一、集合与运算
1. 集合
常用的集合有:N-自然数集、Z-整数集、Q-有理数集、R-实数集、C-复数集、∅-空集。
常用的集合符号:
- A⊂B或B⊃A表示A包含于B,或者说B包含A,即A是B的子集;
- A⊊B或A⫋B表示A真包含于B,或者说B真包含A,即A是B的真子集,数学表示为A⊂B,且∃b∈B但b∈/A;
- 交集:A∩B={x∣x∈A and x∈B}
- 并集:A∪B={x∣x∈A or x∈B}
- 补集:Ac={x∈X∣x∈/A}
- 差集:A\B={x∣x∈A and x∈/B}
集合运算法则:
交换律:A∪B=B∪A,A∩B=B∩A
结合律:(A∪B)∪C=A∪(B∪C),(A∩B)∩C=A∩(B∩C)
分配律:A∪(B∩C)=(A∪B)∩(A∪C),A∩(B∪C)=(A∩B)∪(A∩C)
对偶律(德摩根法则):(A∪B)c=Ac∩Bc,(A∩B)c=Ac∪Bc
证明可分为两步:由(A∪B)c⊂Ac∩Bc和Ac∩Bc⊂(A∪B)c⇒(A∪B)c=Ac∩Bc;
若x∈(A∪B)c,则x∈/A∪B,从而x∈/A、x∈/B,即x∈Ac、x∈Bc,故x∈Ac∩Bc,因此(A∪B)c⊂Ac∩Bc;
若x∈Ac∩Bc,则x∈Ac、x∈Bc,从而x∈/A、x∈/B,即x∈/A∪B,故x∈(A∪B)c,因此Ac∩Bc⊂(A∪B)c;
A\Bc=A∩B
若A⊃B,则Ac⊂B
集合族:写作{Aλ}λ∈I,可以看作是集合的集合,里面的每个Aλ都是一个集合,其中λ为指标(下标)、I为指标集。
集合族的运算符号:
- λ∈I⋃Aλ={x∣∃λ∈I,x∈Aλ}
- λ∈I⋂Aλ={x∣∀λ∈I,x∈Aλ}
集合族的运算法则:
- 分配律:A∩(λ∈I⋃Bλ)=λ∈I⋃(A∩Bλ),A∪(λ∈I⋂Bλ)=λ∈I⋂(A∪Bλ)
- 对偶律(德摩根法则):(λ∈I⋂Aλ)c=λ∈I⋃Aλc,(λ∈I⋃Aλc)=λ∈I⋂Aλc
集合列:写作{An}n=1∞。若满足A1⊂A2⊂⋯⊂An⊂⋯则称为升列;若满足A1⊃A2⊃⋯⊃An⊃⋯则称为降列;升列和降列合称为单调列。
比如:An=(n1,1),即An是从n1到1的开区间,则An是升列。再比如Bn=k=n⋃∞Ak是降列、Cn=k=n⋂∞Ak是升列。
集合列{An}n=1∞的极限:
(1)上极限:n→∞limAn=n=1⋂∞k=n⋃∞Ak=n→∞limk=n⋃∞Ak;
因为k=n⋃∞Ak是降列,它越来越小,再取交集就是取最小的那个,即n→∞时的集合k=n⋃∞Ak。(下极限同理)
(2)下极限:n→∞limAn=n=1⋃∞k=n⋂∞Ak=n→∞limk=n⋂∞Ak;
换句话说,
上极限就是:属于集合列{An}n=1∞中无限多个集合的元素的全体组成的集合就是集合列{An}n=1∞的上极限(或叫上限集);
下极限就是:除去集合列{An}n=1∞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{An}n=1∞的下极限(或叫下限集)。
若上极限等于下极限,则集合收敛:n→∞limAn=n→∞limAn=n→∞limAn.
2. 序列的极限
序列:记作{xn}n=1∞。
序列的极限的定义:x=n→∞limxn⇔对于任意ϵ>0,存在一个N∈N,对所有n≥N,有∣xn−x∣<ϵ。
特别地,序列发散时,n→∞limxn=∞⇔∀M>0,∃N∈N,s.t. xn>M(∀n≥N)。
聚点的定义:x是序列{xn}的一个聚点⇔对于任意ϵ>0以及任意N∈N,存在一个n≥N,使得∣xn−x∣<ϵ。
该定义等价于:存在一个收敛于x的子列{xnj}j=1∞,j→∞limxnj=x.
比如:xn=(−1)n,它有两个聚点1、−1。
对于扩充的实数集R∪±∞,±∞也可以是序列的聚点。
对于所有实数x,我们定义x+∞=∞、x−∞=−∞、x⋅∞=∞(当x>0时)、x⋅(−∞)=−∞(当x>0时),且设∞+∞=∞、−∞−∞=−∞、∞⋅(±∞)=±∞、−∞⋅(±∞)=∓∞,并且约定0⋅∞=0。
注意:∞−∞和−∞+∞无定义。
集合的上(下)界、上(下)确界(设E⊂R):
- 上界:∀x∈E,若有x≤h,则h是E的一个上界;
- 上确界:(1)h是E的一个上界;(2)如果h′是E的一个上界,则必有h≤h′;满足(1)和(2)的h称为E的上确界(即上确界是最小上界,它是唯一的),记作h=supE或h=x∈Esupx;
- 下界:∀x∈E,若有x≥m,则m是E的一个下界;
- 下确界:(1)m是E的一个下界;(2)如果m′是E的一个下界,则必有m≥m′;满足(1)和(2)的m称为E的下确界(即下确界是最大下界,它是唯一的),记作m=infE或m=x∈Einfx;
上确界(sup)与最大元(max)、下确界(inf)与最小元(min)的区别:对于E=(0,1],Esup=Emax=1,Einf=0,但Emin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{xn}n=1∞的上、下极限:
上、下极限的性质:
- −limxn=lim(−xn)
- limxn≤limxn
- l=limxn⇔l=limxn=limxn
- 若{xn}、{yn}是两个序列,则有limxn+limyn≤lim(xn+yn)≤limxn+limyn≤lim(xn+yn)≤limxn+limyn(假设不出现∞−∞的情况)
集合A的特征函数:χA(x)={10x∈Ax∈/A.
对于集合列{An},有(1)limχAn(x)=χlimAn(x);(2)limχAn(x)=χlimAn(x);
证明:设对任意x∈X,若x∈n→∞limAn,则存在Ani(i=1,2,⋯)使得x∈Ani,故χAni(x)=1,从而n→∞limχAn(x)=1=χn→∞limAn(x);
若x∈/n→∞limAn,则∃N∈N,使得当n>N时,x∈/An,故χAn(x)=0(当n>N时),从而n→∞limχAn(x)=0=χn→∞limAn(x).
同理可证limχAn(x)=χlimAn(x).
函数在某一点附近的上、下极限:
- 函数的上极限:x→alimf(x)=δ→0lim0<∣x−a∣<δsupf(x)=δ>0inf0<∣x−a∣<δsupf(x)
- 函数的下极限:x→alimf(x)=δ→0lim0<∣x−a∣<δinff(x)=δ>0sup0<∣x−a∣<δinff(x)
3. 映射(函数)
映射:对于非空集合X,Y,映射f:X→Y指对于任何的x∈X存在唯一的f(x)∈Y与之对应。
映射符号:2X={E∣E⊂X},比如2{a}={∅,{a}}、2{a,b}={∅,{a},{b},{a,b}},这种记法可以方便看出有多少个子集。
例1:比如f:N→2X,则f(n)=An∈2X,这里X=∪An(即An⊂X),集合列{An}可以看作是自然数集到2X的映射。
例2:集合X的子集的并运算是一个2X×2X上的函数,即f:2X×2X→2X,且∀A,B∈2X,(A,B)→A∪B。(这里叉乘的含义:A×B={(x,y)∣x∈A,y∈B},且A,B的顺序不能调换,它是一个有序对)。
例3:E∈2N是自然数集的有限子集,定义映射f(E)=E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f:X→Y,有:
定义域X:对于任何的x∈X,有f(x)∈Y;
值域:f(X)={f(x)∈Y∣x∈X}⊂Y;
象:对于A⊂X,f(A)={f(x)∣x∈A}为A在映射f下的像;
原像:{x∈X∣f(x)∈B}为B⊂Y的原像,通常记为f−1(B);
图(像):f的图(像)是X×Y的一个子集:Gr(f)={(x,f(x))∣x∈X};
集合与运算-映射-01
一些常见的映射:
- 满射:∀y∈Y,∃x∈X,s.t. f(x)=y;(任意一个y都至少有一个x与之对应,也就是说一个x可以对应多个y)
- 单射:对于x1,x2∈X,若x1=x2,则f(x1)=f(x2);(X到Y是一一映射,且f(X)⊂Y,即不要求每个y都有对应的x)
- 双射:满射+单射,即一一对应的满映射;
- 逆映射:f为双射时存在逆映射f−1:Y→X,y=f(x)→x;
- 复合映射:对于f:X→Y、g:Y→Z,有复合映射g ∘ f:X→Z,(g ∘ f)(x)=g(f(x));
命题:如果f和g都有逆映射,则g ∘ f也有逆映射,且(g ∘f)−1=f−1 ∘ g−1.
对于映射f:X→Y,以及集合Aλ⊂X、Bλ⊂Y,有以下结论:、
(1)f(λ∈I⋃Aλ)=λ∈I⋃f(Aλ);
(2)f(λ∈I⋂Aλ)⊂λ∈I⋂f(Aλ);
(3)f−1(λ∈I⋃Bλ)=λ∈I⋃f−1(Bλ);
(4)f−1(λ∈I⋂Bλ)=λ∈I⋂f−1(Bλ);
(5)若B1⊂B2,则f−1(B1)⊂f−1(B2);
(6)f−1(Bc)=(f−1(B))c;
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A到集合B的一一满映射(又称双射),则称A与B对等,记作A∼B。
对等关系满足:
- 自反性:A∼A
- 对称性:若A∼B,则B∼A
- 传递性:若A∼B、B∼C,则A∼C
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N∼Z,即自然数集和整数集也是对等的,因为存在双射f:N→Z,f(n)={k−(k−1),n=2k,n=2k−1(k=1,2,⋯).
集合的势:如果集合A,B满足A∼B,就称A与B有相同的势(基数),记为∣A∣。如果A是一个含有n个元素的有限集,则记∣A∣=n.
如果有一个从A到B的一一映射(不一定要求是满射),则有∣A∣≤∣B∣。(直观上的理解就是A的元素个数有可能会小于B,但对于无穷集,则不可以这样理解)
如果∣A∣≤∣B∣=∣A∣,则约定∣A∣<∣B∣.
定理:对于任意两个势α、β,关系式α<β、α=β、β<α中有且仅有一式成立。(证明需要集合论的Zorn公理)
推论:若α≤β且α≥β,则α=β.
自然数集的势记为ℵ0(阿列夫(Aleph)零),即∣N∣=ℵ0;实数集的势记为∣R∣=c.
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ℵ0)
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。
若A是一个可列集,则有一一对应关系f:N→A,n↦xn,于是A={x1,x2,⋯,xn,⋯}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A是一个无穷集合,任取x1∈A,则A\{x1}仍是无穷集,再任取x2∈A\{x1},则A\{x1,x2}仍是无穷集(x1=x2),依此类推,假设已取出n个互不相同的元素{x1,x2,⋯,xn},则A\{x1,x2,⋯,xn}仍是无穷集,从而可取xn+1∈A\{x1,x2,⋯,xn},由归纳法,可以从A中取出互不相同的元素排成序列{x1,x2,⋯,xn,⋯}为A的可列子集。
定理:可列集合的无穷子集仍是可列的。
证明:设A是一个可列集合,A1是A的无穷子集,根据前一定理可知,A1含有可列子集A2,于是有∣A∣=∣A2∣=ℵ0,且由于A2⊂A1⊂A,因此∣A2∣≤∣A1∣≤∣A∣,所以∣A1∣=∣A∣=∣A2∣=ℵ0,即A1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A1,A2,⋯,An,⋯是一列有限集或可列集,令Ai={xi1,xi2,⋯,xin,⋯}(可列集)或Ai={xi1,xi2,⋯,ximi}(有限集),则i=1⋃∞Ai中的元素可用多种不同方法排成序列,比如i=1⋃∞Ai={x11,x21,x12,x31,x22,x13,x41,⋯,xij,⋯},即xij排在第n=j+∑k=1i+j−2k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A1,A2,⋯,An是可列集⇒∏i=1nAi也是可列集。
证明:设A,B是可列集,这里只证明A×B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。A×B={(x,y)∣x∈A,y∈B}=y∈B⋃{(x,y)∣x∈A}=记作y∈B⋃Cy,注意到Cy={(x,y)∣x∈A}∼A,即Cy可列,根据前一定理(有限个可列集的并集仍是可列集)可知,A×B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Q是可列集,因为每个有理数都可以表示成分数的形式,即f:Z×Z→Q,(p,q)↦p/q,其中p,q互质,这是一个满射,所以∣Q∣≤∣Z×Z∣=ℵ0(前面例题已证明Z∼N),又由N⊂Q(即ℵ0≤∣Q∣)可知ℵ0=∣Q∣.
例2:由有限个自然数构成的有序数组的全体构成的集合A是可列的,因为A={(n1,n2,⋯,nk)∣ni∈N,i=1,2,⋯,k,k∈N}=k=1⋃∞Nk,而Nk={n1,n2,⋯,nk∣ni∈N,i=1,2,⋯,k}是由k个自然数构成的有序数组的全体,所以∣Nk∣=ℵ0,根据前面的定理知,Nk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p(x)=a0+a1x+axx2+⋯+akxk由k+1个有理系数(a0,a1,⋯,ak)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k=1⋃∞Qk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(ℵ0)的运算法则:
- n+ℵ0=ℵ0(有限集与可列集的并仍是可列集)
- ℵ0+ℵ0=ℵ0,∑i=1∞ℵ0=ℵ0(有限个或可数个可列集的并仍是可列集,这里的可数指无限可数)
- ℵ0×ℵ0=ℵ0,∏i=1nℵ0=ℵ0(有限个可列集的直积仍是可列集)
势的运算(设∣A∣=α、∣B∣=β):
定理:若A是无限集,B是可数集,则∣A∪B∣=∣A∣.
定理:集合A是无限集的充分必要条件是:A与其自身的一个真子集对等。
实数集的势
首先,(−1,1)∼R,因为存在映射f:(−1,1)→R,f(x)=tan(2πx),且f(x)是一一满映射,故∣(−1,1)∣=∣R∣=c.
其次,通过一一映射f(x)=21+x可知,(−1,1)∼(0,1),故∣(0,1)∣=c≥ℵ0(直观上可以理解为自然数集是实数集的子集)。
定理:区间(0,1)不是可列集。
证明:用反证法,证明不存在N→(0,1)的一一满映射。
不妨考虑区间(0,1]=(0,1)∪{1},假设存在用一一满映射f:N→(0,1],则f(n)可唯一表示为十进位小数,即f(n)=0.an1an2⋯ank⋯,其中n=1,2,⋯,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1.0000=0.999999⋯、0.235000=02349999⋯等;根据这样的f(n),我们再规定,若ann=1则取bn=2,若ann=1则取bn=1,于是就得到了x=0.b1b2⋯bn⋯∈(0,1],因为这是一个一一满映射,故对这个x存在一个n使得x=f(n),即0.b1b2⋯bn⋯=0.an1an2⋯ann⋯,即要求bn=ann,这显然与x的构造方式矛盾,所以不存在一一满映射f:N→(0,1],故区间(0,1)不是可列集。
定理:2N∼R,即2ℵ0=c,也就是说,自然数集的所有子集所构成的集合与R对等。
证明:思路是先证明2ℵ0≤c,再证明2ℵ0≥c,从而得出2ℵ0=c.(参考前面关于势的大小的定义)
由于2N与{0,1}N对等(因为元素个数相同),且(0,1)与R也是对等的,为方便起见,取(0,1]=(0,1)∪{1}。对于任意的ϕ∈{0,1}N,作映射f:{0,1}N↦(0,1],即有一一映射ϕ↦∑n=1∞3nϕ(n),由于ϕ∈{0,1}N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∣2N∣=2ℵ0≤c(映射左端与2N对等,右端与R对等,但不是满映射,故中间用小于等于号)
另一方面,任意x∈(0,1]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)x=∑n=1∞2nan(其中an∈{0,1},比如(0.5)10=(0.1)2=(0.0111111⋯)2,因为0.5=21=∑i=2∞2nan),即可以构造映射g:x↦φ∈{0,1}N,φ(n)=an(其中n=1,2,⋯,且观察2进制的形式可知,x的小数位置恰好可以由数列an唯一表示),即g:(0,1]→{0,1}N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c≤2ℵ0即可,只需要一一映射的结论),于是c≤2ℵ0.
定理(无最大基数(势)定理):若A是非空集合,则集合A与其幂集2A不对等。
证明:先看一个简单的情况,当A={x},即只有一个元素时,∣A∣=1,∣2A∣=2,显然不存在从A到2A的一一满映射。
用反证法证明,假设存在一一满映射f:A→2A,构造集合B={x∈A∣x∈/f(x)}⊂A,也就是说B∈2A,且B=∅(即B一定存在,不会为空集,反证法证明,B=∅⇔x∈f(x)(∀x∈A)⇒f(x)={x}),我们将证明不存在y∈A使得f(y)=B.
