的开集.

证明:由于一维开集可以表示为可数个互不相交开区间的并,故,设,则

的证明可设,则.

定理:设.

证明:对任意的开集,因为是开集所以是开集(见第一章开集结构部分的命题),因为所以(前一命题).

定理:设,若几乎处处相等,即存在一个零测集(其中),使得在,则当其中一个在上可测时,另一个在上也可测。(函数的可测性与其在零测集的取值无关)

证明:假设,即,而是零测集,则,因为其是零测集,故,而左边是可测函数,利用前面可测函数的等价定义知,左半部分是可测的,),即.

例如,根据常数函数是可测函数可知,狄利克雷函数(因为有理数集是零测集,而在上两个函数几乎处处相等)

定义:设,若对于除了中一个零测集以外的每个,命题皆为真,则称命题几乎处处成立(为真),并简记为(有时可以不写),当时简记为的意思是almostly everywhere).

比如,表示几乎处处相等,表示几乎处处非负,表示几乎处处有界。

5. 测度空间上的可测函数和性质

定义:设是测度空间,,若可测的,则称可测函数,简称可测函数。我们把上的可测函数的全体记作,简记为.

定理:设,则以下条件等价:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)对于任意开集

(6)对于任意闭集

(7)

定义:上的简单函数,其中互不相交。

定理:设,则存在简单函数列,使得.

定理(其中),是其在有定义的集合上的可测函数。

定理.

推论:设,若,则.

定义:对于拓扑空间,连续开集,使得(Or 对任一收敛于的点列)。连续,

对于无法定义距离的空间,也就无法定义球邻域等,我们将这样的空间称为拓扑空间,这时我们可以规定一些集合是开集,这样也可以生成代数。对于拓扑空间,连续的定义就从之前的球邻域变为开集了。

比如是测度空间,其中是拓扑空间,是由全体开集生成的代数。

定义:若除了中的一个零测集以外的每一个,命题都为真,则称命题几乎处处成立,并简记为(或).

6. Lebesgue可测函数列的收敛性

收敛分为(按收敛从强到弱排序):一致收敛(符号,对每个收敛的速度都是一样的)、几乎一致收敛(符号,在去掉一个测度很小的集合后是一致收敛的)、几乎处处收敛(符号,去掉一个零测集后是逐点收敛的)、依测度收敛。

几乎一致收敛可以直接推出几乎处处收敛(反过来见Egorov定理)、几乎处处收敛在几乎处处有界以及测度有限的条件下可以推出依测度收敛(反过来见Riezz定理)。

另外还有逐点收敛,它和几乎处处收敛的收敛强度是差不多的,但它是数学分析中的内容,这里不再详细讨论。

定义:设是定义在点集上的实值函数,若,有,则称一致收敛,记作(u表示uniform,一致)

也就是说,一致收敛指对每个收敛的速度都是一样的。

例1:,是一致收敛。

例2:,画图可知,当在零附近时偏差非常大,而当增大时偏差会减小,也就是说收敛速度对不同的不一样,因此不是一致收敛(自行严格证明),但它是逐点收敛的。

例3:,在0到1之间偏差特别大,其他位置偏差非常小,所以不是一致收敛,但它是逐点收敛的。

定义:若,则)称为逐点收敛(也称点点收敛,或处处收敛)。若),且逐点收敛,则.

定义:设是可测集,若,且在上有,则称几乎一致收敛,记作(a.u.表示almostly uniform).

比如前面的例2、例3都是几乎一致收敛的,因为只需去掉零附近的一个小区间就可以一致收敛。

定义:设,若存在,使得),则称几乎处处收敛,记作.

同理,对于几乎处处收敛也有,若),且,则.

容易由推出,在添加了某些条件后(比如叶戈罗夫定理,需要几乎处处有界以及有限测度的条件),也可以由弱的几乎处处收敛()推出强的几乎一致收敛(

定理(叶戈罗夫(Egorov)定理):设(几乎处处有界),,若,则.

证明:对于某个(前面的要求中遇到,遇到),

(利用下极限定义化简上一步),

(德摩根法则,看不出来的话可以把下极限恢复成交并再取补集后再用德摩根法则,其中因为我们只考虑所以取补集后一定在内,故可以去掉,然后用上极限定义得到右式),

简记,由可知(几乎处处收敛的定义,去掉一个零测集后逐点收敛,因此不收敛部分的测度是零),

,则是降列,且,由前面推论可得(在可测集章节,有推论:是递减可测集列,且,则),

(先把展开写,然后用上式变为先求测度再求,然后用上极限定义把改写为上极限,然后发现恰好等于前面那个不收敛部分的集合,因此测度为零),

给定,可依次取出)(因为上一步证明了当时该式,因此对一系列,代入该式每个都会小于一个很小的数,比如,选这个数是为了方便后面级数求和),

,则,得证。

并且由定义知,,即,在上有中有.

在介绍依测度收敛前,先看一道例题。

例:设,对于,存在唯一的使得,其中,则定义为,那么如果给定一个固定的,则对任意的,存在唯一的,使得,即令落在这个由唯一确定的区间内,因此会有无穷多项为1,亦有无穷多项为零,上点点不收敛,但是当越大,出现的频率越小(因为虽然只会落在由唯一确定的区间上一次,但是由于要求,所以对于不同的,即使固定,这个区间也是不一样的,即对于来说有很多个这样的区间,而当时,由于越来越细分区间也越来越小,因此这样的区间所占的比例也会越来越小,数学证明如下:,当时,,故)。于是我们有,(其中),使得(其中,由前面情况下的测度得来)

我们称上依测度收敛于零函数。

定义:设(几乎处处有界),若,则称依测度收敛,简记为(m表示measure,测度).