若y∈B,由B的定义可知,y∈/f(y)=B;若y∈/B=f(y),由B的定义可知,y∈B,矛盾,所以不存在一一满映射,即A与2A不对等。
定义:ℵk+1=2ℵk,即c=ℵ1=2ℵ0,ℵ2=2ℵ1,且0<1<2<⋯<n<⋯<ℵ0<ℵ1<⋯<ℵk<ℵk+1<⋯.
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A满足ℵk<∣A∣<ℵk+1,k=0,1,2,⋯.
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ℵ0与c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Rn,它满足(设x=(x1,x2,⋯,xn)∈Rn、y=(y1,y2,⋯,yn)∈Rn):
- 加法与数乘运算:x+λy=(x1+λy1,⋯,xn+λyn)∈Rn
- 模:∣∣x∣∣=(x12+x22+⋯+xn2)21,模满足:
- 正定性:∣∣x∣∣≥0;∣∣x∣∣=0⇔x=0=(0,0,⋯,0)
- 齐次性:∣∣λx∣∣=∣λ∣ ∣∣x∣∣,∀λ∈R
- 三角不等式:∣∣x+y∣∣≤∣∣x∣∣+∣∣y∣∣
- 内积:x⋅y=x1y1+x2y2+⋯+xnyn;特别地,∣∣x∣∣2=x⋅x
三角不等式的证明用到了Cauchy-Schwarz不等式:x⋅y≤∣∣x∣∣ ∣∣y∣∣,该不等式证明过程如下:
定义非负函数f(λ)=∑i=1n(xi+λyi)2=∣∣x+λy∣∣2=(x+λy)⋅(x+λy)=∣∣y∣∣2λ2+2(x⋅y)λ+∣∣x∣∣2,根据正定性可知该二次函数f(λ)≥0,故根判别式(2(x⋅y))2−4∣∣x∣∣2∣∣y∣∣2≤0⇔x⋅y≤∣∣x∣∣ ∣∣y∣∣.
三角不等式的证明:∣∣x+y∣∣2=∑i=1n(xi+yi)2=(x+y)⋅(x+y)=∣∣x∣∣2+2x⋅y+∣∣y∣∣2≤∣∣x∣∣2+2∣∣x∣∣ ∣∣y∣∣+∣∣y∣∣2=(∣∣x∣∣+∣∣y∣∣)2.
定义:x与y之间的距离记作d(x,y)=∣∣x−y∣∣(∀x,y∈Rn),它满足:
- 正定性:d(x,y)≥0;d(x,y)=0⇔x=y
- 对称性:d(x,y)=d(y,x)
- 三角不等式:d(x,y)≤d(x,z)+d(y,z),∀x,y∈Rn
定义:设x∈Rn、r>0,定义B(x,r)={y∈Rn∣d(x,y)<r},即以x为中心,以r为半径的球,也称作x的球邻域,也记作Br(x)。又设A⊂Rn,若存在R>0,使得A⊂BR(0),则称A是有界点集。(注意Br(x)是不含边界的,Br(x)={y∣∣∣x−y∣∣<r})
定义:设A⊂Rn,x0∈Rn,则:
- 若存在ϵ>0,使Bϵ(x0)⊂A,则称x0是A的内点,A的所有内点构成的集合记为A∘
- 若对任意的ϵ>0,有Bϵ(x0)∩A=∅,Bϵ(x0)∩Ac=∅,则称x0是A的边界点,A的所有边界点构成的集合记为∂A
- 若对任意的ϵ>0,有Bϵ(x0)∩(A\{x0})=∅,则称x0是A的聚点(极限点),A的全体聚点记为A′,称为A的导集
- 称A=A∪A′为A的闭包,等价定义A=A∘∪∂A
- A\A′为A的孤立点集合
- 若A=E,就称集合A在E中稠密
根据以上定义,有如下结论:①内点都是聚点,即A∘⊂A′;②∂A=A\A∘;③(Ac)∘=Rn\A其中的点称为A的外点。
Q∘=∅,Q′=Q=R⊃Q,∂Q=R.
简单地说,Ⅰ.孤立点就是散落在外面的点,比如A={0}∪[1,2],那么0就是A的孤立点;Ⅱ.聚点{内点边界点(去除孤立点).
并有如下运算:
- A⊂B⇒A′⊂B′
- (A∪B)′=A′∪B′
- x∈A\A′⇔∃r>0,Br(x)∩A={x},这也是孤立点的一种定义
定理:A⊂Rn,x∈Rn,x∈A′⇔∃{xk}⊂A\{x} s.t. k→∞limxk=x
6. 开集和闭集、集合的代数
定义:开集用O来表示,O⊂R是开集⇔def∀x∈O,∃δ>0, s.t. Bδ(x)⊂O⇔defO=O∘(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O1、O2是开集,那么O1∩O2也是开集。
证明:思路是对任意的x∈O1∩O2,证明存在一个x的球邻域包含于O1∩O2。x∈O1⇔∃δ1 s.t. Bδ1(x)⊂O1,x∈O2⇔∃δ2 s.t. Bδ2(x)⊂O2,令δ=min(δ1,δ2),则Bδ(x)⊂Bδ1(x)⊂O1、Bδ(x)⊂Bδ2(x)⊂O2,i.e. Bδ(x)⊂O1∩O2.
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On=(−n1,n1),则n=1⋂∞On={0}.
命题:任意开集族的并是开集。
证明:U=λ∈I⋃Oλ,其中∀λ∈I,Oλ是开集,∀x∈U,∃λ∈I s.t. x∈Oλ⇒∃δ>0 s.t. Bδ(x)⊂Oλ⊂U.
定义:闭集用F来表示,F⊂R是闭集⇔defF=F⇔F⊃F′.
闭区间是闭集,闭球{y∈Rn∣∣∣y−x∣∣≤r}是闭集;若O是开集,则Oc是闭集;若F是闭集,则Fc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F1、F2是两个闭集,由F1∪F2=F1∪F2=F1∪F2可知F1∪F2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{Fα}α∈I是一个闭集族,记F=α∈I⋂Fα,∀α∈I:F⊂Fα⇒F⊂Fα=Fα,由此可得F⊂α∈I⋂Fα=F,又有F⊂F,故F=F.
无限个闭集的并不一定是闭集,比如Fn=[n1,1−n1],则n=2⋃∞Fn=(0,1).
定义:由X的子集构成的集合族A(即A⊂2X)若满足以下三个条件:
(1)若A,B∈A,则A∪B∈A
(2)若A∈A,则Ac∈A
(3)若A,B∈A,则A∩B∈A
则称A为一个集合的代数或布尔代数。(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X子集的任何集合族C,存在包含C的最小代数A;即存在一个代数A包含C且对每一个包含C的代数B,都有B包含A。包含C的最小代数称为由C生成的代数。
比如,设X={0,1,2},C={{0}},则由C生成的代数为A={{0},{1,2},∅,{0,1,2}},因为对C作补集是{1,2},根据条件二要对补集运算封闭,生成的代数必须包含C和{1,2},根据条件一和条件三C和{0,1}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A为X的子集的代数,且{Ai}i=1∞为A中的一个集合序列,那么存在A中的集合序列{Bi}i=1∞,满足Bi∩Bj=∅(i=j),n=1⋃∞Bi=n=1⋃∞Ai.
证明提示:令B1=A1,Bn=An\(A1∪A2∪⋯∪An−1).
定义:若集合代数A中的每个可数集合族的并集仍属于A(数学表示为,若{Ai}⊂A,则i=1⋃∞Ai∈A),则称A为σ代数或博雷尔(Borel)域。根据德摩根法则,每个可数集合族的交集仍属于A.
σ代数与普通代数的区别在于它可以作可数次运算。σ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X子集的任何集合族C,存在包含C的最小σ代数;即存在一个σ代数A包含C且对每一个包含C的σ代数B,都有B⊃A。包含C的最小σ代数称为由C生成的σ代数。
X的σ代数总是存在的,比如2X(最大的σ代数),{∅,X}(最小的σ代数),这两个代数称为平凡σ代数。
定义:可数个闭集的并集记作Fσ(型)集;可数个开集的交集记作Gσ(型)集。
Fσ集的补集是Gσ集,Gσ集的补集是Fσ集。
定义:由Rn中一切开集构成的开集族所生成的σ代数称为Rn的Borel σ代数,记为Bn,Bn中的元素称为Borel集。
开集、闭集、Fσ集、Gσ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 σ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O是R中的一个非空开集,对任意的x∈O,x是O的内点,所以必有(y,z)⊂O使x∈(y,z),这样就找到O中一个包含x的开区间,我们要让这个开区间尽可能大,即,令b=sup{z∣(x,z)⊂O}、a=inf{y:(y,x)⊂O},取z的上确界b、y的下确界a,这样我们就找到O中包含x的最大开区间(a,b).
令Ix=(a,b),我们有Ix⊂O⇐∀w∈Ix(w<b),∃z>w s.t. w∈(x,z)⊂O;b∈/O⇐假设b∈O,∃δ>0 s.t. (b−δ,b+δ)⊂O, i.e. (x,b+δ)⊂O,这时b显然不是上确界,假设不成立;a∈/O的证明同理。也就是说如果找到一个包含x的最大开区间,那么这个开区间的端点一定∈/O.
再考虑开区间族{Ix}x∈O,Ix⊂O(∀x)⇒x∈O⋃Ix⊂O;∀x∈O,x∈Ix⇒x∈O⋃Ix⊃O,∴O=x∈O⋃Ix,也就是说,O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(a,b),(c,d)∈{Ix}有公共点,则必须有a<d、c<b,{c∈/O⇒c∈/(a,b)⇒c≤aa∈/O⇒a∈/(c,d)⇒a≤c⇒a=c,用同样的方法可以证明b=d,也即(a,b)=(c,d),所以{Ix}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:{(x,y)∈R2∣y<x2}、{x∈Rn∣∣∣x−y∣∣<r,∀y∈A}=y∈A⋃Br(y)
闭集的例子:{(x,y)∈R2∣y≤x2}、{x∈Rn∣∣∣x−y∣∣≤r,∀y∈A}=y∈A⋃(Br(y)∪∂Br(y))
推论:闭集F⫋R是从R中挖去至多可数个互不相交的开区间的集合。若F是有界闭集,则F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[0,1]三等分,并移去之间的那个开区间(31,32),存留部分记为F1,即F1=[0,31]∪[32,1],这是2个长度为31的区间,再将F1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F2,即F2=[0,91],∪[92,31]∪[32,97]∪[98,1],这是4个长度为91的区间,依此类推,Fn是2n个长度为3n1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Fn+1,那么Cantor集C=n=1⋂∞Fn,如下表:
|
Cantor集 |
挖去的开区间 |
|
[0,1] |
(31,32) |
F1 |
[0,31]∪[32,1] |
(321,322)∪(327,328) |
F2 |
[0,321],∪[322,323]∪[326,327]∪[328,1] |
(331,332)∪(337,338)∪(3319,3320)∪(3325,3326) |
|
⋮ |
⋮ |
Fn |
2n个长度为3n1的闭区间的并集,总长度为(32)n→0 |
共挖去2n−1个长度为3n1的开区间,共挖去总长度为∑i=0n3i+12i=1−3n+12n+1→1 |
Cantor集的性质:
定理:Rn中任意非空开集O可表示为至多可数个互不相交的n维半开矩体的并集。
半开矩体:[a1,b1)×[a2,b2)×⋯×[an,bn),各边长为bi−ai,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f是定义在Rn上的实值函数,a∈Rn,则f在a连续⇔def∀ϵ>0,∃δ>0,s.t. ∣f(x)−f(a)∣<ϵ(∀x∈Bδ(a))。若f在Rn上每一点都连续,则称f在Rn上连续。
定理:设f是Rn上的实值函数,则以下条件互相等价:
(1)f在Rn上连续;
(2)∀λ∈R,{x∣f(x)<λ}与{x∣f(x)>λ}是开集;
(3)∀λ∈R,{x∣f(x)≤λ}与{x∣f(x)≥λ}是闭集;
证明:显然(2)与(3)是等价的,这里只证明(1)与(2)等价。
(1)⇒(2):已知f在Rn上连续,设λ∈R,我们要证明{x∣f(x)<λ}是开集(>的情况同理)。对任意的x∈{x∣f(x)<λ},∃δ>0,s.t. f(x)≤λ−2δ(因为x在f(xλ)=λ时的xλ的左边且取不到xλ,就是说x与xλ有一定距离,设2δ≤这个距离),对于给定的δ>0,因为f在x连续,所以∃ϵ>0,s.t. ∣f(y)−f(x)∣<δ(∀y∈Bϵ(x))⇒∀y∈Bϵ(x),f(y)≤f(x)+∣f(y)−f(x)∣<f(x)+δ≤λ−δ<λ,也就是说,存在ϵ>0,使得当y∈Bϵ(x),有f(y)<λ,即Bϵ(x)⊂{x∣f(x)<λ},故{x∣f(x)<λ}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,f在a连续⇔给定δ>0,∃ϵ>0,s.t. ∣f(x)−f(y)∣<δ(∀y∈Bϵ(x)),证明开集是思路是找球邻域)
(2)⇐(1):已知∀λ∈R,{x∣f(x)<λ}、{x∣f(x)>λ}是开集,对于任意的a∈Rn,我们要证明f在a连续。对任意的ϵ>0,O={x∣∣f(x)−f(a)∣<ϵ}={x∣f(a)−ϵ<f(x)<f(a)+ϵ}={x∣f(x)>f(a)−ϵ}∩{x∣f(x)<f(a)+ϵ}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a∈O,故存在δ>0,使得Bδ(a)⊂O,i.e. f(x)−ϵ<f(y)<f(x)−ϵ(∀y∈Bδ(a)),也即∣f(y)−f(x)∣<ϵ(∀y∈Bδ(a)),所以f在a连续。
命题:f是Rn上的连续函数⇔对每个开集O⊂R,集合f−1(O)是开的。(f−1指逆像)
证明:必要性(⇒):设f(x)∈C(Rn)(即设f(x)是连续函数),根据定义有∀x∈Rn,∀ϵ>0,∃δϵ,x>0(指δ与ϵ、x无关),s.t. ∣f(x)−f(x)∣<ϵ(∀x∈B(x,δϵ,x),即以x为中心以δϵ,x为半径的球邻域),对于任意一个开集O⊂R,∀x∈f−1(O),i.e. f(x)∈O,∃ϵ1>0,s.t. B(f(x),ϵ1)={y∈R∣∣f(x)−y∣<ϵ1}⊂O,令ϵ=2ϵ1,则∀x∈B(x,δ2ϵ1,x),∣f(x)−f(x)∣<2ϵ1<ϵ1,即f(x)∈B(f(x),ϵ)⇒x∈f−1(O)(对任意x∈f−1(O),存在x的一个球邻域B(x,δ2ϵ1,x)⊂f−1(O),所以f−1(O)是开集)
充分性(⇐):∀x∈Rn,O=(f(x)−ϵ,f(x)+ϵ)⊂R是一个开集,因为f−1(O)是开集,且x∈f−1(O),则存在一个球邻域B(x,δx,ϵ)⊂f−1(O),即∀y∈B(x,δx,ϵ),f(y)∈O,也即∣f(x)−f(y)∣<ϵ,故f在x连续,由x的任意性知f∈C(Rn).
定义:设E⊂Rn、f:E→R、a∈E,若对于任意的ϵ>0,总存在δ>0,使得当x∈E∩Bδ(a),有∣f(x)−f(a)∣<ϵ,就称f在点a连续,a是f的连续点。f在E处处连续,就称f在E上连续。全体E上连续函数的集合记为C(E).
定义:设A⊂E⊂Rn,如果存在开集(闭集)B⊂Rn,使得A=E∩B,则称A相对于E是开集(闭集)。
比如,区间[0,1)相对于[0,2)是开集,因为[0,1)=[0,2)∩(−1,1);[0,1)相对于[−1,1)是闭集,因为[0,1)=[−1,1)∩[0,1]
命题:设E(f<λ):={x∈E∣f(x)<λ},则:
(1)f∈C(E)⇔∀λ∈R,E(f<λ)和E(f>λ)均相对于E是开集
(2)f∈C(E)⇔∀λ∈R,E(f≤λ)和E(f≥λ)均相对于E是闭集
柯西收敛定理(n维点集连续性的基本定理):序列{xn}⊂Rn收敛的充要条件是k,l→∞lim∣∣xk−xl∣∣=0.