定理:若上依测度收敛于,则,即在几乎处处相等的意义下,依测度收敛的极限是唯一的。

证明:由,可得,根据依测度收敛的定义可得右边趋于0),由的任意性可知,(不相等的地方是一个零测集,故几乎处处相等).

定理:设,则.

证明:由Erogov定理知,,下面证明几乎一致必有依测度收敛。,于是对于任意的,使得,有,所以,即,故,令.

定理(Riezz定理):设是可测集上几乎处处有界的可测函数列,若上依测度收敛于,则存在子列,使得.

虽然依测度收敛不能推出几乎处处收敛,但是可以存在子列几乎处处收敛。

证明:由可知,记,则有,令(即的上极限),则有,以下证明上点点收敛。,(把翻译成原来的取补集之后变成)于是,因此有上点点收敛,即.

定义:设,若,有,则称上的依测度基本列

该定义和数学分析中的柯西列类似,而且后面的定理说明了一个函数列依测度收敛的充要条件是它是一个依测度基本列。

定理:设,则上的依测度基本列。

证明:必要性:设,由(三角不等式)可知,,当时,.

充分性:设上的依测度基本列,,不妨设,令,则,令,则有,以下证明上点点收敛。,于是,由此可知,当时,,即级数上绝对收敛于某个函数,且,因此上几乎处处收敛于,此外上一致收敛于,由于上几乎一致收敛于,进而依测度收敛于,再由不等式,我们有

命题:设,则存在可测简单函数列,使得.(即存在可测的简单函数列在上一致收敛于

证明:有界,故,使得,令,令,则是互不相交的可测集,且,构造简单函数,则,若,则,若,则,即),同时我们有),即.

命题:设可测函数列在可测集上依测度分别收敛于,则上依测度收敛于;又若,则上依测度收敛于.

证明:已知,即,我们有,则满足,由可知,有(即不能同时成立),所以,即,则有),由此可得.

假设,要证明,需要用到以下引理

引理1:设,则闭集,使得,且在上有界。

证明:定义,则是一个递增的可测集合列,记,因为,所以,故(即单调上升收敛于),,对于存在闭集,所以(有界),且.

引理2:若,且,则,存在,满足有界,且.

证明:定义,则是定义在上的非负可测函数且几乎处处有界,则,存在闭集,使得上有界且,同理存在闭集,使得上有界且,定义,则在内有,且有界,同时,得证。

以及上述引理可知,,存在满足有界,即,使得),同时,我们由,可知,又易知,因为),故存在,使得,进而有,又由于,我们有),取,则有,同理可得),又因为),存在,使得,综上,我们有,使得,所以,即.

命题:设在上可测函数列依测度收敛于,而上的连续函数,则复合函数也在上依测度收敛于.

证明:要证明该命题,需要用到以下引理

上的几乎处处有限的可测函数,,则依测度收敛于的充要条件是的任一子列中均存在几乎处处收敛于的子列.

证明:必要性,可知的任一子列也是依测度收敛于,由Riesz定理可知,存在的子列使得.

充分性:用反证法。已知的任意子列存在子列使得,假设不依测度收敛于,由于,可取,即可简述为,那么,则(即把互换,把变成),则有使得(即),可知不存在几乎处处收敛于的子列(如果有子列使得,因为,就可以由几乎处处收敛推出依测度收敛,则,这与矛盾)(当然也不存在依测度收敛于的子列),与假设矛盾,所以.

对于的任一子列,由Riesz定理可知,存在的子列使得,又因为连续,所以(因为若),则),即存在几乎处处收敛于的子列,由上述引理可知.

7. 可测函数与连续函数

定理(鲁金(Lusin)定理):设,则对任意的,存在中的一个闭集满足,使得上的连续函数。

即,可测函数“接近于”连续函数。(接近于指,挖去一个任意小的集合后,在剩下的闭集上是连续的,其中相差很小,也就是挖去那部分很小)

证明:由于(几乎处处有界说明处是零测集),不妨假设)(因为零测集不重要就假设可以去掉),首先考虑是简单函数的情形,,对任意的,存在闭集,使得(这是因为对于可测集存在开矩体列使得,令,则是闭集,且,注意到,可知(这里暗含的条件是),如下图;当时,也仍可以找到可矩体列,使得,此时,再用这方法证明;有些教材会在鲁金定理中添加的条件,但是这个条件不是必要的),由于互不相交,所以也互不相交,因为是简单函数,所以在每个上是常值函数,故在上连续,因此在闭集上连续,且.

勒贝格测度-可测函数与连续函数-01

前面只考虑了是简单函数的情形,如果我们考虑是一般的可测函数的情形,由于可做变换(这样当仍是有界的,如果能证明连续,那么由于连续函数加减乘除后除分母为零的点外仍是连续的,再做的变换,就可以证明也是连续的),不妨设,于是存在可测的简单函数列上一致收敛于(这时上一小节的一个命题),,构造中的闭集,使得,且连续,令,则,故上连续,由一致收敛性知上连续。(一致收敛性是数学分析的内容)

引理(扩张定理):设是一个非空闭集,,则存在,使得.

表示在集合上等于。该引理说明了可以把定义在上的一个函数延拓到上,并且延拓后的在集合上仍然和相等,上的上确界与中的上确界相同。

推论:若是可测集上几乎处处有限的可测函数,则存在上的连续函数列,使上几乎处处收敛到

证明:由鲁金定理知,对任意的,存在闭集,满足,且上连续,再由扩展定理知,存在上的连续函数,使得在上有,于是,使得,令,易知,而(看不出来的话把换成,然后,再用德摩根律),且在上有极限.

推论:设是可测集上几乎处处有限的可测函数,则可测存在上的连续函数列,使几乎处处收敛到.

李特尔伍德(LittleWood)的三个原理:

8. 测度空间上可测函数的收敛性

定义:设是一个测度空间,设)是几乎处处有限的可测函数,则

一般来说,一致收敛 > 几乎一致收敛 > 几乎处处收敛 > 依测度收敛。当为有限测度时,几乎一致收敛 = 几乎处处收敛。

定理:设是一个测度空间,设)是几乎处处有限的可测函数,则

即,

几乎一致收敛几乎处处收敛,几乎一致收敛依测度收敛(反过来推不出,只能得到有一个子列几乎一致收敛),

几乎处处收敛依测度收敛(反过来也推不出,只能得到有一个子列几乎处处收敛)

三、勒贝格(Lebesgue)积分

1.Lebesgue非负可测函数的积分

先复习黎曼积分:若有界,对于任意的划分,定义(其中)、(其中),定义黎曼上积分为(对所有可能的划分取下确界),定义黎曼下积分为(对所有可能的划分取上确界),若,则称是黎曼可积。

比如Dirichlet函数:,所以它不是黎曼可积函数。

Lebesgue可测函数的积分有三种定义方法:

这三种定义方法是等价的,我们最常用的是第三种方法。

定义:设是可测函集上的非负可测简单函数,定义上的积分.

该积分的几何意义是的下方图的体积,如图所示:

勒贝格积分-可测函数的积分-04

显然,如果,那么.

非负可测简单函数的积分性质

定义:设是可测集上的非负可测函数,定义上的积分.

注意:可以有;若,则称上是Lebesgue可积的(简称可积的),或称上的可积函数。(也就是说积分等于就不说它是可积的,只能称为有积分)

以下性质成立:

定理(Levi定理):设是可测集上的非负可测函数列,满足,且有),则.

即对于非负上升的可测函数列,积分的极限等于极限的积分。

证明:因为上的非负可测函数,有定义,又有,所以有定义,由于,可知。要证明两者相等,还需要证明。取),设上非负简单可测函数,且),记,则是递增集合列,且,故有,于是从不等式,两边都令可得,再令可得,对所有满足条件的取右端的上确界(即积分的定义)可得,得证。

Levi定理结合前面”非负可测函数可由上升的非负简单函数列逼近“可知,非负可测函数的积分性质可由简单函数的积分性质通过极限的形式得到。

定理(积分的线性性质):设是可测集上的非负可测函数,对于任意给定的非负常数有:.

证明(用前面简单函数的积分性质取极限):设是非负上升可测简单函数列,且),由于仍是非负上升可测简单函数列,且有),由简单函数的积分的线性性质和Levi定理可得,

推论:设上的非负可测函数,则:

证明:(1)记,则(由于在,所以可以把换成,而,因此上也可以换成

(2)记,则(第一个不等式是因为在),(前面可得是一个很大的常数,当),,得证。

(3),令,于是我们有,得证。

2. Lebesgue一般可测函数的积分

定义:设,若中至少有一个是可积的,则称上的积分。当上式右端两个积分值都有限时,称上是Lebesgue可积的,简称可积的,或称上的可积函数。在上的全体可积函数记为.

即把分为正、负两部分,,则.

由定义易证:

比如:,图像如下:

勒贝格积分-一般可测函数的积分-01

上的广义黎曼可积函数(即),但不是广义黎曼可积的。

不是Lebesgue可积的,因为对于广义黎曼可积,它的正部和负部可以抵消掉一大部分,所以才可积,而对于Lebesgue可积,要求正部、负部都分别可积,而如果正部和负部分开的话,它是不可积的(而不是广义黎曼可积也是同样的原因)。

其实以前的级数也有类似的情况,不是绝对收敛的级数求和要注意,如,由于它每一项都是正的,所以它收敛到一个正数,但是经过重排后变为,由于每一项都是负的,所以它收敛到一个负数。

一个条件收敛但不绝对收敛的级数适当地重新排列之后,可以收敛于任何值。(格奥尔格·黎曼)

一些简单的性质

定理(积分的线性性质):设,则,且

因此是一个线性空间

证明:不妨设处处有限(避免出现,且这种情况可以通过除去一个零测集来得到)。

(1)若,显然有,根据非负可测函数的性质,

(2)由可知(非负可测函数的积分线性性质),

定理(有界可测函数可积的另一等价条件):设上的有界可测函数),,作的划分:,令,记,则对于任意,极限存在且.

证明:,即当时两式很接近,所以只需证明存在且

由于,我们有,得证。

定理(积分的绝对连续性):设,则,当时,有.

证明:我们有,存在简单可测函数,使得),,令,则,当时,我们有(其中),得证。

定理(积分的平移不变性):设,则,有,且.