证明:由∣∣xk−xl∣∣=(∑i=1n∣xk,i−xl,x∣2)21可知,C1≤i≤nmax∣xk,i−xl,i∣≤∣∣xk−xl∣∣≤C′1≤i≤nmax∣xk,i−xl,i∣(其中C、C′是常数),故k,l→0lim∣∣xk−xl∣∣=0⇔k,l→0lim∣xk,i−xl,i∣=0,因此n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⇒xk,i→x~i∈R(k→∞,1≤i≤n)⇒xk→x=(x~1,⋯,x~n)∈Rn(k→∞)
定义:设A⊂Rn,F是Rn的子集族,若A⊂⋃B∈FB,则称F是集A的一个覆盖;当F是开集族时,称F是集A的开覆盖;当F是有限族时,称F是集A的有限覆盖;若F′也是Rn的子集族(F′是另外一个子集族,与F无关),F′⊂F,当F′也是集合A的覆盖时,称F′是F的子覆盖。
有限覆盖定理:若F是有界闭集F的开覆盖,则可以从F中取出有限子覆盖。
证明:
考虑R2时的情况,如上图,用反证法。设不存在有限子覆盖,因为F有界,则存在一个方体C0=∏i=1[ai,bi],使得F⊂C0,将C0等分成2n个边长减半的小方体,那么其中必有一个小方体(记作C1)满足C1∩F不被F中有限个集所覆盖;再将C1等分成2n个边长减半的小方体,其中也必有一个(记作C2)满足C2∩F不被F中有限个集所覆盖,依此类推,可以得到一个方体的降列{Ck},使得每个Ck∩F不被F中有限个集所覆盖,因此我们有diam Ck→0(k→∞,这里的diam A=x,y∈Asup∣∣x−y∣∣表示集合A的直径),任取xk∈Ck∩F(k=1,2,⋯),则当l≥k时,∣∣xk−xl∣∣≤diam Ck→0,即{xk}为柯西列,根据前面的柯西收敛定理及F是闭集,有xk→x∈F;存在U∈F,使x∈U,因为U是开集,所以存在r>0,使得Br(x)⊂U,又因为xk∈Ck、diam Ck→0,故当k充分大时,F∩Ck⊂Ck⊂Br(x)⊂U(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Ck∩F不被F中有限个集覆盖矛盾,证毕。
闭区间套定理:设{Fk}是Rn中的非空有界闭集列,满足F1⊃F2⊃⋯⊃Fk⊃⋯,则i=1⋂∞Fk=∅.
证明:用反证法。假设i=1⋂∞Fk=∅,由德摩根律知i=1⋃∞Fkc=Rn,从而{Fkc}是有界闭集F1的一个开覆盖,由有限覆盖定理知,存在一个有限子覆盖{Fkjc}j=1s(注意这里取了补集),使得F1⊂j=1⋃sFkjc=(j=1⋂sFkj)c=Fksc(因为{Fkj}j=1s是降列,详见有限覆盖定理的证明部分),这与F1⊃Fks矛盾,因此有i=1⋂∞Fk=∅.
波尔查诺-威尔斯特拉斯极限点定理:Rn中任意有界无限点集A必有一个聚点,即A′=∅。该定理也可以等价表述为,Rn中有界无限序列必有收敛子列。
证明:用反证法。取A中的一个无限可列子集{xk},令Fk={xj∣j≥k}(j=1,2,⋯),显然F1⊃F2⊃⋯,假设A′=∅,则有Fk′=∅(∀k),所以Fk是有界闭集,由闭区间套定理可知,i=1⋂∞Fk=∅,显然矛盾,所以A′=∅.
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{xk}是柯西列,则∀ϵ>0,∃N>0,s.t.对任意k,l≥N,有∣∣xk−xl∣∣<ϵ,显然{xk}有界,则由定理知,它必有一收敛子列,当j充分大时,有∣∣xk−xkj∣∣≤ϵ,令j→∞,有∣∣xk−x∣∣≤ϵ,即得xk→x(k→∞)
定义:若集合E⊂Rn的任意一个开覆盖均包含有限子覆盖,就称E为紧集。
定理:设E⊂Rn,若E的任一开覆盖都包含有限子覆盖,则E是有界闭集。(即,Rn中的紧集=有界闭集)
证明:设z∈Ec,∀x∈E,∃δx>0,s.t. B(x,δx)∩B(z,δx)=∅(其中δx指δ与x无关),{B(x,δx)∣x∈E}是E的一个开覆盖,由题设,存在一个有限子覆盖B(x,δx1),B(x2,δ2),⋯,B(x,δxn),即i=1⋃nB(xi,δxi)⊃E⇒E有界。另外,记δ=min{δx1,⋯,δxn},我们有B(z,δ)∩E=∅,i.e.,z∈/E′,这说明E⊃E′,即E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n维向量构成的线性空间Rn、由所有n×n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d(x,y):X×X→R,且∀x,y,z∈X,满足如下性质:
(1)正定性:d(x,y)≥0;d(x,y)=0⇔x=y
(2)对称性:d(x,y)=d(y,x)
(3)三角不等式:d(x,y)≤d(x,z)+d(y,z)
我们称(X,d)为度量空间。
只要满足以上三个条件都可以称为距离。
常见的几种度量:
- 当X=Rn时,欧氏距离为dl2(x,y)=(∑i=1n∣xi−yi∣2)21,我们称其为l2度量,记作欧氏空间(X,dl2),我们可以定义它的球邻域Br(x)={y∈Rn∣dl2(x,y)<r},比如当n=2时,Br(0)={x∈R2∣(x12+x22)21<r}
- 当X=Rn时,可以定义距离dl1(x,y)=∑i=1n∣xi−yi∣,称为l1度量,记作度量空间(X,dl1),当n=2时,Br(0)={x∈R2∣∣x1∣+∣x2∣<r}
- 当X=Rn,可以定义距离dl∞(x,y)=i=1,2,⋯,nmax∣xi−yi∣,称为l∞度量,记作度量空间X,dl∞,当n=2时,Br(0)={x∈R2∣∣x1∣<r,∣x2∣<r}
- 离散(discrete)度量ddisc(x,y)={01,x=y,x=y,记作度量空间(X,ddisc)
定义(依度量d收敛):{xn}⊂X,xn→x∈X(n→∞)⇔defd(xn,x)→0(n→∞).
因此,(X,d)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,{1}⊂R,{1}在度量空间(R,dl2)上不是开集,因为Bdl2(1,ϵ)={x∣∣x−1∣<ϵ}⊈{1};但是{1}在度量空间(R,ddisc)上是开集,因为Bddisc (1,21)={x∣ddisc(1,x)<21}={1}
是否为开集也依赖于环绕空间,比如,X={(x,0)∣x∈R}⊂R2,E={(x,0)∣x∈(−1,1)}⊂X,E在(相对于)度量空间(R2,dl2)不是开集(画图后可知,X是x轴,而E是x轴上(−1,1)这一段,E内任意取一点画球邻域,球邻域内都会有部分点在X外面,故不是开集);但是在度量空间(X,dl2)是开集(因为空间被限制在X,也就是x轴上了,在E上以任意点为中心作开区间是开集)。
定义:度量空间(X,d)是完备的,当且仅当(X,d)中的每一个柯西列在(X,d)中都是收敛的。(也就是说,X完备,则X是闭集)
比如,(Qn,dl2)不是完备的(因为柯西列有可能会收敛到一个无理数),而(Rn,dl2)是完备的。
定义:度量空间(X,d)是紧(致)的,当且仅当(X,d)中的每一个序列都有收敛子列。(也就是说,X紧致,则X是一个紧集)
比如,(R,dl2)不是紧致的,因为R⊂R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”X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dl1、dl2、dl∞、⋯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n是一个自然数,那么n++也是一个自然数。
引入记号:1:=0++、2:=(0++)++、⋯,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m和n是两个不同的自然数,则m++=n++.(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P(n)表示自然数n的任意一个性质,如果P(0)为真且P(n)为真时,必有P(n+1)为真,那么对所有的n有P(n)为真。
因为像集合N={0,0.5,1,1.5,2,2.5,⋯}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m∈N定义0+m:=m,归纳的假设已定义n+m,那么我们定义(n++)+m:=(n+m)++.
这种定义方式称递归的定义方式。
由加法可引入序的概念:(1)n,m∈N,n≥m(或m≤n)⇔def∃a∈N,s.t. n=m+a;(2)n,m∈N,n>m(或m<n)⇔defn≥m,n=m
由加法可定义乘法×:对m∈N定义o×m:=0,归纳的假设已定义n×m,那么我们定义(n++)×m=(n×m)+m
由乘法可定义指数:对m∈N定义m0=1(00=1),归纳的假设已定义mn,那么我们定义mn++:=mn×m
利用自然数集合定义整数集合Z:要用两个自然数去定义一个整数,m,n∈N,则整数表示为m−n(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m−n=a−b⇔m+b=a+n,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Q:用两个整数去定义一个有理数,a,b∈Z(b=0),则有理数表示为a//b,这样定义要满足a//b=c//d⇔ad=cb,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x2=2的解不是有理数,可以用反证法证明:假设解x=2是有理数,根据高数中有理数的定义,x可以表示为x=qp(p,q互质),则x2=2=q2p2⇒p2=2q2⇒设p=2k(p2是偶数那么p也是偶数),则4k2=2q2⇒q2=2k2⇒即q是一个偶数,可以写成q=2k′,那么p,q都是偶数,与互质的条件矛盾。
如何计算2:设x2−2=0⇒x=1+ϵ1,其中ϵ1是一个小量,(1+ϵ1)2=1+2ϵ1+ϵ12=2⇒1+2ϵ1≈2⇒ϵ1≈21,再设ϵ1=21+ϵ2,即x=1+21+ϵ2,则(1+21+ϵ2)2=49+3ϵ2+ϵ22=2⇒49+3ϵ2≈2⇒ϵ2≈−121,再设ϵ2=−121+ϵ3,即x=1+21−121+ϵ3,依此类推。(或者用数值计算中的Newton法:xn+1=xn−2xnxn2−1=2xn1−2xn)
利用有理数集合定义实数集合R:用有理数柯西列去定义一个实数,x∈R↔def∃{an}⊂Q(其中{an}是有理数的柯西列),且x=n→∞liman
10.
补充:有序集与Zorn公理,势的序关系
对于集合X,我们引入一个(序)关系⪯,即对任意x,y∈X,x⪯y要么为真,要么为假(即使为假,也不代表有y⪯x)。序关系⪯是一个二元关系,它满足:
(1)自反性:∀x∈X,x⪯x
(2)反对称性:若x⪯y且y⪯x,则x=y
(3)传递性:若x⪯y且y⪯z,则x⪯z
为了方便表示,再引入如下记号:若x⪯y,且x=y,则x≺y;x⪯y⇔y⪰x
定义:我们称{X,⪯}为(偏)序空间,若X被赋予了关系⪯,则称X是一个偏序集。
比如,{2X,⊂}是一个偏序空间,它满足前面的三个性质(1)对所有E∈2X(如E⊂X),有E⊂E;(2)对A,B∈2X,若A⊂B、B⊂A,则A=B;(3)对于A,B,C∈2X,若A⊂B、B⊂C,则A⊂C
再比如,{R,≤}、{N,∣}(对于a,b∈N,a∣b⇔def∃c∈N,s.t. ac=b,也就是说如果a是b的因子,那么a要排在b前面)都是偏序空间。
定义:设{X,⪯}是一个偏序空间,如果对任意a,b∈X,我们有a⪯b或b⪯a,则称{X,⪯}是全序空间,X是全序集。
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,{N,≤}、{Q,≤}、{R,≤}都是全序空间。
定义:如果{X,⪯}是一个偏序空间,则称X的任意一个子集B为有序子集,如果{B,⪯}是全序空间,则称B是全序子集;如果X中不存在真包含B的全序子集,则称B是X的一个最大全序子集。
比如,{2n:n=0,1,2,⋯}是{N,∣}的一个最大全序子集;{3n:n=0,1,2,⋯}也是{N,∣}的一个最大全序子集;而{4n:n=0,1,2,⋯}是{N,∣}是{N,∣}的全序子集,但并非最大,因为{4n:n=0,1,2,⋯}⫋{2n:n=0,1,2,⋯}。
Zorn公理:每个偏序集都有最大全序子集。
定义:设X是偏序集,B⊂X是全序子集:(1)若a∈X满足x⪯a(∀x∈B),则称a为B的一个上界;(2)若b∈B满足x⪯b(∀x∈B),则称b为B的最大元;(3)若a∈X对所有X中能与a比较顺序的元x都有x⪯a,则称a为X的一个极大元。
比如,X={∅,{0},{1},{3},{0,1},{0,2},{1,2},{1,3},{0,1,2},{1,2,3}},则{X,⊂}是一个偏序空间,而B={∅,{0},{0,1}}是X的一个全序子集,{0,1}是B的一个上界,同时也是B的最大元,但X没有最大元,{0,1,2}也是B的一个上界,同时也是X的一个极大元,{1,2,3}也是X的一个极大元。
Zorn引理:设X是一个非空偏序集,若X的每个全序子集在X中都有界,则X必有极大元。
证明:由Zorn公理,X有一个最大全序子集B,根据假设,B有上界a∈X,现证明a是X的极大元(用反证法):若a不是X的极大元,则存在b∈X使得a⪯b,于是B∪{b}是X的一个全序子集且真包含B,与B是最大全序子集矛盾,证毕。
选择公理:设I是一个集合(指标集),且对每个α∈I,集合Xα非空,则集合∏α∈IXα也非空。换而言之,存在一个选择函数,对每一个α∈I都指定了一个元素xα∈Xα
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X是一个集合,若f:2X→2X满足当A⊂B⊂X时,都有f(A)⊂f(B),则称f是2X上单调映射。
引理:2X上的单调映射有不动点。
不动点即a=f(a),其中a是集合中的一个元素,f是一个映射。
证明:令F={A∈2X∣A⊂f(A)}、E=A∈F⋃A,现证明E=f(A)。∀A⊂E,A⊂f(A)⊂f(E)⇒两边同时作并集E⊂f(E),⇒f是单调映射f(E)⊂f(f(E))⇒f(E)⊂E,则E⊂f(E)f(E)⊂E}⇒E=f(E)
定义:设A1⊂A2⊂X,f:A1→Y、g:A2→Y是一一映射,若∀x∈A1有f(x)=g(x)(即在A1上g和f是相同的映射,且g的定义域和值域都≥f),则称g是f在A2上的延拓,f是g在A1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:∣X∣<∣Y∣、∣X∣>∣Y∣、∣X∣=∣Y∣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X,Y的势,就要找到一个X到Y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:
- 存在从X的一个子集M到Y上的一一映射,即∣M∣=∣Y∣M⊂X⇒∣M∣≤∣X∣}⇒∣Y∣≤∣X∣(这里的≤是指由映射定义的序关系,而不是实数之间比大小;这里是从M到Y的一一映射,不要求是满映射)
- 存在X到Y的一个子集N上的一一映射,即∣X∣=∣N∣N⊂Y⇒∣N∣≤∣Y∣}⇒∣X∣≤∣Y∣
证明思路:我们要做的是,对任意M⊂X、N⊂Y,考虑所有从M到N的一一映射,一直扩大M或N,直至从中找出满足M=X或N=Y时的一一映射,这样就可以证明∣X∣≤∣Y∣或∣X∣≥∣Y∣中必有一个成立,再由∣X∣≤∣Y∣且∣X∣≥∣Y∣⇒∣X∣=∣Y∣,得出∣X∣<∣Y∣、∣X∣>∣Y∣、∣X∣=∣Y∣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:X,Y是两个集合,若∣X∣≤∣Y∣且∣Y∣≤∣X∣,则有∣Y∣=∣X∣
证明:∣X∣≤∣Y∣⇒∃f:X→Y是一一映射(不一定满),∣Y∣≤∣X∣⇒∃g:Y→X是一一映射(不一定满),我们的目的是找一个h:X→Y的一一满映射。
集合与运算-势的序关系-01
利用f和g构造h的思路是,将X分成X\E和E两部分,其中X\E可以通过g−1映射到Y\f(E),而E可以通过f映射到f(E),如上图。我们要找E⊂X满足X\E=g(Y\f(E)),即E=X\g(Y\f(E)),定义ψ:2X→2X,ψ(A):=X\g(Y\f(A)),如下图
集合与运算-势的序关系-02
则,A⊂B⇒f(A)⊂f(B)⇒Y\f(A)⊃Y\f(B)⇒g(Y\f(A))⊃g(Y\f(B))⇒X\g(Y\f(A))⊂X\g(Y\f(B)),即ψ(A)⊂ψ(B),也就是说ψ是单调映射,因此∃E⊂X(i.e. E∈2X),s.t. E=ψ(E)=X\g(Y\f(E))(即存在一个不动点集E),故f:E→f(E)是一一满映射,g:Y\f(E)→g(Y\f(E))=X\E是一一满映射,故g−1:X\E→Y\f(E)也是一一满映射,h(x)={f(x)g−1(x)x∈Ex∈X\E
定理:设∣X∣=α、∣Y∣=β,则α<β、α=β、β<α必有且仅有一个成立。
证明:只需证明β≤α与α≤β中至少有一个成立即可(见前面的证明思路)。考虑集合族F={f:A→B∣f是一一满映射,A⊂X,B⊂Y},我们要找一个定义域尽量大或者值域尽量大的f,即A=X或B=Y。先证明F不是开集:对a∈X,b∈Y,令f(a)=b,取A={a}、B={b},则有f∈F。对f,g∈F,若g是f的延拓,则称f⪯g,{F,⪯}是一个偏序空间,对于任意的一个F的全序子集FI,FI={fi:Ai→Bi∣fi:一一满映射,fi∈F,i∈I},如下图
集合与运算-势的序关系-03
像这样一直扩大Ai和Bi,然后可以通过并集构造极大组,f:i∈I⋃Ai→i∈I⋃Bi,对任意x∈i∈I⋃Ai,∃i∈I,s.t. x∈Ai,令f(x)=fi(x),显然,f是每个fi在i∈I⋃Ai上的延拓,f∈F,且f是FI是上界,由Zorn引理可知,F有极大元g,且g:M→N是一一满映射(因为F的定义),其中M⊂X,N⊂Y,故∣M∣=∣N∣。现证明M=X、N=Y不能同时成立,用反证法,若有a∈X\M、b∈Y\N,则令h(x)={g(x)b,x∈M,x=a,即h:M∪{a}→N∪{b}的一一满映射,h∈F,g≺h,与g是一个极大元矛盾,所以有两种可能:M=X⇒∣X∣=∣M∣=∣N∣≤∣Y∣(N⊂Y),或N=Y⇒(X⊃M)∣X∣≥∣M∣=∣N∣=∣Y∣
二、勒贝格(Lebesgue)测度
1. Lebesgue外测度
我们希望对于一个Ω⊂Rn可以指定一个非负实数m(Ω)≥0,即,对于Ω⊂Rn,Ω的长度/面积/体积等,统称为测度。比如:m([0,1]2)=1×1=1、m((0,∞)2)=∞、m(B(o,r))=πr2.