平移不变性和黎曼积分类似,如果是在上的积分,平移后积分区域不需要改变,但是如果在某个区域上积分,平移后积分区域要像黎曼积分那样作相应的改变。

证明:首先考虑是非负简单可测函数的情形,,则有,它仍是一个非负简单可测函数,且

其次考虑是一般的非负可测函数,则存在非负简单可测函数列(其中),易知也是一个升列,且(其中),由Levi定理得,

最后对于一般的可测函数,由的平移不变性可得的平移不变性。

定理:设,则,存在上具有紧支集的连续函数,使得.

函数的支(撑)集:,如下图:

勒贝格积分-一般可测函数的积分-02

若一个函数的支集是紧的,则称它具有紧支集。(第一章第七节的定理:中的紧集即为有界闭集)

该定理说明了,若,则,存在的一个分解,其中是具有紧支集的连续函数,的积分小于.

也就是说,只要可积且有紧支集(即使间断或震荡),那就可以找到一个连续函数去逼近它。

证明:由可知,,存在上具有紧支集的可测函数,使得。不妨设(有界),由Lusin定理和扩张定理,存在上具有紧支集的连续函数,使得,则)(这里是通过扩张定理将上的扩张到,由于很接近,所以的界和一样),从而有,我们有.

定理:设,则存在上具有紧支集的连续函数列,使得:

(1)

(2)

3. 黎曼积分和Lebesgue积分的关系

定理:设是闭区间上的有界函数,若上黎曼可积,则上也是Lebesgue可积的,且.

此处表示Lebesgue可积,表示黎曼可积。

也就是说,一般情况下黎曼可积的函数总是Lebesgue可积的,且积分值一样(但反过来则不成立)。

证明:因为在区间上有界,只要证可测,就有。(因为

考虑上的一列划分,由于上黎曼可积,由黎曼积分的定义可知,,定义以下两个函数列,因为,当区间缩小时,上确界不增,下确界不减,见下图(绿色线表示原来的极大极小值,由于区间更细分,第一个区间上极小值变成了蓝色线;上升的部分同理):

勒贝格积分-黎曼积分和Lebesgue积分的关系-01

故有,于是,即得,极限函数都是有界可测的,故它们都是Lebesgue可积的,且是非负可测函数,故有,又由,可得,所以,即,由前面定理知,,从而,因此上可测,且的Lebesgue积分等于黎曼积分。

4. 测度空间上的可测函数积分

定义:给定上的非负可测简单函数),是互不相交的可测集,定义上的关于测度的积分。我们将由非负可测简单函数全体组成的空间记为.

定义:设,易见映射上的可加泛函,即,并且.

泛函就是函数的函数。

定义:设上的非负可测函数,定义上的积分,这里的积分可以是,若,则称上是可积的。全体非负可积函数的集合记作.

前面的非负Lebesgue可积函数的性质可以推广到非负可积函数。(略)

定义(一般可测函数的积分):设,若中至少有一个是可积的,则称上的积分。若上式右端有限,则称可积。在可积函数的全体记作.

前面的Lebesgue可积函数的性质可以推广到可积函数。(略)

5. Lebesgue积分与极限定理

定理(Lebesgue基本定理):设是可测集上的非负可测函数列,,则.

也就是说,非负可测函数的级数求和与求积分运算次序可换:.

证明:令,则是非负可测函数列,,且,故由Levi定理,.

定理:若是可测集的互不相交的可测子集,,当函数上有积分时,在每一个子集上都是有积分的。特别地,当时,,并且.

注意区分,有积分和可积。

证明:我们有,由Lebesgue基本定理,有,类似地可证,当上有积分时,积分之间至少有一个有限,不妨设,故正项级数,所以,即上有积分,进而有.

时,,所以,即.

定理(Fatou引理):设是可测集上的非负可测函数列,则.

极限存在上、下极限相等(且等于极限);因此有时极限也可以用这个定理。

证明:考虑非负函数,显然有),再由Levi定理得

例:,显然,,同时,)(因为指数收敛速度比乘法快),.

定理(控制性收敛定理):设,若存在函数,使得,则.

函数称为函数列的控制函数。

也就是说,如果能找到一个可积的控制函数,那么积分和极限就可以交换顺序。

证明:显然,且由,可知,因此,考虑上的可积函数列,则,由Fatou引理得(左边极限存在所以可以写极限,右边极限不一定存在,所以写下极限),因此(右端把负号提出来就会从下极限变为上极限),即,由于,即得,最后,由不等式,得到.

推论:设(依测度收敛),若存在函数,使得,则.

证明:,由Riesz定理知,存在子列,故,记,如上面定理的证明一样,只要证明。下面用反证法证明:如若不然,则对于某个,存在使得),),由Riesz定理知,存在子列使得),由上述定理的证明有,与矛盾,得证。

推论(有界收敛定理):设,且一致有界(即存在常数使得),则当时,.

例1:求,其中.

解:如果积分与极限可以交换位置,则(因为的收敛速度比慢),这里我们需要找到一个控制函数,(其中最大值是1),即为要找的控制函数,故.

例2:求,其中.

解:注意到,易知,由控制收敛定理.

定理(逐项积分):设,若,则上几乎处处收敛;记,则有.

证明:定义,由非负可测函数的逐项积分定理可知,,故,从而上几乎处处有限,也即几乎处处收敛。

,由可知,记,亦有,利用控制收敛定理可得.