我们希望这样的测度m:2Rn→R+∪{∞}(其中R+是指非负实数)可以满足如下条件:
(1)对于矩体I=∏i=1n[ai,bi],m(I)=(b1−a1)×(b2−a2)×⋯×(bn−an);
(2)可列可加性:若{En}是互不相交集合列,则有m(∪En)=∑n=1∞m(En);
(3)平移不变性:y+E={x+y∣x∈E},m(y+E)=m(E);
其中y+E在部分教材中写作{y}+E,在二维平面中就是区域E沿着向量y的方向和长度作平移,比如[a,b]+x=[a+x,b+x]、B(0,r)+y=B(y,r).
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E⊂Rn都存在,如果想对每个E⊂Rn都有测度,可以适当地降低前面的要求,比如说把(2)改为m(∪En)≤∑n=1∞m(En),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Rn中的开矩体I={(x1,x2,⋯,xn)∣ai<x<bi,i=1,2,⋯,n}=∏i=1n(ai,bi),定义这个开矩体的体积为∣I∣=∏i=1n(bi−ai).(bi−ai是边长,所以体积非负)
定义:设E⊂Rn,若{Ik}k=1∞是Rn中一列开矩体,且是E的一个覆盖,那么它确定了一个非负实数(可以是∞)u=∑k=1∞∣Ik∣,则m∗(E)=inf{u∣u=∑k=1∞∣Ik∣,Ik是开矩体},称m∗(E)为集合E的Lebesgue外测度,简称外测度。
定理:Rn中的点集的外测度具有以下性质:
(1)非负性:m∗(E)≥0,m∗(∅)=0;
(2)单调性:若E1⊂E2,则m∗(E1)≤m∗(E2);
(3)次可加性:m∗(k=1⋃∞Ek)≤∑k=1∞m∗(Ek);(Ek可以相交)
(4)平移不变性:m∗(E+y)=m∗(E)(∀y∈Rn),其中E+y={x+y∣x∈E};
证明:(1)可由定义直接得出。(2)的证明:当E1⊂E2时,E2的任一开矩列覆盖也是E1的一个覆盖,由外测度的定义可得(2)。
(3)的证明:不妨设∑k=1∞m∗(Ek)<∞,对于任意的ϵ>0,k∈N,存在Ek的一个开矩列覆盖{Ik,j}j=1∞,使得Ek⊂j=1⋃∞Ik,j,且∑j=1∞∣Ik,j∣≤m∗(Ek)+2kϵ(即m∗(Ek)只需加一个任意小的数就能比∑j=1∞∣Ik,j∣大,也就是说∑j=1∞∣Ik,j∣只比m∗(Ek)大一点点),由此可见k=1⋃∞Ek⊂k,j=1⋃∞Ik,j,∑k,j=1∞∣Ik,j∣≤∑k=1∞m∗(Ek)+ϵ,也就是说{Ik,j}k,j=1∞是k=1⋃∞Ek的一个开覆盖,故m∗(k=1⋃∞Ek)≤∑k=1∞m∗(Ek)+ϵ,由ϵ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I,有∣I+x∣=∣I∣,于是对E的任意覆盖{Ik},经平移后{Ik+x}是E+x的一个覆盖,从而m∗(E+x)≤∑k=1∞∣Ik+x∣≤∑k=1∞∣Ik∣,根据E的外测度定义得,m∗(E+x)≤m∗(E);反之,考虑将集合E+x作平移−x,可得点集E,因而有m∗(E)≤m∗(E+x);故m∗(E+x)=m∗(E),得证。
例1:单点集和可数点集的外测度为0,即m∗({x})=0,m∗({xk}k=1∞)=0.(比如有理数集是可列集,所以外测度是0)
例2:考虑n−1维超平面矩体E={x=(ξ1,ξ2,⋯,ξi−1,t,ξi+1,⋯,ξn)∣aj≤ξj≤bj,j=i},则有m∗(E)=0。比如在R2,x轴上的(0,1)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:[0,1]中的Cantor集C的外测度是零,因为C=n=1⋂∞Fn,其中Fn是2n个长度为3−n的闭区间的并集,所以m∗(C)≤m∗(Fn)≤2n3−n,令n→∞,则m∗(C)=0.
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E1,E2,⋯,En,有m∗(j=1⋃nEj)=∑j=1nm∗(Ej)),则可以推出可列可加性(m∗(j=1⋃∞Ej)=∑j=1∞m∗(Ej)),推导过程:∵m∗(j=1⋃∞Ej)≥m∗(j=1⋃nEj)=可加性∑j=1nm∗(Ej)→n→∞∑j=1∞m∗(Ej),又∵m∗(j=1⋃∞Ej)≤∑j=1∞m∗(Ej)(次可加性),∴m∗(j=1⋃∞Ej)=∑j=1∞m∗(Ej),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x∈(0,1),定义Lx={ξ∈(0,1)∣ξ−x∈Q}=(x+Q)∩(0,1),易知x∈Lx,Lx=∅,且有Lx∩Ly=∅⇔∃ξ∈Lx∩Ly⇔∃q1,q2∈Q,s.t. ξ=x+q1=y+q2⇔x−y=q2−q1∈Q(有理数的差仍是有理数)⇔Lx=Ly,也就是说Lx,Ly要么不相交,要么相等(如L2=L3,L0=Q=L1.2),这样就可以把(0,1)分解成一些互不相交的Lx的并集,根据选择公理,可以对每一个Lx从中任意选取一个点构成一个集合S,则S⊂(0,1),另外再定义一个集合{ri}i=1∞是(−1,1)中的有理数全体(即{ri}i=1∞=(−1,1)∩Q),根据这两个集合可以定义Sk:={x+rk∣x∈S}=S+rk,它是S的平移,因此有Sk⊂(−1,2),易知,若k=j则Sk∩Sj=∅(反证法,假设∃ξ∈Sk∩Sj,则∃x,y∈S,s.t. ξ=x+rk=y+rj,即x−y=rj−rk∈Q,也就是说Lx=Ly,由于x,y∈S是由互不相交的点构成的,所以Lx不可能等于Ly,矛盾),同时又可以验证(0,1)⊂n=1⋃∞Sn(证明:∀x∈(0,1)有x∈Lx,令{y}=Lx∩S,存在一个q∈Q使得y=x+q,且q=y−x∈(−1,1)∩Q,也就是说存在一个rn使得q=rn,代入得y=x+rn∈Sn⇒(0,1)⊂∪Sn),于是我们有(0,1)⊂n=1⋃∞Sn⊂(−1,2),且S1,S2,⋯互不相交,且都是S的平移,如果外测度有可列可加性,则1=m∗((0,1))≤m∗(n=1⋃∞Sn)=∑n=1∞m∗(Sn)≤m∗(−1,2)=3,且m∗(Sn)=m∗(S)(∀n,因为是平移),也就是说∑n=1∞m∗(S)=∞⋅m∗(S)显然不可能小于等于3。类似的,可证外测度无有限可加性。
命题:对于任意的开矩体I,总有m∗(I)=m∗(I)=∣I∣。(I指I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E⊂Rn,若∀T⊂Rn,有m∗(T)=m∗(T∩E)+m∗(T∩Ec),则称E是Lebesgue可测集,简称可测集。可测集的全体记为M,称为Rn的可测类。当E∈M时,m∗(E)称为E的测度,简记为m(E).
可测集的定义中,任意的T不好选取,因此有与之等价的定义:对任意的矩体I有m∗(I)=m∗(I∩E)+m∗(I∩Ec),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ϵ>0,存在可列矩体列{Ik}k=1∞,使得k=1⋃∞Ik⊃T,m∗(T)≤∑k=1∞∣Ik∣≤m∗(T)+ϵ,则(k=1⋃∞Ik)∩E⊃(T∩E),(k=1⋃∞Ik)∩Ec⊃(T∩Ec),即
m∗(T∩E)+m∗(T∩Ec)≤m∗((k=1⋃∞Ik)∩E)+m∗((k=1⋃∞Ik)∩Ec)=m∗(k=1⋃∞(Ik∩E))+m∗(k=1⋃∞(Ik∩Ec))≤∑k=1∞(m∗(Ik∩E)+m∗(Ik∩Ec))=∑k=1∞m∗(Ik)=∑k=1∞∣Ik∣<m∗(T)+ϵ(这是条件m∗(I)=m∗(I∩E)+m∗(I∩Ec))
,令ϵ→0,得m∗(T∩E)+m∗(T∩Ec)≤m∗(T),又因为T可以写成T=(T∩E)∪(T∩Ec),m∗(T)≤m∗(T∩E)+m∗(T∩Ec),故m∗(T)=m∗(T∩E)+m∗(T∩Ec).
定理:若m∗(E)=0,则E∈M,即外测度是0的集合是可测集。
证明:由T∩E⊂E,T∩Ec⊂T可得m∗(T∩E)+m∗(T∩Ec)≤m∗(E)+m∗(T)=m∗(T).
定理:Rn中的开矩体I∈M,m(I)=∣I∣.(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J,m∗(J)=m∗(J∩I)+m∗(J∩Ic)。由于J∩I仍是开矩体,于是有m∗(J∩I)=∣I∩J∣(前面的命题已说明),而对于J∩Ic=J\(J∩I),有m∗(J∩Ic)=∣J∣−∣J∩I∣(J∩Ic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m∗(J)=∣J∣=∣J∩I∣+(∣J∣−∣J∩I∣)=m∗(J∩I)+m∗(J∩Ic)⇒I∈M.
定理:可测集的性质:
(1)∅∈M,m(∅)=0;
(2)若E∈M,则Ec∈M;
(3)若E,F∈M,则E∪F、E∩F、E\F都∈M;
(4)可列可加性,若Ej∈M,j=1,2,⋯,则n=1⋃∞Ej∈M;若还有Ei∩Ej=∅(i=j),则m(j=1⋃∞Ej)=∑j=1∞m(Ej),
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M是一个σ代数,根据前面的定理(Rn中任意非空开集O可表示为至多可数个互不相交的n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Borelσ代数B⊂M,即Borel集是Lebesgue可测集。
(1)(2)显然成立,现证明(3)。只需证明E∪F是可测集,其他两个可以由德摩根法则和E\F=E∩Fc得出。对任意的点集T,
勒贝格测度-可测集-01
m∗(T)≤m∗(T∩(E∪F))+m∗(T∩(E∪F)c)=m∗(T∩(E∪F))+m∗(T∩Ec∩Fc)≤m∗(T∩(E∪F))+m∗((T∩Ec)∩Fc)≤m∗((T∩E)∩F)+m∗((T∩E)∩Fc)+m∗((T∩Ec)∩F)+m∗((T∩Ec)∩Fc)=m∗(T∩E)+m∗(T∩Ec)=E是可测集m∗(T)
,故∀T有m∗(T)=m∗(T∩(E∪F))+m∗(T∩(E∪F)c)⇒E∪F∈M.(实际上可列个的情况下性质(3)也成立)
(4)的证明:设集合E1,E2,⋯,Ek,⋯是一列互不相交的可测集,由E1的可测性,对任意点集T,有
m∗(T∩(E1∪E2))=m∗(T∩(E1∪E2)∩E1)+m∗(T∩(E1∪E2)∩E1c)⇒m∗(T∩(E1∪E2))=E1∩E2=∅m∗(T∩E1)+m∗(T∩E2)⇒数学归纳法m∗(T∩(j=1⋃kEj))=∑j=1km∗(T∩Ej)
再引入记号S:=j=1⋃∞Ej、Sk:=j=1⋃kEj,k=1,2,⋯,则根据前面的结论可知Sk∈M,
m∗(T)=m∗(T∩Sk)+m∗(T∩Skc)=可加性∑j=1km∗(T∩Ej)+m∗(T∩Skc)≥∑j=1km∗(T∩Ej)+m∗(T∩Sc)≥∑j=1∞m∗(T∩Ej)+m∗(T∩Sc)≥m∗(T∩S)+m∗(T∩Sc)⇒S∈M(∵Sk⊂S,T∩Skc⊃T∩Sc)(当k→∞时)(次可加性)
m∗(T)≥∑k=1∞m∗(T∩Ek)+m∗(T∩Sc)⇒m∗(T∩S)≥∑k=1∞m∗(T∩S∩Ek)+m∗(T∩S∩Sc)⇒m∗(T∩S)≥∑k=1∞m∗(T∩Ej)(前面结论)(用T∩S替换T)(∵m∗(T∩S∩Sc)=0,且∀j有Ej⊂S)
结合次可加性,所以m∗(T∩S)=∑k=1∞m∗(T∩Ej),再令T=Rn,得m∗(S)=∑k=1∞m∗(Ej).
前面假设Ej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{Ei},令F1=E1,Fk=Ek\(i=1⋃k−1Ei)(k=2,3,⋯),这样构造出来的{Fk}就是互不相交的,且⋃Ek=⋃Fk∈M,所以即使是相交的可测集,它们的并仍是可测集。
推论:若Ej∈M,j=1,2,⋯,则k=1⋂∞Ek∈M.
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E1⊂E2⊂⋯⊂Ek⊂⋯,则k→∞limEk∈M,且m(k→∞limEk)=k→∞limm(Ek).
证明:k→∞limEk=k=1⋃∞Ek∈M,我们有k=1⋃∞Ek=k=1⋃∞(Ek\Ek−1)(规定E0=∅),{Ek\Ek−1}k=1∞是互不相交的可测集列,由于Ek−1与Ek\Ek−1互不相交,m(Ek−1)+m(Ek\Ek−1)=m(Ek−1∪(Ek\Ek−1))=m(Ek),故m(Ek\Ek−1)=m(Ek)−m(Ek−1),由测度的可列可加性,m(k→∞limEk)=m(k=1⋃∞(Ek\Ek−1))=∑k=1∞m(Ek\Ek−1)=∑k=1∞(m(Ek)−m(Ek−1))=k→∞limm(Ek).
推论:若E1⊃E2⊃⋯⊃Ek⊃⋯是递减可测集列,且m(E1)<∞,则m(k→∞limEk)=k→∞limm(Ek).
证明:令Fk=E1\Ek,则Fk⊂Fk+1是一列递增的可测集列,由前面的定理知k→∞limFk∈M,且m(k→∞limFk)=k→∞limm(Fk),因此k→∞lim(E1\Ek)=E1\k→∞limEk∈M⇒k→∞limEk∈M,m(k→∞limFk)=m(E1\k→∞limEk)=m(E1)−m(k→∞limEk)k→∞limm(Fk)=k→∞lim(m(E1)−m(Ek))=m(E1)−k→∞limm(Ek)m(k→∞limFk)=k→∞limm(Fk)⎭⎬⎫⇒m(E1)<∞m(k→∞limEk)=k→∞limm(Ek),其中要求m(E1)<∞是为了避免出现∞−∞的情况。
定理:若E∈M,则E+x∈M,∀x∈Rn.
证明:易知(E+x)c=Ec+x,且对任意T⊂Rn,易知T∩(E+x)=((T−x)∩E)+x,因此
m∗(T∩(E+x))+m∗(T∩(E+x)c)=m∗(((T−x)∩E)+x)+m∗(((T−x)∩Ec)+x)=m∗((T−x)∩E)+m∗((T−x)∩Ec)=m∗(T−x)=m∗(T)(外测度的平移不变性)
因此E+x∈M.
定理:对任意的E∈M,存在Borel集F、G,使得F⊂E⊂G,m(F)=m(E)=m(G).
证明:首先设m(E)<∞,则对任意的k∈N,存在开矩体列{Ij(k)}j=1∞(其中k=1,2,⋯),满足j=1⋃∞Ij(k)⊃E,∑j=1∞∣Ij(k)∣−k1≤m(E)≤∑j=1∞∣Ij(k)∣(其中k1是一个很小的量,表示开矩体列的测度无限接近m(E)),令Gk=j=1⋃∞Ij(k),则Gk是开集,且Gk⊃E,考虑到Ij(k)之间有可能相交,于是有m(Gk)−k1≤∑j=1∞∣Ij(k)∣−k1≤m(E)≤m(Gk),故m(Gk\E)=m(Gk)−m(E)≤k1,令G=k=1⋂∞Gk,则G是Gδ型Borel集,且E⊂G(因为Gk⊃E,即每个Gk都包含E,取交集后仍包含E),由m(G\E)≤m(Gk\E)≤k1,可知m(G\E)=0,即m(G)=m(E),这样就找到了G,接下来找F。如果E有界,则存在闭矩体J⊃E,记S=J\E,m(S)=∣J∣−m(E),由前面证明可知,存在Gδ型集G⊃S,满足m(G)=m(S),令F=J∩Gc,则F是Fσ型Borel集,且F⊂E(画图就知道了),故m(F)≤m(E),又有m(F)=m(J\G)≥∣J∣−m(G)=∣J∣−m(S)=m(E),即得m(F)=m(E).
前面只证明了E有界的情况,如果E无界,则存在递增开矩体列{Ik},使得Rn=k=1⋃∞Ik⊃E,令Ek=E∩Ik,因为Ik递增,所以{Ek}是递增可测集列,且由于每个Ik都有界,所以Ek也有界,于是E=E∩k=1⋃∞Ik=k=1⋃∞Ek,对任意的Ek,存在Borel集Gk、Fk,使得Fk⊂Ek⊂Gk,m(Fk)=m(Ek)=m(Gk),令F=k=1⋃∞Fk、G=k=1⋃∞Gk,则F和G都是Borel集,且F⊂E⊂G,因为G\E⊂k=1⋃∞(Gk\Ek)、E\F⊂k=1⋃∞(Ek\Fk),而m(Gk\Ek)=m(Ek\Fk)=0(前面已证明过m(Gk\E)=0,这里类似),m(G\E)≤∑k=1∞m(Gk\Ek)=0,同理m(E\F)=0(也就是说可测集和Borel集相差一个零测集),所以m(F)=m(E)=m(G).
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X为非空集,F⊂2X,即F是X的一个σ代数,我们称(X,F)为一个可测空间,每个集合A∈F称为F可测集。若集函数μ:F→[0,∞]具有以下性质:
(1)μ(∅)=0;
(2)若An∈F(其中n=1,2,⋯),且An互不相交,有μ(n⋃An)=∑nμ(An);(可加性)
则称μ为(X,F)上的一个测度,称三元组(X,F,μ)为测度空间。若测度μ还满足:若B⊂A∈F,μ(A)=0,则B∈F,则称μ是完备测度,(X,F,μ)是完备测度空间。
一些常见的名词:设(X,F,μ)是测度空间:
- 若μ(X)<∞,则称为有限测度
- 若μ(X)=1,则称为概率测度,同时(X,F,μ)被称为概率测度空间
- 对A∈F,∃A∈F(n=1,2,⋯),使得A=n⋃An,且μ(An)<∞,则称A具有σ有限测度
例1:(Rn,M,m)就是Lebesgue测度空间
例2:(Rn,M,p)是概率测度空间,其中p(A)=(2π)2n1∫Ae−21∑j=1nxj2dx1dx2⋯dxn
例3:对于(X,2X,μ),其中μ为计数测度,若μ(A)=∣A∣则称A是有限集,若μ(A)=∞则称A是无限集,由于μ(A)=0⇔A=∅,所以μ是X上的完备测度,当且仅当X是可列集时μ是σ有限测度
例4:(X,2X,ν),其中ν(A)=χA(x)(∀A⊂X,χA(x)是特征函数,且x是一个常数),则ν是X上的完备测度,称它为元x处的Dirac测度,记作δx.(ν(A)=χA(x)的含义就是,固定一个x,对于不同的A,如果A不包含x,则测度为0,如果A包含x,则测度为1)
例5:若(X,F,μ)是测度空间,f:X→Y是一一满映射,令G={f(A)∣A∈F},ν(B)=μ(f−1(B))(∀B∈G),则(Y,G,ν)是一个测度空间.(就是通过f将A映射到B,A∈F,B∈G,规定B在G里的测度ν(B)等于A在F里的测度μ(A)=B=f(A)μ(f−1(B)),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(X,F,μ)是测度空间,则测度μ具有以下性质:
(1)单调性:若A1⊂A2,则μ(A1)≤μ(A2);
(2)次可加性:μ(k=1⋃∞Ak)≤∑k=1∞μ(Ak);
(3)上连续性:若{Ak}⊂F是一升列,则μ(k=1⋃∞Ak)=n→∞limμ(An);
(4)下连续性:若{Ak}⊂F是一降列,且μ(A1)<∞,则μ(k=1⋂∞Ak)=n→∞limμ(An);
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f(x)={10,x∈R\Q,x∈Q;连续函数的极限不一定是连续函数,如fn(x)=⎩⎨⎧0nx1,x<0,0≤x≤n1,x>n1
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E⊂Rn,E∈M,f:E→R(其中R=R∪{±∞},f是广义实值函数),若∀t∈R,E(f>t):={x∈E∣f(x)>t}是可测的,则称f是E上的Lebesgue可测函数,简称为E上的可测函数,也说f在E上是可测的,并将E上的可测函数的全体记作M(E).
比如,常数函数f(x)≡c是可测函数,∵E(f>t)={E∅,t<c,t≥c(因为如果c>t那就全部都能取到,如果c<t就全都不能取到),而E是可测集(定义给出),∅也是可测集,∴f(x)是可测函数.
再比如,A⊂E,f(x)=χA(x),则E(f>t)=⎩⎨⎧EA∅,t<0,0≤t<1,t≥1(特征函数最小值是0,如果t小于零则f>t一定能全部取到,同理t≥1时不可能取到,0≤t≤1时,只有A的部分是大于t的,以一维下的情况举例,见下图),故A∈M⇔f∈M(E),也就是说f是否为可测函数取决于A是否为可测集.
勒贝格测度-可测函数-举例-01
定理:设E⊂Rn,E∈M,f:E→R。则(1)的右端与后面的条件等价:
(1)f∈M(E)⇔defE(f>t)∈M(∀t∈R);
(2)E(f≥t)∈M(∀t∈R);
(3)E(f<t)∈M(∀t∈R);
(4)E(f≤t)∈M(∀t∈R);
也就是说可以把定义中E(f>t)的符号换成≥、<、≤.
证明:比如(2),E(f≥t)=k=1⋂∞E(f>t−k1),根据E(f>t)是可测集,所以E(f>t−k1)也是可测集(t−k1无限逼近t),根据可测集的可列交仍是可测集,故右端是可测集,所以E(f≥t)也是可测集。而E(f<t)=E\E(f≥t),根据可测集性质3知E(f<t)也是可测集,E(f≤t)=k=1⋂∞E(f>t+k1)、E(f>t)=E\E(f≤t)同理。
由E(f=∞)=n=1⋂∞E(f>n)、E(f=−∞)=n=1⋂∞E(f<−n)可知,E(f=∞)∈M、E(f=−∞)∈M,同理,易证E(f<∞)∈M、E(f>−∞)∈M、E(f=t)∈M.
定义:设E⊂Rn,E∈M,E1,E2,⋯,Em是E的互不相交的可测子集,且有j=1⋃mEj=E,设α1,α2,⋯,αm∈R,则我们称ϕ(x)=∑i=1mαiχEi(x)是简单函数,若Ej是矩体,则ϕ是阶梯函数。
定理:设E⊂Rn,E∈M,则E上的简单函数是可测的。
证明:对于简单函数ϕ(x)=∑i=1mαiχEi(x),不妨设α1<α2<⋯<αm,则E(ϕ>t)=⎩⎨⎧Ej=i+1⋃mEj∅,t<α1,αi≤t<αi+1,t≥αm,因为E、Ej、∅都可测,故ϕ(x)可测。
定理:设E⊂Rn,E∈M,f≥0是非负函数,则f∈M(E)⇔存在非负函数简单函数列{ϕk(x)}k=1∞,使得0≤ϕ1(x)≤ϕ2(x)≤⋯≤ϕk(x)≤⋯,且k→∞limϕk(x)=f(x)(∀x∈E).
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f∈M(E),∀k∈N,j=0,1,⋯,k2k−1,令Ek,j=E(2kj≤f<2kj+1)、Ek,k2k=E(f≥k),则{Ek,j}j=1k2k互不相交,且∀j有Ek,j∈M,E=j=0⋃k2kEk,j,设ϕk(x)=∑k=0k2k2kjχEk,j(x),则有ϕk(x)≤ϕk+1(x)≤f(x)(见下图,f(x)下面的一段段横线(阶梯函数)就是ϕk(x),且随着j增大,ϕx(k)的函数值也会越来越大(即阶梯越来越高),如果k增大(即绿色的线),由于更细分,阶梯函数也会更往上接近f(x))
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k→∞limϕk(x)=f(x)(∀x∈E):若x0∈E且f(x0)=∞,则x0∈Ek,k2k(即上图最右边的区间上),ϕk(x0)=k→∞=f(x0);若f(x0)<∞,∃k0>f(x0),当k≥k0时,∣f(x0)−ϕk(x0)∣=f(x0)−ϕk(x0)<2k1→0(k→∞)(见上图,如果取右端点(即相差最大的情况),f(x)与ϕk(x)的差就是分割的小区间的长度(比如y轴上蓝色、黄色等部分),即2kj+1−2kj=2k1),所以k→∞limϕk(x0)=f(x0),再根据x0的任意性,得证。
充分性⇐:设{ϕk}是非负的简单函数升列,且k→∞limϕk=f,由于∀t∈R有E(ϕk>t)∈M,且E(f>t)=k=1⋃∞E(ϕk>t),所以E(f>t)∈M,i.e.,f∈M(E).
定理:若f,g∈M(E),则cf、f+g、fg、f/g(其中c∈R)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cf,若c=0,则cf=0∈M(E);若c>0,则∀t∈R,E(cf>t)=E(f>ct)∈M;若c<0,则∀t∈R,E(cf>t)=E(f<ct)∈M,∴cf∈M(E).
对于f+g,∀t∈R,E(f+g>t)=r∈Q⋃E(f>r)∩E(g>t−r)∈M,∴f+g∈M(E).
对于fg,先考虑f2,∀t∈R,E(f2>t)={E∈ME(f>t)∪E(f<−t)∈M,t<0,t≥0,∴f2∈M(E);又由于fg=41[(f+g)2−(f−g)2]∈M(E).
对于f/g,∀t∈R,E(g1>t)=⎩⎨⎧E(g>0)\E(g=∞)∈ME(g<t1)∩E(g>0)∈ME(g<t1)∩E(g>0)∈M,t=0,t>0,t<0,所以g1∈M(E),⇒f/g∈M(E).
注意:f+g在集合A:=(E(f=∞)∩E(g=−∞))∪(E(f=−∞)∩E(g=∞))∈M上没有定义;f/g在E(g=0)∈M上没有定义。我们只考虑f+g:E∩Ac→R,以及f/g:E∩E(g=0)→R时的情况,但是为了方便起见,我们简单地假设为f+g和f/g在E上都有定义。
推论:设E∈Rn,E∈M,则C(E)⊂M(E),即可测集上的连续函数都是可测函数。
因为对于连续函数f∈C(E),开集有一个等价条件:∀λ∈R,{x∣f(x)<λ}与{x∣f(x)>λ}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λ改为t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f∈M(E)⇔defE(f>t)∈M的几个等价定义知,f是可测函数。
定理:设E⊂Rn,E∈M,{fk(x)}k=1∞⊂M(E),则①k≥1sup{fk(x)};②k≥1inf{fk(x)};③k→∞limfk(x);④k→∞limfk(x)都是可测函数。
证明:∀t∈R,E(k≥1sup{fk(x)}>t)=k=1⋃∞E(fk>t)∈M⇒(1),k≥1inf{fk(x)}=−k≥1sup{−fk(x)}⇒(2),k→∞limfk(x)=j≥1infk≥jsup{fk(x)}⇒(3),k→∞limfk(x)=−k→∞lim(−fk(x))⇒(4).
推论:设E⊂Rn,E∈M,{fk(x)}k=1∞⊂M(E),k→∞limfk(x)=f(x)⇒f(x)∈M(E).
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f+(x)=max(f(x),0),负部f−(x)=−min(f(x),0)=max(−f(x),0),则f=f+−f−,∣f∣=f++f−,且有以下结论:
- f∈M(E)⇔f+,f−∈M(E)(右边推左边可以利用前面的加法封闭性质,左边推右边自行证明)
- f∈M(E)⇔f是某一简单函数列的极限(这个结论的证明要用本推论,自行证明)。
定理:f∈M(E)⇔f+,f−∈M(E);f∈M(E)⇒∣f∣∈M(E).
命题(开集与可测函数的关系):f∈M(E)⇔对任意的开集O∈R,f−1(O)∈M.
证明:由于一维开集可以表示为可数个互不相交开区间Ik的并,故O=k=1⋃∞Ik,设Ik=[ak,bk),则f−1(O)=k=1⋃∞E(ak<f<bk)=k=1⋃∞E(f>ak)∩E(f<bk)∈M;
而⇐的证明可设O=(t,∞),则f−1(O)=E(f>t)∈M.
定理:设f∈C(R),g∈M(E)⇒h=f∘g=f(g(x))∈M(E).
证明:对任意的开集O,h−1(O)=g−1(f−1(O)),因为f∈C(R)且O是开集所以f−1(O)是开集(见第一章开集结构部分的命题),因为g∈M所以g−1(f−1(O))∈M(前一命题).
定理:设E⊂Rn,E∈M,f,g:E→R,若f与g在E上几乎处处相等,即存在一个零测集Eo⊂E(其中m(E0)=0),使得在E\E0内f=g,则当其中一个在E上可测时,另一个在E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f∈M(E),即∀t∈R,E(f>t)∈M,而E(f=g)⊂E0是零测集,则E(g>t)=(E(f>t)∩E(f=g))∪(E(g>t)∩E(f=g)),因为其m(E(f=g))=0是零测集,故m(E(g>t)∩E(f=g))=0,而左边f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,∴E(g>t)∈M(∀t),即g∈M(E).
例如,根据常数函数是可测函数D≡1∈M(E)可知,狄利克雷函数D(x)={01,x∈Q,x∈R\Q∈M(E)(因为有理数集是零测集,而在R\Q上两个函数几乎处处相等)
定义:设E⊂Rn,若对于除了E中一个零测集以外的每个x,命题S(x)皆为真,则称命题S(x)在E上几乎处处成立(为真),并简记为S(x), a.e. [E](有时可以不写[E]),当E=Rn时简记为S(x), a.e.(a.e.的意思是almostly everywhere).
比如,f=g a.e.表示几乎处处相等,f≥0 a.e.表示几乎处处非负,∣f∣<∞ a.e.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(X,F,μ)是测度空间,f:X→R,若∀t∈R,X(f>t)是F可测的,则称f为X的F可测函数,简称可测函数。我们把(X,F)上的μ可测函数的全体记作M(X,F),简记为M(X).
定理:设X∈M,f:X→R,则以下条件等价:
(1)f∈M(X);
(2)∀t∈R,X(f≥t)∈M;
(3)∀t∈R,X(f<t)∈M;
(4)∀t∈R,X(f≤t)∈M;
(5)对于任意开集G⊂R,f−1(G),X(f=∞)∈M;
(6)对于任意闭集F⊂R,f−1(F),X(f=∞)∈M;
(7)f+,f−∈M(X);
定义:X上的简单函数为ϕ(x)=∑i=1nαiχAi(x),其中α1,α2,⋯,αn∈R,A1,A2,⋯,An∈F互不相交。
定理:设f≥0,则f∈M(X)⇔存在简单函数列{ϕk(x)}k=1∞,使得k→∞limϕk(x)=f.
定理:f,g∈M(X)⇒cf、fg∈M(X)(其中c∈R),f+g、f/g是其在有定义的集合上的可测函数。
定理:{fk}k=1∞⊂M(X)⇒k≥1sup{fk(x)}、k≥1inf{fk(x)}、k→∞limfk(x)、k→∞limfk(x)∈M(X).
推论:设{fk(x)}k=1∞⊂M(X),若k→∞limfk(x)=f(x),则f∈M(X).
定义:对于拓扑空间,f:X→R,f在a∈X连续⇔def∀ϵ>0,∃开集G,使得a∈G,∀x∈G,∣f(x)−f(a)∣<ϵ(Or ⇔def对任一收敛于a的点列{xk}有k→∞limf(xk)=f(a))。f∈C(X)⇔def∀x∈X,f在x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σ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(X,F,μ)是测度空间,其中X是拓扑空间,F是由全体开集生成的σ代数。
定义:若除了X中的一个零测集以外的每一个x,命题S(x)都为真,则称命题S(x)在(X,F,μ)几乎处处成立,并简记为S(x) a.e.(或S(x) μ a.e.).
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fk⟶uf或fk⟹f,对每个x收敛的速度都是一样的)、几乎一致收敛(符号fk⟶a.u.f,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fk⟶a.e.f,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f(x),f1(x),f2(x),⋯,fk(x),⋯是定义在点集E上的实值函数,若∀ϵ>0,∃K∈N, s.t. ∀k≥K,∀x∈E,有∣fk(x)−f(x)∣<ϵ,则称{fk(x)}在E上一致收敛到f,记作fk⟹f或fk⟶uf(u表示uniform,一致)
也就是说,一致收敛指对每个x收敛的速度都是一样的。
例1:fk(x)=x2+k1:(−1,1)→R,k=1,2,⋯,fk⟹f(x)=∣x∣,是一致收敛。
例2:fk(x)=kx+1k:(0,1)→R,k=1,2,⋯,fk⟶f(x)=x−1,画图可知,当x在零附近时fk与f(x)偏差非常大,而当x增大时偏差会减小,也就是说收敛速度对不同的x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:fk(x)={1nx,x≥n1,0<x<n1,k=1,2,⋯,fk⟶f(x)≡1,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fk⟹f,则fk(x)⟶f(x)(∀x∈E)称为逐点收敛(也称点点收敛,或处处收敛)。若fk∈M(E)(∀k),且fk逐点收敛,则f∈M(E).