6. 参变积分

定义:设),则,称为上的参变积分

定理;对于上述参变积分,如下结论成立:

(1)若存在,使得,则若,就有.(即如果能找到一个控制函数,且极限存在,则积分和极限可以交换顺序)

(2)若存在,使得,若对于几乎所有的,函数连续,则连续.(连续即

(3)若函数的偏导数存在,且存在使得,则.(即可微,且求导和积分可以交换顺序)

,如果把看作是下标,则这里的可以看作是控制函数。

证明:(1)考虑任何收敛于的序列,则,定义,可知上几乎处处收敛,且。由控制收敛定理得,即.

(2)对几乎所有的连续,即,由(1)可得,即连续.

(3)对任意的

7. 黎曼可积性的刻画

本节主要讨论什么样的函数是黎曼可积的,以及从测度论和Lebesgue积分的角度看黎曼积分。

区间上的有界函数黎曼可积的充分必要条件:是定义在区间上的一个有界函数,我们定义上的振幅函数(显然振幅函数只有在间断点处不为零),对于每个,集合是开集,从而上的有界可测函数(若令,则,且是的一个开覆盖,根据有限覆盖定理可知,存在有限个覆盖了,因此是有界的,又由于开集是可测集,所以可测),故有,考虑区间上的划分序列,记,则上积分,下积分,讨论黎曼可积就是要验证上、下积分是否相等。

引理:对于区间上的有界函数,下列等式成立,其中左端是Lebesgue积分。

证明:定义函数列以及集合,我们有(可数个有限集的并集是可数集,可数集是零测集),而且,也就是说收敛到,接下来讨论的积分是否收敛到,记,由和有界收敛定理(其中是控制函数),得;另一方面,所以.

定理:区间上的有界函数是黎曼可积的充分必要条件是:上的不连续点集是零测集。

证明:连续等价于,所以上的不连续点集是零测集.

上述引理,即是黎曼可积的。

8. 测度空间中积分的极限定理

Lebesgue积分的极限定理很容易推广到测度空间上的可积函数类中,这里只给出结论,证明略。

定理(Lebesgue基本定理):设函数列是测度空间上的非负可测函数列,,则.

推论:若的互不相交可测子集,,当函数上有积分时,在每一个子集上都是有积分的;特别地,当时,,且.

定理(Fatou引理):若上的非负可测函数列,则.

定理(控制性收敛定理):设,若存在函数,使得,则.

推论:设(依测度收敛),若存在函数,使得,则.

推论(有界收敛定理):设,且一致有界(即存在常数使得),则当时,.

9. Lebesgue重积分与累次积分

先复习高等数学中的重积分与累次积分的定义:设,那么重积分与累次积分为,这里的等号不是必定成立的,累次积分有可能不存在,需要讨论:

在黎曼可积的情形下:有界。若满足:(1)上可积;(2)固定任意的,关于的函数上可积;则有:。也就是说有界闭区间上的连续函数是黎曼可积的。

定义:设),则上的

定义:设,对于任意固定的,令,称为截口;同样的,对于任意固定的,令,称为截口

对于截口,显然有

定理3.3.2:对于任意的(即中可测,我们一般记中的全体Lebesgue可测集记为),则以下结论成立,并把满足下述条件的维可测集全体记为

(1)对于几乎处处

(2)上几乎处处有定义,且是上的非负可测函数;

(3)

同理,对于任意的,以下结论成立(也记为):

(1)对于几乎处处

(2)上几乎处处有定义,且是上的非负可测函数;

(3)

证明:我们将证明,由于显然有,故只需验证。(证明过程用到了后面对应的引理)

情况一:先考虑矩体的情况,设是矩体,则,其中分别为中的矩体,则有,且,即.

情况二:考虑开集的情况,设是开集,则,其中中互不相交的半开半闭矩体,则由矩体情况下的证明以及后面对应引理中的(1)并推广到无限个的情形可知,由后面对应引理中的(3)可知.

情况三:考虑闭集的情况,设是有界闭集,则可表示为两个有界开集的差集(可由有限覆盖定理证明),再由后面对应引理中的(2)可知.

情况四:设中的可测集合列,,记,若对,则由后面对应引理的(2)、(3)有.

情况五:设中的零测集,则,事实上,可选取递减开集列),,由上述证明可知,(根据情况四的证明),由于可以写成,又有,测度为零说明几乎处处有定义,且零测集是非负可测集,再证明第三条:.

情况六:对任意的可测集,由可测集和Borel集相差一个零测集的定理,可设,其中是互不相交的有界闭集,由上述证明不难推出.

可测集和Borel集相差一个零测集的定理(该定理出现在Lebesgue可测集章节里):对任意的,存在Borel集,使得.

引理:以下结论成立:

(1)若,则

(2)若,则

(3)若,则

证明时只需逐一证明它们满足前面对应定理的三条性质即可。

(1)的证明:

①设截口为,由于,故

,由于都几乎处处有定义、非负可测函数,故它们加起来也几乎处处有定义、非负可测函数;

③证明思路(详细过程略):

(2)的证明:

①由可知满足上面定理的第一条;

②、③由于,可知上几乎处处有限,由于,而不相交,所以移项后得上几乎处处有定义,且有,其中最后一步等号成立是因为不相交,移项后得到的。

(3)的证明:

(因为是升列),则由前面测度和极限符号可换序的定理知,(这里的用的定理的第二个结论“几乎处处有定义”),再由Levi定理可得

定理:若,则

证明:因为,所以,若有,则根据定理3.3.2的(3)有.