定义:设E是可测集,若∀δ>0,∃Eδ⊂E, s.t. m(E\Eδ)<δ,且在Eδ上有fk⟹f,则称{fk(x)}在E上几乎一致收敛到f,记作fk⟶a.u.f(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E⊂Rn,f(x),f1(x),f2(x),⋯,fk(x),⋯:E→R,若存在Z⊂E,m(Z)=0,使得k→∞limfk(x)=f(x)(∀x∈E\Z),则称{fk(x)}在E上几乎处处收敛到f,记作fk⟶f, a.e. [E]或fk⟶a.e.f.
同理,对于几乎处处收敛也有,若fk∈M(E)(∀k),且fk⟶a.e.f,则f∈M(E).
容易由fk⟶a.u.f推出fk⟶a.e.f,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(a.e.)推出强的几乎一致收敛(a.u.)
定理(叶戈罗夫(Egorov)定理):设E∈M,f(x),f1(x),f2(x),⋯,fk(x),⋯:E→R,∣f∣,∣fi∣<∞ a.e. [E](几乎处处有界),m(E)<∞,若fk⟶f, a.e. [E],则fk⟶a.u.f.
证明:对于某个x∈E,k→∞limfk(x)=f(x)⇔∀k∈N,∃J∈N, s.t. ∀j≥J,∣fj(x)−f(x)∣<k1,x∈{x∈E∣k→∞limfk(x)=f(x)}⇔x∈k=1⋂∞J=1⋃∞j=J⋂∞{x∈E∣∣fj(x)−f(x)∣<k1}(前面的要求中遇到∀用∩,遇到∃用∪),
∴{x∈E∣fk⟶f}=k=1⋂∞j→∞limE(∣fj−f∣<k1)(利用下极限定义n→∞limAn=n=1⋃∞k=n⋂∞Ak化简上一步),
∴{x∈E∣fk↛f}=E\k=1⋂∞j→∞limE(∣fj−f∣<k1)=k=1⋃∞j→∞limE(∣fj−f∣≥k1)(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(∩∪∩E(⋯<⋯))c=∪∩∪E(⋯≥⋯),其中因为我们只考虑x∈E所以取补集后一定在E内,故E\可以去掉,然后用上极限定义得到右式),
简记E(fk⟶f)={x∈E∣fk(x)⟶f(x)},E(fk↛f)=E\E(fk⟶f),由fk⟶f, a.e. [E]可知m(E(fk↛f))=0(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),
令AJ:=j≥J⋃E(∣fj−f∣≥k1),则{AJ}J=1∞是降列,且m(A1)≤m(E)<∞,由前面推论可得(在可测集章节,有推论:Ek是递减可测集列,且m(E1)<∞,则m(k→∞limEk)=k→∞limm(Ek)),J→∞limm(AJ)=m(J→∞limAJ)=m(J=1⋂∞AJ),
故∀k,J→∞limm(j=J⋃∞E(∣fj−f∣)≥k1)=m(j→∞limE(∣fj−f∣≥k1))=m(E(fk↛f))=0(先把AJ展开写,然后用上式变为先求测度再求∩AJ,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δ>0,可依次取出J1<J2<⋯,s.t. m(j=Jk⋃E(∣fj−f∣≥k1))<2kδ(∀k)(因为上一步证明了当J→∞时该式→0,因此对一系列Jk,代入该式每个都会小于一个很小的数,比如2kδ,选这个数是为了方便后面级数求和),
令Eδ=k=1⋂∞j=Jk⋂∞E(∣fj−f∣<k1),则E\Eδ=k=1⋃∞j=Jk⋃∞E(∣fj−f∣≥k1),m(E\Eδ)<∑k=1∞2kδ≤δ,得证。
并且由Eδ定义知,∀x∈Eδ,∀j≥Jk,∣fj(x)−f(x)∣<k1,k=1,2,⋯,即,在Eδ上有fk⟹f,∴在E中有fk⟶a.u.f.
在介绍依测度收敛前,先看一道例题。
例:设E=[0,1),对于k∈N,存在唯一的i,j∈N使得k=2i+j,其中0≤j<2i,则fk(x):E→R定义为fk(x)=χ[2ij,2ij+1)(x),k=1,2,⋯,x∈E,那么如果给定一个固定的x0∈[0,1),则对任意的i∈N,存在唯一的j∈N,使得x0∈[2ij,2ij+1),即令x0落在这个由i,j唯一确定的区间内,因此{fk(x0)}会有无穷多项为1,亦有无穷多项为零,{fk(x0)}在E上点点不收敛,但是当k越大,fk(x0)≡1出现的频率越小(因为虽然x0只会落在由i,j唯一确定的区间上一次,但是由于要求k=2i+j,所以对于不同的k,即使x0固定,这个区间也是不一样的,即对于f1(x),f2(x),⋯,fk(x)来说有很多个这样的区间,而当k→∞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:∀0<ϵ≤1,{x∈E∣∣fk(x)−0∣≥ϵ}={x∈E∣fk(x)≡1}=[2ij,2ij+1),当k→∞时,i→∞,故m({x∈E∣∣fk(x)−0∣≥ϵ})=2i1→0)。于是我们有,∀δ>0,∃k0=2i0+j0(其中0≤j0<2i0),使得∀k>k0,m({x∈E∣∣fk(x)−0∣<ϵ})>1−δ(其中δ>2−i0,由前面≥情况下的测度2i1得来)
我们称{fk(x)}在E上依测度收敛于零函数。
定义:设E∈M,f(x),f1(x),f2(x),⋯,fk(x),⋯:E→R,∣f∣,∣fi∣<∞ a.e. [E](几乎处处有界),若∀ϵ>0,k→∞limm(E(∣fk−f∣>ϵ))=0,则称{fk(x)}在E上依测度收敛于f,简记为fk⟶mf(m表示measure,测度).
定理:若{fk(x)}在E上依测度收敛于f(x)、g(x),则f=g a.e. [E],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∣f(x)−g(x)∣≤∣f(x)−fk(x)∣+∣fk(x)−g(x)∣, a.e. [E],可得∀ϵ>0,E(∣f−g∣>ϵ)⊂E(∣f−fk∣>2ϵ)∪E(∣g−fk∣>2ϵ),∴m(E(∣f−g∣>ϵ))≤m(E(∣f−fk∣>2ϵ))+m(E(∣g−fk∣>2ϵ))→0(k→∞,根据依测度收敛的定义可得右边趋于0),由ϵ的任意性可知,m(E(f=g))=0,i.e.,f=g a.e. [E](不相等的地方是一个零测集,故几乎处处相等).
定理:设E∈M,{fk(x)}⊂M(E),∀k,∣fk∣<∞ a.e. [E],m(E)<∞,则fk⟶a.e.f⇒fk⟶mf.
证明:由Erogov定理知,fk⟶a.u.f,下面证明几乎一致必有依测度收敛。∀δ>0,∃Eδ⊂E,m(E\Eδ)<δ,fk⟹f in Eδ,于是对于任意的ϵ>0,∃K∈N,使得∀k>K,∀x∈Eδ,有∣fk(x)−f(x)∣<ϵ,所以E(∣fk(x)−f(x)∣≥ϵ)⊂E\Eδ,即m(E(∣fk(x)−f∣≥ϵ))<δ,故0≤k→∞limm(E(∣f−fk∣≥ϵ))≤δ,令δ→0得k→∞limm(E(∣f−fk∣≥ϵ))=0.
定理(Riezz定理):设f,{fk(x)}是可测集E上几乎处处有界的可测函数列,若{fk(x)}在E上依测度收敛于f(x),则存在子列{fki(x)},使得i→∞limfki(x)=f(x) a.e. [E].
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fk⟶mf可知∀i∈N,∃ki∈N, s.t. ∀j≥ki, m(E(∣fj−f∣≥2i1))<2i1,记Ei=E(∣fki−f∣≥2i1),则有m(Ei)<2i1,令S=j=1⋂∞i=j⋃∞Ei(即S是Ei的上极限),则有m(S)=0,以下证明{fki(x)}在E\S上点点收敛。∀x∈E\S,∃j∈N, s.t.x∈E\i=j⋃∞Ei=E∩(i=j⋃∞Ei)c=i=j⋂∞Eic,(把∩翻译成∀,Ei原来的≥取补集之后变成<)于是∀i≥j,∣fki(x)−f(x)∣<2i1,因此有{fki(x)}在E\S上点点收敛,即i→∞limfki(x)=f(x) a.e. [E].
定义:设{fk(x)}⊂M(E),∣fk∣<∞ a.e. [E],若∀ϵ>0,有k,j→∞limm(E(∣fj−fk∣)>ϵ)=0,则称{fk(x)}是E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{fk(x)}⊂M(E),∣fk∣<∞ a.e. [E],则fk⟶mf⇔{fk(x)}是E上的依测度基本列。
证明:必要性⇒:设fk⟶mf,由E(∣fk−fl∣≥ϵ)⊂E(∣fk−f∣≥2ϵ)∪E(∣fl−f∣≥2ϵ)(三角不等式)可知,m(E(∣fk−fl∣≥ϵ))≤m(E(∣fk−f∣≥2ϵ))+m(E(∣fl−f∣≥2ϵ)),当k,l→∞时,m(E(∣fk−fl∣≥ϵ))→0+0.
充分性⇐:设{fk(x)}是E上的依测度基本列,∀i∈N,∃ki∈N, s.t. ∀l,k≥ki,m(E(∣fk−fl∣≥2i1))<2i1,不妨设ki<ki+1,令Ei=E(∣fki−fki+1∣≥2i1),i=1,2,⋯,则m(Ei)<2i1,令S=t→∞limEi=j=1⋂∞i=j⋃∞Ei,则有m(S)=0,以下证明{fki(x)}在E\S上点点收敛。∀x∈E\S,∃j∈N, s.t.x∈E\i=j⋃∞Ei=E∩(i=j⋃∞Ei)c=i=j⋂∞Eic,于是∀i≥j,∣fki(x)−f(x)∣<2i1,由此可知,当l≥j时,∑i=l∞∣fki+1(x)−fki(x)∣≤2l−11,即级数fk1(x)+∑i=l∞∣fki+1(x)−fki(x)∣在E\S上绝对收敛于某个函数f(x),且∣f∣<∞ a.e. [E],因此{fki(x)}在E上几乎处处收敛于f(x),此外{fki(x)}在E\i=j⋃∞Ei上一致收敛于f(x),由于m(i=j⋃∞Ei)<2j−11,{fki(x)}在E上几乎一致收敛于f(x),进而依测度收敛于f(x),再由不等式m(E(∣fk−f∣≥ϵ))≤m(E(∣fk−fki∣≥2ϵ))+m(E(∣f−fki≥2ϵ)),我们有k→∞limm(E(∣fk−f∣≥ϵ))=0,i.e. fk⟶mf
命题:设f(x)∈M(E),∣f∣<∞,则存在可测简单函数列{ϕn(x)},使得∣ϕn(x)∣≤∣f(x)∣,n→∞limx∈Esup∣ϕn(x)−f(x)∣=0.(即存在可测的简单函数列在E上一致收敛于f(x))
证明:f有界,故∃M>0,∀x∈E,使得∣f(x)∣<M,∀k∈N,令j=−2k,−2k+1,,⋯,−1,0,1,⋯,2k,令Ek,j=E(2kMj≤f<2kM(j+1)),则{Ek,j}是互不相交的可测集,且E=j=−2k⋃2k−1Ek,j,构造简单函数ϕk=∑j=02k−12kMjχEk,j(x)+∑j=−2k−12kM(j+1)χEk,j(x),则∀x∈E,∃j, s.t. x∈Ek,j,若j∈{0,1,⋯,2k−1},则0≤ϕk(x)=2kMj≤f(x),若j∈{−2k,⋯,−1},则f(x)≤ϕk(x)=2M(j+1)≤0,即∣ϕk(x)∣≤∣f(x)∣(∀x∈E),同时我们有∀x∈E,∣ϕk(x)−f(x)∣≤2kM→0(k→∞),即n→∞limx∈Esup∣ϕn(x)−f(x)∣=0.
命题:设可测函数列{fk}、{gk}在可测集E上依测度分别收敛于f、g,则{fk+gk}在E上依测度收敛于f+g;又若m(E)<∞,则{fk⋅gk}在E上依测度收敛于f⋅g.
证明:已知fk⟶mf、gk⟶mg,即∀ϵ>0,我们有k→∞limm(E(∣fk−f∣>ϵ))=0、k→∞limm(E(∣gk−g∣>ϵ))=0,则∀x∈E(∣fk+gk−(f+g)∣>ϵ),x满足∣fk(x)+gk(x)−(f(x)+g(x))∣>ϵ,由∣fk(x)+gk(x)−f(x)−g(x)∣≤∣fk(x)−f(x)∣+∣gk(x)−g(x)∣可知,有∣fk(x)−f(x)∣>2ϵ或∣gk(x)−g(x)∣>2ϵ(即∣fk(x)−f(x)∣≤2ϵ与∣gk(x)−g(x)∣≤2ϵ不能同时成立),所以x∈E(∣fk−f∣>2ϵ)或x∈E(∣gk−g∣>2ϵ),即x∈E(∣fk−f∣>2ϵ)∪E(∣gk−g∣>2ϵ),则有m(E(∣fk+gk−(f+g)∣>ϵ))≤m(E(∣fk−f∣≥2ϵ))+m(E(∣gk−g∣>2ϵ))→0+0(k→∞),由此可得fk+gk⟶mf+g.
假设m(E)<∞,要证明fk⋅gk⟶mf⋅g,需要用到以下引理
引理1:设f∈M(E),f≥0,f<∞ a.e.,则∀ϵ>0,∃闭集F⊂E,使得m(E\F)<ϵ,且在F上有界。
证明:定义En=E(f≤n),∀n∈N,则{En}是一个递增的可测集合列,记E=n→∞limEn,因为f<∞ a.e. [E],所以m(E\E)=0,故0=m(E)−m(E)=m(E)−n→∞limm(En)(即m(En)单调上升收敛于m(E)),∀ϵ>0,∃n0∈N,m(E)−m(En)<2ϵ,对于En0存在闭集F⊂En0且m(En0\F)=m(En0)−m(F)<2ϵ,所以∀x∈F⊂En0有∣f(x)∣≤n0(有界),且m(E)−f(F)=m(E)−m(En0)+m(En0)−m(F)<2ϵ+2ϵ=ϵ.
引理2:若f∈M(E),且m(E)<∞,则∀ϵ>0,存在g∈M(E),满足g有界,且m(E(∣f−g∣>0))<ϵ.
证明:定义E+=E(f≥0)、E−=E(f<0),则f是定义在E+上的非负可测函数且几乎处处有界,则∀ϵ>0,存在闭集F+⊂E+,使得f在F+上有界且m(E+\F+)<2ϵ,同理存在闭集F−⊂E−,使得−f在F−上有界且m(E−\F−)<2ϵ,定义g=fχF+−fχF−,则在F+∪F−内有g=f,且g有界,同时m(E(∣f⋅g∣>0))=m(E(f=g))=m(E+\F+)+m(E−\F−)<2ϵ+2ϵ<ϵ,得证。
由f,g∈M(E),m(E)<∞以及上述引理可知,∀ξ>0,存在φξ,ψξ∈M(E)满足φξ,ψξ有界,即∃Mξ>0,使得∣φξ∣<Mξ、∣ψξ∣<Mξ(∀x∈E),同时m(E(∣f−φξ∣>0))<ξ、m(E(∣g−ψξ∣>0))<ξ,∀x∈E(∣fk⋅gk−f⋅g∣>ϵ)有∣fk(x)gk(x)−f(x)g(x)∣>ϵ,我们由∣fkgk−fg∣=fkgk−fkg+fkg−fg≤∣fk−f∣⋅∣gk−g∣+∣f∣⋅∣gk−g∣+∣g∣⋅∣f−fk∣≤∣fk−f∣⋅∣gk−g∣+∣f−φξ∣⋅∣gk−g∣+∣φξ∣⋅∣gk−g∣+∣g−ψξ∣⋅∣f−fk∣+∣ψξ∣⋅∣f−fk∣,可知E(∣fkgk−fg∣>ϵ)⊂E(∣fk−f∣⋅∣gk−g∣>5ϵ)∪E(∣f−φξ∣⋅∣gk−g∣>5ϵ)∪E(∣g−ψξ∣⋅∣f−fk∣>5ϵ)∪E(Mξ∣gk−g∣>5ϵ)∪E(Mξ∣f−fk∣>5ϵ),又易知E(∣fk−f∣⋅∣gk−g∣>5ϵ)⊂E(∣fk−f∣>5ϵ)∪E(∣gk−g∣>5ϵ),因为k→∞limm(E(∣fk−f∣>ϵ))=0、k→∞limm(E(∣gk−g∣>ϵ))=0(∀ϵ>0),故存在k1,η∈N,使得∀k≥k1,η有m(E(∣fk−f∣>5ϵ))<10η、m(E(∣gk−g∣>5ϵ))<10η,进而有∀k≥k1,η,m(E(∣fk−f∣⋅∣gk−g∣>5ϵ))≤10η+10η=5η,又由于E(∣f−φξ∣⋅∣gk−g∣>5ϵ)⊂E(∣f−φξ∣>5ϵ)∪E(∣gk−g∣>5ϵ),我们有m(E(∣f−φξ∣⋅∣gk−g∣>5ϵ))≤m(E(∣f−φξ∣>5ϵ))+m(E(∣gk−g∣>5ϵ))≤ξ+10η(∀k≥k1,η),取ξ=10η,则有m(E(∣f−φξ∣⋅∣gk−g∣>5ϵ))<10η+10η=5η,同理可得m(E(∣g−ψξ∣⋅∣fk−f∣>5ϵ))<5η(∀k≥k1,η),又因为k→∞limm(E(∣fk−f∣>ϵ))=0、k→∞limm(E(∣gk−g∣>ϵ))=0(∀ϵ>0),存在k0,ξ,η∈N,使得m(E(∣fk−f∣>5Mξϵ))=m(E(Mξ∣fk−f∣>5ϵ))<5η、m(E(∣gk−g∣>5Mξϵ))<5η,综上,我们有∀η>0,∃K=max(k0,ξ,η,k0,ξ,η),使得∀k≥K,m(E(∣fkgk−fg∣>ϵ))<5η+5η+5η+5η+5η=η,所以k→∞limm(E(∣fkgk−fg∣>ϵ))=0,即fk⋅gk⟶mf⋅g.
命题:设在[a,b]上可测函数列{fk(x)}依测度收敛于f(x),而g(x)是R上的连续函数,则复合函数{g(fk(x))}也在[a,b]上依测度收敛于{g(f(x))}.
证明:要证明该命题,需要用到以下引理
设f(x),{fk(x)}是E上的几乎处处有限的可测函数,m(E)<∞,则{fk}依测度收敛于f的充要条件是{fk}的任一子列{fki}中均存在几乎处处收敛于f的子列{fkij}.
证明:必要性⇒:fk⟶mf,∣fk∣,∣f∣<∞ a.e. [E],可知{fk}的任一子列{fki}也是依测度收敛于f,由Riesz定理可知,存在{fki}的子列{fkij}使得fkij⟶f a.e. [E].
充分性⇐:用反证法。已知{fk}的任意子列{fki}存在子列{fkij}使得fkij⟶f a.e. [E],假设{fk}不依测度收敛于f,由于fk⟶mf⇔def∀ϵ>0, k→∞limm(E(∣fk−f∣>ϵ))=0⇔def∀ϵ>0,∀η>0,∃K∈N, s.t. ∀k≥K, m(E(∣fk−f∣>ϵ))<η,可取η=ϵ,即可简述为∀ϵ>0,∃K∈N, s.t. ∀k≥K, m(E(∣fk−f∣>ϵ))<ϵ,那么fk↛mf,则∃ϵ>0,∀K∈N,∃k≥K, s.t. m(E(∣fk−f∣>ϵ))≥ϵ(即把∀和∃互换,把<变成≥),则有k1<k2<⋯<ki<⋯使得m(E(∣fki−f∣>ϵ))≥ϵ(即fki↛mf),可知{fki}不存在几乎处处收敛于f的子列(如果有子列{fkij}使得fkij⟶f a.e. [E],因为m(E)<∞,就可以由几乎处处收敛推出依测度收敛,则fkij⟶mf⇔∀ϵ>0, k→∞limm(E(∣fkij−f∣>ϵ))=0,这与m(E(∣fki−f∣>ϵ))≥ϵ矛盾)(当然{fi}也不存在依测度收敛于f的子列),与假设矛盾,所以fk⟶mf.
对于{g∘fk}的任一子列{g∘fki},由Riesz定理可知,存在{fki}的子列{fkij}使得fkij⟶f a.e. [E],又因为g连续,所以g∘fkij⟶g∘f a.e. [E](因为若fkij(x)→f(kij→∞),则g(fkij(x))→g(f(x))),即{g∘fki}存在几乎处处收敛于g∘f的子列,由上述引理可知g∘fk⟶mg∘f.
7. 可测函数与连续函数
定理(鲁金(Lusin)定理):设E∈M,f∈M(E),∣f∣<∞ a.e. [E],则对任意的δ>0,存在E中的一个闭集F满足m(E\F)<δ,使得f(x)是F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,f(x)在剩下的闭集F上是连续的,其中m(E\F)<δ指E与F相差很小,也就是挖去那部分很小)
证明:由于m(E(∣f∣=∞))=0(几乎处处有界说明∞处是零测集),不妨假设∣f(x)∣<∞(∀x∈E)(因为零测集不重要就假设可以去掉),首先考虑f(x)是简单函数的情形,∀x∈E=i=1⋃lEi有f(x)=∑i=1lciχEi(x),对任意的δ>0和Ei,存在闭集Fi⊂Ei,使得m(Ei\Fi)<lδ(这是因为对于可测集E\Ei存在开矩体列{Ij}使得j⋃Ij⊃E\Ei,∑j∣Ij∣−2lδ≤m(E\Ei)≤∑j∣Ij∣,令Fi:=E\j⋃Ij,则Fi是闭集,且Fi⊂Ei,注意到Ei\Fi=(j⋃Ij)\(E\Ei),可知m(Ei\Fi)=m(j⋃Ij)−m(E\Ei)≤2lδ(这里暗含的条件是m(E)<∞),如下图;当m(E)=∞时,也仍可以找到可矩体列{Ij},使得∪Ij=Rn,此时m(Ij∩E)<∞,再用这方法证明;有些教材会在鲁金定理中添加m(E)<∞的条件,但是这个条件不是必要的),由于Ei互不相交,所以F1,⋯,Fl也互不相交,因为f(x)是简单函数,所以f(x)在每个Fi上是常值函数,故在Fi上连续,因此f(x)在闭集F=i=1⋃lFi上连续,且m(E\F)=∑i=1lm(Ei\Fi)<δ.
勒贝格测度-可测函数与连续函数-01
前面只考虑了f(x)是简单函数的情形,如果我们考虑f(x)是一般的可测函数的情形,由于可做变换g(x)=1+∣f(x)∣f(x)(这样当f(x)→∞,g(x)仍是有界的,如果能证明g(x)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f(x)=1−∣g(x)∣g(x)的变换,就可以证明f(x)也是连续的),不妨设∣f∣<∞,于是存在可测的简单函数列{ϕk(x)}在E上一致收敛于f(x)(这时上一小节的一个命题),∀δ>0,∀k∈N,构造E中的闭集Fk,使得m(E\Fk)<2kδ,且ϕk(x)在Fk连续,令F=k=1⋂∞Fk⊂E,则m(E\F)=m(E∩k=1⋃∞Fkc)=m(k=1⋃∞(E\Fk))≤∑k=1∞m(E\Fk)<δ,故ϕk(x)在F上连续,由一致收敛性知f=limϕk在F上连续。(一致收敛性是数学分析的内容)
引理(扩张定理):设F⊂Rn是一个非空闭集,f⊂C(F),则存在g∈C(Rn),使得g∣F=f,x∈Rnsup∣g(x)∣=x∈Fsup∣f(x)∣.
g∣F=f表示g在集合F上等于f。该引理说明了可以把定义在F上的一个函数延拓到Rn上,并且延拓后的g在集合F上仍然和f相等,g在Rn上的上确界与f在F中的上确界相同。
推论:若f(x)是可测集E⊂Rn上几乎处处有限的可测函数,则存在Rn上的连续函数列{gk(x)},使{gk(x)}在E上几乎处处收敛到f(x)
证明:由鲁金定理知,对任意的δ>0,存在闭集F⊂E,满足m(E\F)<δ,且f(x)在F上连续,再由扩展定理知,存在Rn上的连续函数g(x),使得在F上有f=g,于是∀k∈N,∃gk(x)∈C(Rn),使得m(E(∣f=gk∣))<2k1,令S=k→∞limE(f=gk),易知m(S)=0,而E\S=k→∞limE(f=gk)(看不出来的话把lim换成∩∪,然后E\S=E∩Sc,再用德摩根律),且在E\S上有极限k→∞limgk(x)=f(x),∴gk→f a.e. [E].
推论:设f(x)是可测集E上几乎处处有限的可测函数,则f(x)可测⇔存在E上的连续函数列{gk(x)},使{gk(x)}几乎处处收敛到f(x).
李特尔伍德(LittleWood)的三个原理:
- 每个测度有限的(可测)集合接近于有限个区间/矩体的并集
- 每个可测函数接近于连续函数
- 测度有限的(可测)集合上的收敛的可测函数列接近于一致收敛的函数列
8. 测度空间上可测函数的收敛性
定义:设(X,F,μ)是一个测度空间,设f,fn(n=1,2,⋯)是X上μ几乎处处有限的可测函数,则
- 给定A∈F,若∀ϵ>0,∃N∈N,使得∀n≥N,有∣fn(x)−f(x)∣<ϵ(∀x∈A)则称函数列{fn}在A上一致收敛于f,记作在A上fn⟹f
- 若∀δ>0,∃Xδ⊂X,使得μ(Xδc)<δ,在Xδ上fn⟹f,则称函数列{fn}在X上几乎一致收敛于f,记作fn⟶f, μ a.u.
- 若存在一个零测集Z⊂X(μ(Z)=0),使得fn(X)→f(∀x∈X\Z),则称函数列{fn}在X上几乎处处收敛于f,记作fn⟶f, a.e.
- 若∀ϵ>0,当n→∞时,有μ(X(∣f−fn∣>ϵ))→0,则称函数列{fn}在X上依测度收敛于f,记作fn⟶μf
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X为有限测度时,几乎一致收敛 =
几乎处处收敛。
定理:设(X,F,μ)是一个测度空间,设f,fn(n=1,2,⋯)是X上μ几乎处处有限的可测函数,则
- fn⟶f, μ a.u.⇒fn⟶f, μ a.e.
- fn⟶f, μ a.u.⇐μ(X)<∞, fn⟶f, μ a.e.(Egorov定理)
- fn⟶f, μ a.u.⇒fn⟶μf
- ∃{fki}⊂{fn} s.t. fki⟶f, μ a.u.⇐fn⟶μf(在证明依测度基本列是依测度收敛的定理时,证明部分包含了这个定理)
- fn⟶μf⇒∃{fki}⊂{fn} s.t. fki⟶f, μ a.e.(Riezz定理)
- fn⟶μf⇐μ(X)<∞, fn⟶f, μ a.e.
即,
几乎一致收敛测度有限⇌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→测度有限依测度收敛(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f(x):[a,b]→R有界,对于任意的划分a=ξ0<ξ1<⋯<ξn=b,定义S=∑i=1n(ξi−ξi−1)Mi(其中Mi:=ξi−1<x≤ξisupf(x))、S=∑i=1m(ξi−ξi−1)mi(其中mi:=ξi−1<x≤ξiinff(x)),定义黎曼上积分为R∫abf(x)dx=infS(对所有可能的划分取下确界),定义黎曼下积分为R∫abf(x)dx=sups(对所有可能的划分取上确界),若R∫abf(x)dx=R∫abf(x)dx,则称f(x)是黎曼可积。
比如Dirichlet函数:D(x)={01,x∈Q∩[0,1],x∈Q\[0,1],R∫abf(x)dx=1、R∫abf(x)dx=0,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:
定义方法一:f:E→R,−M<f(x)<M(有界),分割值域−M=l0<l1<⋯<ln=M,定义∑i=1nξim(E(∣l1≤f<li+1∣)),ξ∈[li,li+1](这就要求E∈M,f∈M(E)),当δ=0≤i<nmax(li+1−li)→0时上述求和的极限若存在即为积分。
勒贝格积分-可测函数的积分-01
定义方法二:E∈M,f∈M(E),对定义域作任意划分E=j=1⋃mEj,Ei∩Ej=∅(i=j),记bj=x∈Ejinff(x),Bj=x∈Ejsupf(x),定义s=∑j=1mbjm(Ej)、S=∑j=1mBjm(Ej),若有sups=infS,该确界即为积分。
勒贝格积分-可测函数的积分-02
定义方法三:E∈M,f∈M(E),f≥0,利用简单可测函数列定义积分,存在一列单调递增的非负简单函数列{ϕn(x)},0≤ϕ1≤ϕ2≤⋯≤ϕn≤⋯,ϕn(x)=∑i=1N(n)ai(n)χEi(n),Ei(n)∩Ej(n)=∅(i=j),ϕn→f,对于每个简单函数定义其积分为∑i=1N(n)=ai(n)m(Ei(n)),当n→∞时若极限存在,则定义该极限为f(x)的积分。
勒贝格积分-可测函数的积分-03
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h(x)是可测函集E⊂Rn上的非负可测简单函数,h(x)=∑j=1majχEj(x),定义h(x)在E上的积分为∫Eh(x)dx=∑j=1majm(Ej).
该积分的几何意义是h(x)的下方图{(x,y)∈Rn+1∣x∈E,0≤y≤h(x)}的体积,如图所示:
勒贝格积分-可测函数的积分-04
显然,如果m(E)→0,那么∫E→0;∫E1dx=m(E).
非负可测简单函数的积分性质:
- 线性性质1:∀a≥0,∫Eah(x)dx=a∫Eh(x)dx,
- 线性性质2:设g(x)也是可测集E上的非负可测简单函数,则∫Eh+g dx=∫Eh dx+∫Eg dx
- 若{Ek}是E中的递增可测子集合列,满足k→∞limEk=E,则k→∞lim∫Ekh(x)d=∫Eh(x)dx
定义:设f(x)是可测集E上的非负可测函数,定义f(x)在E上的积分为∫Ef(x)dx=sup{∫Eh(x)dx∣h(x)是E上的非负简单可测函数,且h(x)≤f(x)}.
注意:可以有∫Ef(x)dx=∞;若∫Ef(x)dx<∞,则称f(x)在E上是Lebesgue可积的(简称可积的),或称f(x)是E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:
- 若m(E)=0,则E上的非负可测函数f(x)均可积,且∫Ef(x)dx=0
- 设f(x)是E是上的非负可测函数,A是E中的可测子集,则∫Af(x)dx=sup{∫Ah(x)dx∣h(x)是A上的非负简单可测函数,且h(x)≤f(x)}=sup{∫Ah(x)dx∣h(x)是E上的非负简单可测函数,且h(x)≤f(x)χA(x)}=sup{∫Eh(x)dx∣h(x)是E上的非负简单可测函数,且h(x)≤f(x)χA(x)}=∫Ef(x)χA(x)dx
- 设f(x)、g(x)是E是上的非负可测函数,若f(x)≤g(x)(x∈E),则∫Ef(x)dx=∫Eg(x)dx
- 若m(E)<∞,则E上的非负有界可测函数必是可积的
定理(Levi定理):设{fk(x)}是可测集E上的非负可测函数列,满足f1(x)≤f2(x)≤⋯≤fk(x)≤⋯,且有k→∞limfk(x)=f(x)(x∈E),则k→∞lim∫Efk(x)dx=∫Ef(x)dx.
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f(x)是E上的非负可测函数,∫Ef(x)dx有定义,又有∫Efk(x)dx≤∫Efk+1(x)dx,k=1,2,⋯,所以k→∞lim∫Efk(x)dx有定义,由于fk(x)≤f(x),可知k→∞lim∫Efk(x)dx≤∫Ef(x)dx。要证明两者相等,还需要证明k→∞lim∫Efk(x)dx≥∫Ef(x)dx。取α(0<α<1),设h(x)是E上非负简单可测函数,且h(x)≤f(x)(x∈E),记Ek=E(fk≥αh),k=1,2,⋯,则{Ek}是递增集合列,且k→∞limEk=E,故有k→∞limα∫Ekh(x)dx=α∫Eh(x)dx,于是从不等式∫Efk(x)dx≥∫Ekfk(x)dx≥∫Ekαh(x)dx=α∫Ekh(x)dx,两边都令k→∞可得k→∞lim∫Efk(x)dx≥α∫Eh(x)dx,再令α→1可得k→∞lim∫Efk(x)dx≥∫Eh(x)dx,对所有满足条件的h(x)取右端的上确界(即积分的定义)可得k→∞lim∫Efk(x)dx≥∫Ef(x)dx,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f(x)、g(x)是可测集E上的非负可测函数,对于任意给定的非负常数α、β有:∫E(αf(x)+βg(x))dx=α∫Ef(x)dx+β∫Ef(x)dx.