以下证明:由可测集和Borel集相差一个零测集的定理,可表示为可数个点集的并集(且),其中是有界闭集或零测集,故只需讨论以下两种情形:

情况一:是零测集。,可作中的开矩体列以及中的开矩体列,使得,再根据次可加性,.

情况二:都是有界闭集,因此是闭集,也是可测集。

积分与测度是互通的。简单的说,积分即“面积”。(概率也是“面积”)

定理(Tonelli定理):记,设上的非负可测函数,则:

(1)对于几乎处处的,函数上的非负可测函数;

(2)积分上几乎处处有定义,是上的非负可测函数;

(3)重积分与累次积分相等,即

证明:由定理3.3.2知,对于任何可测集,特征函数满足该定理的(1)(2)(3),因此非负可测简单函数也满足该定理的(1)(2)(3)。对于某个非负可测函数,可视为某个非负可测简单函数的上升列的极限,,由Levi定理可知,该非负可测函数也满足定理的(1)(2)(3)。

若取Tonelli定理中的非负可测函数为可测集的特征函数,易知Tonelli定理与定理3.3.2等价:

比如(1):其实就是固定取任意的,这就是截口,根据定理3.3.2的(1),直接就得到了对于几乎处处的

比如(2):若令,有,而定理3.3.2的(2)则说明了上几乎处处有定义,且是上的非负可测函数;

(3)的证明:由于非负可测函数是非负可测简单函数上升列的极限,先考虑非负可测简单函数,即时,代入上式有,由于积分有线性性质,于是我们只需证明该式对于任意的可测集成立,即,定义集合,由于,故.

定理(Fubini定理):若(即上的可积函数),,则:

(1)对于几乎处处的上的可积函数;

(2)上几乎处处有定义,是上的可积函数;

(3)重积分与累次积分相等,即

证明:令,由Tonelli定理可知,非负可测函数满足该定理的(1)(2)(3),并且积分都是有限的,可相减,所以也满足该定理的(1)(2)(3)。

用法:比如,其中,那么只需要验证,若积分就是可积的,就可以用该定理。

定义:设上的可测函数,若积分存在,则称此积分为卷积,并记为,即。卷积的交换性,即.(注意,这里的上的可测函数,也就是把看作是两个变量)

定理:设,则卷积对几乎处处的存在,,且.

证明:首先考虑是非负可测函数的情形。因为上的非负可测函数,由Tonelli定理得,所以,且.

对于是一般的可测函数的情形,注意到,从而有.

定义:给定,设上的非负实值函数,则点集称为上方的图像,点集称为上的下方图形集。

10. 积分的几何意义

定义:给定,设上的非负实值函数,点集称为上的图像。点集称为上的下方图

勒贝格积分-积分的几何意义

定理:给定上的非负实值函数,则:

(1)若是可测函数,则,且.

(2)若,则是可测函数,且有.

这是黎曼积分中曲边梯形面积意义的推广。

(1)的证明:首先证明。不妨设,对任意的,令,则有,令,得.

其次证明以及。若是一个可测集上的特征函数,结论显然成立,从而对非负可测简单函数也成立。对于一般的可测函数,存在非负可测简单函数的上升列收敛于,易知,由于,所以,且.

(2)的证明:记,由定理3.3.2可知,对于几乎处处的的截口集,且是可测函数。故除去一个零测集之外,对于所有的,当时,;当时,。所以,由(1)可得.

四、空间

1. 范数

定义:设中的可测集,则:

(1)设上的可测函数,记),称范数。令,则称上的空间。(注意这里的可以是任何数,包括分数、无理数)

(2)设,若存在,使得,则称本性有界的。对所有这样的取下确界,记为,称为本性上界。把的函数的集合记作。本性上界用数学语言来表述就是,.

Lebesgue可积函数空间.

例1:设,问下列函数是否为多少?

(以下为方便起见就不写次方了,因为的话也必然,但是计算题记得要写全)

(Ⅰ) 。解:(包括)都有.

(Ⅱ) 。解:,写出原函数并画出图像可知,当时,取任何值都无法使积分,故.

(Ⅲ) 。解:,写出原函数并画出图像可知,当时积分,即当时,.

例2:设,问下列函数是否为多少?

(Ⅰ) 。解:当时,,故此时;当时,,此时.

例3:设,并定义,问下列函数是否为多少?

(Ⅰ) 。解:,不难看出无论取何值都不能使积分,故.

定理(Hölder不等式,赫尔德不等式):设,则有.

,我们把这样的称为共轭指数。比如;再比如.

证明:若,则显然有.

以下考虑.

时。有,所以有,即.

故只需考虑的情形。利用Young不等式),取,我们有,对上式作积分得.

补充:Young不等式)的证明:因为是上凸函数,故,这个不等式画出图形就可以看出来了,其中由于,所以之间,而的线性组合,也就是两点连线的那条线上的任意值,由于在中这条线在下方(在端点处可以取等号),所以是小于等于的。

由Hölder不等式可得到一些推论:

命题:若,则

(1)当时,

(2));

(1)的证明:(思路是证明当存在时,任意都有,也就是说包含了的所有元素)

时,(其中是本性上界,可以简单地理解为几乎处处的极大值,所以),因为,且,故右式,即,也就是存在且包含了中的所有,故.

时,令,则(其中第二个符号使用了Hölder不等式),其中左边的,要开根号才能得到,左右两边同时开次根号得(其中,且,故它们相乘也是有限的),所以.

(2)的证明:记,则,记,则,可知,由的任意性可得;所以.

定理范数满足以下“范数公理”():

(1)齐次性:

(2)三角不等式(Minkowski不等式):

(3)正定性:,且

证明:当时,证明是简单的,略。

,(1)和(3)是显然的,我们只需证明(2):,由),同理,,可得,证毕。

2. 收敛

定理:对于任意的,定义距离,则是一个距离空间

证明:(思路是验证是否满足距离空间的三条性质:(1)正定性;(2)对称性;(3)三角不等式)

正定性:显然成立。,即.

对称性:显然成立。

距离的三角不等式:由范数的三角不等式,即得距离的三角不等式.

定义:设),若存在,使得,就称函数列的意义收敛(有的书会写“按范数收敛于”),中的收敛列极限,记作,在不引起误解的情况下可简记为。若,则称“收敛”为“p次平均收敛”;若,又分别称为“平均收敛”与“均方收敛”。

要证明是否收敛,首先要验证是否,然后再验证是否,求范数时会出现积分符号,可以用Lebesgue积分的控制收敛定理,把极限和积分符号互换。

收敛具有以下性质

(1)若,则,也就是仅在零测集上不相等,我们可以简单地说极限唯一;

(2)若,则数列有界,且

(3)若,则);

定理:对于给定的,设,其中,若,则依测度收敛到.

实际上,依测度收敛要比收敛弱。

证明:,令,则

定理控制收敛定理):设,其中,而且。若,使得,则.

证明:(关键在于给找到一个可积的控制函数,这样才能用Lebesgue积分的控制收敛定理让极限和积分符号互换,才能进行计算)

,则,且(其中因为,所以它们加起来),因为,故,因此控制函数是可积的。由Lebesgue积分的控制收敛定理得,即.

3. 空间完备性、可分性

在欧氏空间中,柯西收敛原理起着基本作用,在空间中可建立同样的理论。

定义:设,若,则称函数列是空间中的基本列(或柯西列)。若,由于,可知中的收敛列必是基本列。

定理(完备性定理):若是可测集,中的基本列,则必是收敛列。

证明:首先考虑的情形,易知上是依测度收敛的基本列。根据第二章的定理可知,对于在上几乎处处有限的可测函数列,上的依测度基本列。于是存在上几乎处处有限的可测函数,使得上依测度收敛于,又由Riesz定理,可选出子列,使得,于是由Fatou引理得,,所以有,即,由不等式可得.

再考虑的情形,设满足,因为,所以存在零测集,使得上有),从而存在函数,使得,易知。任给,存在自然数,使得当时,,由于当时,,故当时,,这说明.

推论:若成立,则有子列在上几乎处处收敛于.

定义:设,若对任意的以及,总存在,使得,则称函数类稠密,也可称每个元素可用中的函数逼近,用数学语言来表示就是,函数类稠密对任意,存在序列,使得。若中存在可数稠密子集,则称可分的。

定理:每个可用简单可测函数列逼近。

定义:考虑集合,称为有紧支集的连续函数。

定理:设是可测集,则每个,可用中的函数在逼近。

定理:给定可测集,则每个可用上具有紧支集的阶梯函数来逼近。

定理:设是可测集,对于任意的中存在可数稠密子集,即是可分空间。

命题:空间是不可分的。

定理:设上的可测函数,若存在常数,使得对于一切上可积的简单函数,都有,则,且,其中是共轭指数。

4. 空间

在欧氏空间中,点的模长公式是,在范数中只有范数才是中模长公式的直接推广,从而空间与空间有更多的共性。欧氏空间的一些几何概念,比如角度、垂直性等都可以引入到空间中。

定义:对于,记,称内积

比如,.

注:在抽象测度空间,的内积定义为.

内积的性质

(1)双线性性:分别关于是线性的;

(2)对称性:

(3)正定性:;且当且仅当

上述三条性质也称为内积公理。

定义:设,若对任意,都有,就称函数列弱收敛到函数,记作,也可以简记为.

易知,弱收敛极限是唯一的。

收敛比弱收敛强。

定理:设,则的充分必要条件是:①;②

定理:若以下两个条件成立:①;②存在稠集使得;则.

定义:设,若,就称正交(或垂直),记作

定义:设函数列中任意的两个元素都正交,则称正交系;若对一切,还有,则称标准正交系(或归一正交系)。

显然,函数系是标准正交系的充要条件是,其中是Kronecker记号:.

定理中任一标准正交系都是可数的。

定义:设中的标准正交系,,称(其中)为关于正交系Fourier系数,称关于正交系Fourier级数,简记为.

定理(Bessel不等式):设中一个标准正交系,,则的Fourier系数满足.

证明:令,则,再令,得证。

定理(Riesz-Fischer定理):设中的标准正交系,若实数列满足条件,则级数中收敛。将该级数和记为,则,且.

由该定理可知,当实数列满足条件时,级数在空间中收敛,记它们的全体为.

定理:对任意给定的函数,令,其中的Fourier系数,则,且.

由此可见,当达到最小值。

定义:设函数系中的一个正交系,若中不再存在非零能与一切正交,则称此正交系中的完全系。换句话说,若且满足(其中),则必有成立。

定义:设函数系中的一个标准正交系,若每个都可表成中收敛的级数,则称是空间的一个标准正交基

定理:设中的一个标准正交系,则以下条件等价:

(1)是标准正交基;

(2)的有限线性组合之全体在中稠密;

(3)完全性:中不再存在非零元素能与一切正交;

(4)Parseval等式:

(5)内积等式:

定义:设是定义在可测集上的函数,如果由,可推得(其中)成立,那么称函数组线性无关的。对于由无限多个函数组成的函数系,如果其中任意有限个函数是线性无关的,那么称此函数系是线性无关的。(显然线性无关函数系中不存在几乎处处等于零的函数)

易知,平方可积函数空间中的正交系一定是线性无关的。而且中的标准正交基一定是极大线性无关的,即不存在非零元,使函数系是线性无关的。

Gram-Schmidt正交化:一个线性无关的函数系往往不是正交系,通过Gram-Schmidt正交化方法可以从一个线性无关系构造正交系:设中的线性无关系,令,一般来说,用归纳定义,在取定后,令,这样算出来的函数系是正交系,若再令,则的一个标准正交系。

5. 卷积与Fourier变换

扩充

由于Fourier变换是在复值函数上讨论的,所以先将前面的可测函数和可积函数扩充到复值的情形:

是可测集上两个几乎处处有限的实值可测函数,则函数定义了上几乎处处有限的复值函数,称上的复可测函数。全体上的复可测函数仍记作,如果要强调函数取值于复数域,则记作,不过一般不加下标.

,则称上的可积函数,此时定义的积分值为,全体复可积函数仍记作,如果要强调函数取值于复数域,则记作,不过一般不加下标.

显然,对于,复数,总有.

经过这样的扩充后,Lebesgue积分理论的所有结果,只要不涉及函数值的大小比较(如非负性、单调性等),都可应用于复值可积函数。

容易证明,实际上,记,作极分解,显然有,于是有.

函数类)也要作相应的扩充:设,当时,定义它的次范数为,其中;当时,定义它的范数为,即。于是复值次可积函数空间是。易见在复值情形仍有.

对于复值空间而言,Hölder不等式仍成立;”范数公理“也仍成立,其中齐次性的常数可以是复数;前面的关于收敛、空间完备性、可分性等在复值情形下都成立。特别地,复值空间是完备的空间。

但是在复值平方可积函数空间中,内积定义要做相应的修改:对于,令,这是复欧式空间内积的推广,它满足以下”内积公理“:

(1)共轭双线性性:内积关于第一个变元是线性的,关于第二个变元是共轭线性的;

(2)共轭对称性:

(3)正定性:,且

关于实值空间中的弱收敛性、正交性、Fourier级数的展开、标准正交基等性质都可以移植到复值空间来,某些牵涉到复系数的情形,其条件或结论需要作一些调整,比如:

Bessel不等式要改成

Riesz-Fischer中实数列需改成复数列,且满足条件

且由它推导出来的结论应该为当实数列满足条件时,级数在空间中收敛,记它们的全体为.

内积公式应改成.

卷积

上(实值或复值)的可测函数,若积分存在,则称此积分为函数的卷积,记为。(注意:这里函数可看作为上的可测函数)

显然卷积有①对称性:;②双线性性:卷积关于变元分别是线性的。

定理(杨(Young)不等式):若)、,则,且.

证明:当时,,所以,且.

时,由Hölder不等式有,,对上式两端作次乘方再对变量作积分,根据Fubini定理可知,,于是得,且.

特别地,当时,由此定理可见卷积运算关于空间是封闭的。

引理(平均连续性):若),则有.

定理:若,则上有界连续函数,且.

证明:由Schwartz不等式得,所以,且.

再用Schwartz不等式,得,由平均连续性可知,.

定义:由个非负整数)构成的有序数组称为多重指数,对于每个,引入微分算子,称之为多重微分算子(有时也记作),它的次数是,若,规定。令中的非空开集,是自然数,记.

定理:记,设上的函数满足对一切,又,则,且.

定义:设是定义在上的函数,对任意的常数,记.

定理:设,且,若,则有.

证明:根据卷积定义,,令为共轭指数,由Hölder不等式得

对上式两端作次方再对变量作积分,运用Fubini定理得,令,因为,由控制收敛定理,上面不等式右端可在积分号下取极限,再运用积分平均连续性,得.

卷积运算中无单位元,但是,所以称为卷积运算的渐近单位元

6. 上的Fourier变换

定义:对于任意的,令,其中,称的Fourier变换,记作,或者是线性映射,即

是实值函数时,它的Fourier变换是复值函数,变量称为变量的对偶变量,引入记号,对于,于是.

,由于,显然有,并且在积分号下取极限可得的连续函数,于是它的Fourier变换是有界连续函数。

对于多重指标,记,则,其中。若是复多项式,,记,则.

,引入平移算子如下:.

引理:设,则

(1)

(2)

(3)

(4)若,则

定义:若满足对任意的,有,则称速降函数,由上速降函数全体构成的集合记作.

根据定义当且仅当对于任意的多重指数、任意上的多项式,函数上的有界函数。因为可用代替,所以等价于对一切的多项式、一切的多重指数.

定理:具有紧支集的光滑函数全体)中稠密。

命题:速降函数空间具有以下的性质:

(1)若,则对于任意的多项式、多重指数,仍有

(2)

(3)

定理:若,则,并且.

定理(逆定理):以下命题成立:

(1)若,则

(2)Fourier变换:是一一在上的线性映射,而且

(3)若,且,令,则.

定理:设,则

(1)

(2)

定理(Plancherel定理):存在到自身的一个一一在上线性映射,它满足,且.