证明(用前面简单函数的积分性质取极限):设{ϕk(x)}k≥1、{ψk(x)}k≥1是非负上升可测简单函数列,且k→∞limϕk(x)=f(x)、k→∞limψk(x)=g(x)(∀x∈E),由于{αϕk+βψk}k≥1仍是非负上升可测简单函数列,且有k→∞lim(αϕk(x)+βψk(x))=αf(x)+βg(x)(∀x∈E),由简单函数的积分的线性性质和Levi定理可得,∫E(αf(x)+βg(x))dx=k→∞lim∫E(αϕk(x)+βψk(x))dx=αk→∞lim∫Eϕk(x)dx+βk→∞lim∫Eψk(x)dx=α∫Ef(x)dx+β∫Eg(x)dx
推论:设f(x)、g(x)是E上的非负可测函数,则:
- 若f=g a.e. [E],则∫Ef(x)dx=∫Eg(x)dx
- 若∫Ef(x)dx<∞,则f(x)<∞ a.e. [E]
- 若∫Ef(x)dx=0,则f=0 a.e. [E]
证明:(1)记E1=E(f=g),E2=E\E1,则m(E1)=0,∴∫Ef(x)dx=∫Ef(χE1+χE2)dx=∫E1f(x)dx+∫E2f(x)dx=∫E1g(x)dx+∫E2g(x)dx=∫Eg(x)dx(由于在E2上f=g,所以可以把f换成g,而∫E1f(x)dx=∫E1g(x)dx=0,因此E1上也可以换成g)
(2)记Ek=E(f>k),则E∞=E(f=∞)=k=1⋂∞Ek,∀k,k⋅m(Ek)≤∫Ekf(x)dx≤∫Ef(x)dx<∞(第一个不等式是因为在Ek上f>k⇒∫Ekf dx≥∫Ekk dx=k∫Ekdx),∴k→∞limm(Ek)=0(前面可得k⋅m(Ek)<M(M是一个很大的常数,当k→∞时m(Ek)→0),i.e. m(E∞)=0,得证。
(3)∀k∈N,令Ek=E(f≥k1),于是我们有0=∫Ef(x)dx≥∫Ekfdx≥∫Ekk1dx=k1m(Ek)≥0,∴m(Ek)=0,m(E(f=0))=m(k=1⋃∞Ek)=0,得证。
2. Lebesgue一般可测函数的积分
定义:设f(x)∈M(E),若f+(x)和f−中至少有一个是可积的,则称∫Ef(x)dx=∫Ef+(x)dx−∫Ef−(x)dx为f(x)在E上的积分。当上式右端两个积分值都有限时,称f(x)在E上是Lebesgue可积的,简称可积的,或称f(x)是E上的可积函数。在E上的全体可积函数记为L(E).
即把f(x)分为正、负两部分,f+(x)=max(f(x),0)、f−(x)=max(−f(x),0),则f=f+−f−,∣f∣=f++f−.
由定义易证:
- ∫E∣f∣dx=∫Ef+dx+∫Ef−dx
- f+∈L(E),f−∈L(E)⇔f∈L(E)⇔∣f∣∈L(E)(即可积即为绝对可积,这是与黎曼积分不同的点)
- ∣∫Ef(x)dx∣≤∫E∣f(x)∣dx
比如:f(x)={x1sin(x1)0,0<x<1,x=0,图像如下:
勒贝格积分-一般可测函数的积分-01
f(x)是[0,1]上的广义黎曼可积函数(即∫01x1sin(x1)dx:=s→0lim∫01x1sin(x1)dx),但∣f(x)∣不是广义黎曼可积的。
而f(x)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∣f∣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∑n=1∞(2n+11−2n+21)=31−41+51−61+71−81+⋯,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∑n=1∞(2n+11−4n1−4n+21)=31−41−61+51−81−101+71−131−141+⋯,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:
- 若f∈L(E),则∣f∣<∞ a.e. [E]
- 若f=g a.e. [E]、f∈L(E),则g∈L(E),且∫Ef(x)dx=∫Eg(x)dx
- 若f∈M(E)、g∈L(E)、∣f∣≤g,则f∈L(E),且∣∫Ef(x)dx∣≤∫Eg(x)dx
- 若f,g∈L(E)、f(x)≤g(x),则∫Ef(x)dx≤∫Eg(x)dx
- 若m(E)<∞,则对任意f∈M(E)且∣f∣<M(其中M是一个常数),都有f∈L(E)(即,测度有限的集合上的有界可测函数都是可积的)
定理(积分的线性性质):设f,g∈L(E),α∈R,则αf∈L(E)、f+g∈L(E),且∫Eαf dx=α∫f dx、∫Ef+g dx=∫Ef dx+∫Eg dx
因此L(E)是一个线性空间。
证明:不妨设f(x)、g(x)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α>0,显然有(αf)+=αf+、(αf)−=αf−,根据非负可测函数的性质,∫Eαf dx=∫Eαf+ dx−∫Eαf− dx=α(∫Ef+ dx−∫Ef− dx)=α∫Ef dx
(2)由∣f+g∣≤∣f∣+∣g∣可知f+g∈L(E),∫E(f+g)++∫Ef−dx+∫Eg−dx=∫E(f+g)−dx+∫Ef+dx+∫Eg+dx(非负可测函数的积分线性性质),∴∫E(f+g)dx=∫Ef dx+∫Eg dx
定理(有界可测函数可积的另一等价条件):设f(x)是E上的有界可测函数∣f∣<M(∀x∈E),m(E)<∞,作[−M,M]的划分:−M=α0<α1<⋯<αk=M,令δ=1≤j≤kmax(αj−αj−1),记Ej=E(αj−1≤f<αj),j=1,2,⋯,k,则对于任意ξj∈[αj−1,αj],j=1,2,⋯,k,极限δ→0lim∑j=1kξjm(Ej)存在且δ→0lim∑j=1kξjm(Ej)=∫Ef(x)dx.
证明:∵αj−1≤ξj≤αj,∴∣∑j=1kαj−1m(Ej)−∑j=1kξjm(Ej)∣=∑j=1k(ξj−αj−1)m(Ej)≤δ∑j=1km(Ej)=δm(E),即当δ→0时两式很接近,所以只需证明δ→0lim∑j=1kαj−1m(Ej)存在且δ→0lim∑j=1kαj−1m(Ej)=∫Ef(x)dx。
由于∀x∈Ej,αj−1≤f(x)<αj≤αj−1+δ,我们有αj−1m(Ej)≤∫Ejf(x)dx≤αj−1m(Ej)+δm(Ej),∑j=1kαj−1m(Ej)≤∫Ef(x)dx≤∑j=1kαj−1m(Ej)+δm(E),得证。
定理(积分的绝对连续性):设f(x)∈L(E),则∀ϵ>0,∃δ>0, s,t, ∀A⊂E,当m(A)<δ时,有∣∫Af(x)dx∣≤∫A∣f(x)∣dx<ϵ.
证明:我们有∣f(x)∣∈L(E),∀ϵ>0,存在简单可测函数ϕ(x),使得0≤ϕ(x)≤∣f(x)∣(∀x∈E),∫E(∣f∣−ϕ)dx<2ϵ,令M=xmaxϕ(x)、δ=2Mϵ,则∀A⊂E,当m(A)<δ时,我们有∫A∣f(x)∣dx=∫A(∣f(x)∣−ϕ(x))dx+∫Aϕ(x)dx≤∫E(∣f(x)∣−ϕ(x))dx+m(A)M dx≤ϵ(其中m(A)M≤δM=2Mϵ⋅M),得证。
定理(积分的平移不变性):设f(x)∈L(Rn),则∀y∈Rn,有f(x+y)∈L(Rn),且∫Rnf(x+y)dx=∫Rnf(x)dx.
平移不变性和黎曼积分类似,如果是在Rn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Ei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f(x)是非负简单可测函数的情形,f(x)=∑i=1kαiχEi(x),x∈Rn,则有f(x+y)=∑i=1kαiχEi−y(x),x∈Rn,它仍是一个非负简单可测函数,且∫Rnf(x+y)dx=∑i=1kαm(Ei−y)=∑i=1kαim(Ei)=∫Rnf(x)dx;
其次考虑f(x)是一般的非负可测函数,则存在非负简单可测函数列{ϕk(x)},ϕ1(x)≤ϕ2(x)≤⋯≤ϕk(x)≤⋯,k→∞limϕk(x)=f(x)(其中x∈Rn),易知{ϕ(x+y)}也是一个升列,且k→∞limϕk(x+y)=f(x+y)(其中x∈Rn),由Levi定理得,∫Rnf(x+y)dx=k→∞lim∫Rnϕk(x+y)dx=k→∞lim∫Rnϕk(x)dx=∫Rnf(x)dx;
最后对于一般的可测函数,由f+(x)和f−(x)的平移不变性可得f(x)的平移不变性。
定理:设f(x)∈L(E),则∀ϵ>0,存在Rn上具有紧支集的连续函数g(x),使得∫E∣f(x)−g(x)∣dx<ϵ.
函数g(x)的支(撑)集:supp g(x)={x∣g(x)=0},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:Rn中的紧集即为有界闭集)
该定理说明了,若f∈L(E),则∀ϵ>0,存在f的一个分解f=g+(f−g)=:f1+f2,其中f1是具有紧支集的连续函数,f2的积分小于ϵ.
也就是说,只要f(x)可积且有紧支集(即使f(x)间断或震荡),那就可以找到一个连续函数g(x)去逼近它。
证明:由f(x)∈L(E)可知,∀ϵ>0,存在Rn上具有紧支集的可测函数ϕ(x),使得∫E∣f(x)−ϕ(x)∣dx<2ϵ。不妨设∣ϕ(x)∣<M(有界),由Lusin定理和扩张定理,存在Rn上具有紧支集的连续函数g(x),使得m(E(ϕ=g))<4Mϵ,则∣g(x)∣≤M(x∈Rn)(这里是通过扩张定理将E上的g(x)扩张到Rn,由于ϕ(x)和g(x)很接近,所以g(x)的界和ϕ(x)一样),从而有∫E∣ϕ(x)−g(x)∣dx=∫E(∣ϕ−g∣>0)∣ϕ(x)−g(x)∣dx≤∫E(ϕ=g)(∣ϕ(x)∣+∣g(x)∣)dx≤2Mm(E(ϕ=g))<2ϵ,我们有∫E∣f(x)−g(x)∣dx≤∫E∣f(x)−ϕ(x)∣dx+∫E∣ϕ(x)−g(x)∣dx<2ϵ+2ϵ=ϵ.
定理:设f(x)∈L(E),则存在Rn上具有紧支集的连续函数列{gk(x)},使得:
(1)k→∞lim∫E∣f(x)−gk(x)∣dx=0;
(2)k→∞limgk(x)=f(x) a.e. [E];
3.
黎曼积分和Lebesgue积分的关系
定理:设f(x)是闭区间I=[a,b]上的有界函数,若f(x)在I上黎曼可积,则f(x)在I上也是Lebesgue可积的,且∫If(x)dx=∫abf(x)dx.
此处∫If(x)dx表示Lebesgue可积,∫abf(x)dx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f在区间I上有界,只要证f可测,就有f∈L(I)。(因为∣f∣≤M⇒可测∫I∣f∣dx≤∫IM dx<∞)
考虑I上的一列划分{Δn},Δn:a=x0(n)<x1(n)<⋯<xin(n)=b,Δn⊂Δn+1,∣Δn∣=1≤i≤inmax{xi(n)−xi−1(n)}→0,Mi(n)=sup{f(x)∣xi−1(n)≤x≤xi(n)},mi(n)=inf{f(x)∣xi−1(n)≤x≤xi(n)},由于f在I上黎曼可积,由黎曼积分的定义可知,n→∞lim∑i=1inmi(n)(xi(n)−xi−1(n))=n→∞lim∑i=1inMi(n)(xi(n)−xi−1(n))=∫abf dx,定义以下两个函数列ϕn(x)={mi(n)f(a),x∈(xi−1(n),xi(n)],x=a,ψn(x)={Mi(n)f(a),x∈(xi−1(n),xi(n)],x=a,因为Δn⊂Δn+1,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{ψ1≥ψ2≥⋯≥ψn⋯≥fϕ1≤ϕ2≤⋯≤ϕn⋯≤f,于是{n→∞limψn=:f≥fn→∞limϕn=:f≤f,即得f≥f≥f,极限函数f、f都是有界可测的,故它们都是Lebesgue可积的,且f−f是非负可测函数,故有∫I(f−f)dx≥0,又由{∫Ifdx≥∫Iϕndx=∫abϕndx=∑i=1inmi(xi(n)−xi−1(n))→∫abf dx∫Ifdx≤∫Iψndx=∫abψndx=∑i=1inMi(xi(n)−xi−1(n))→∫abf dx,可得∫Ifdx≤∫abf dx≤∫Ifdx,所以∫Ifdx=∫Ifdx,即∫I(f−f)dx=0,由前面定理知,f−f=0 a.e. [I],从而f=f=f a.e. [I],因此f在I上可测,且f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(X,F,μ)上的非负μ可测简单函数h(x)=∑j=1majχAj(x)(∀x∈X),0≤a1,a2,⋯,am∈R,A1,A2,⋯,Am是互不相交的可测集,定义h在X上的关于测度μ的积分为∫Xh(x)μ(dx)=∑j=1majμ(A)。我们将由非负μ可测简单函数全体组成的空间记为S+(X).
定义:设I:S+(X)→R∪{∞},I(h)=∫Xh(x)μ(dx),易见映射I是S+(X)上的可加泛函,即∀h1,h2∈S+(X)有I(h1+h2)=I(h1)+I(h2),并且∀a∈R+有I(ah)=aI(h).
泛函就是函数的函数。
定义:设f(x)是X上的非负μ可测函数,定义f在X上的积分为∫Xfμ(dx)=sup{∫Xh(x)μ(dx)∣h∈S+(X),h≤f},这里的积分可以是∞,若∫Xf(x)μ(dx)<∞,则称f在X上是μ可积的。全体非负μ可积函数的集合记作L+(x).
前面的非负Lebesgue可积函数的性质可以推广到非负μ可积函数。(略)
定义(一般可测函数的积分):设f(x)∈M(X,F,μ),若f+(x)和f−(x)中至少有一个是μ可积的,则称∫Xf(x)μ(dx)=∫Xf+(x)μ(dx)−∫Xf−(x)μ(dx)为f在X上的积分。若上式右端有限,则称f在X上μ可积。在X上可积函数的全体记作L(X,F,μ)或L(X).
前面的Lebesgue可积函数的性质可以推广到μ可积函数。(略)
5. Lebesgue积分与极限定理
定理(Lebesgue基本定理):设{fn(x)}是可测集E上的非负可测函数列,f(x)=∑n=1∞fn(x),则∫Ef(x)dx=∑n=1∞∫Efn(x)dx.
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:∫E∑n=1∞fn(x)dx=∑n=1∞∫Efn(x)dx.
证明:令Sk(x)=∑n=1kfn(x),则{Sk(x)}是非负可测函数列,Sk(x)≤Sk+1(x),且k→∞limSk(x)=f(x),故由Levi定理,∫Ef(x)dx=k→∞lim∫ESk(x)dx=k→∞lim∑n=1k∫Efn(x)dx=∑n=1∞∫Efn(x)dx.
定理:若{En}是可测集E的互不相交的可测子集,E=n=1⋃∞En,当函数f(x)在E上有积分时,f(x)在每一个子集En上都是有积分的。特别地,当f∈L(E)时,f∈L(En),并且∫Ef(x)dx=∑n=1∞∫Enf(x)dx.
注意区分,有积分和可积。
证明:我们有∫Enf+(x)dx=∫Ef+(x)χEn(x)dx和f+(x)=∑n=1∞f+(x)χEn(x),由Lebesgue基本定理,有∫Ef+(x)dx=∑n=1∞∫Ef+(x)χEn(x)dx=∑n=1∞∫Enf+(x)dx,类似地可证∫Ef−(x)dx=∑n=1∞∫Enf−(x)dx,当f(x)在E上有积分时,积分∫Ef+(x)dx与∫Ef−(x)dx之间至少有一个有限,不妨设∫Ef+(x)dx<∞,故正项级数∑n=1∞∫Enf+(x)dx=∫Ef+(x)dx<∞,所以∫Enf+(x)dx<∞,即f(x)在En上有积分,进而有∫Ef(x)dx=∫Ef+(x)dx−∫Ef−(x)dx=∑n=1∞∫Enf+(x)dx−∑n=1∞∫Enf−(x)dx=∑n=1∞(∫Enf+(x)dx−∫Enf−(x)dx)=∑n=1∞∫Enf(x)dx.
当f∈L(E)时,∫Ef+(x)dx<∞,∫Ef−(x)dx<∞,所以∫Enf+(x)dx<∞,∫Enf−(x)dx<∞,即f∈L(En).
定理(Fatou引理):设{fn(x)}是可测集E上的非负可测函数列,则∫En→∞limfn(x)dx≤n→∞lim∫Efn(x)dx.
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gn(x)=inf{fj(x)∣j≥n},显然有gn(x)≤gn+1(x),k=1,2,⋯,n→∞limgn(x)=n→∞limfn(x)(x∈E),再由Levi定理得∫En→∞limfn(x)dx=∫En→∞limgn(x)dx=n→∞lim∫Egn(x)dx≤n→∞lim∫Efn(x)dx,
例:fn(x)=2πne−2nx2,x∈R,n=1,2,⋯,显然,∫Rfn(x)dx=1,同时,n→∞limfn(x)=f(x)=0(∀x=0)(因为指数收敛速度比乘法快),∫Rn→∞limfn(x)dx=0<1=n→∞lim∫Rfn(x)dx.
定理(控制性收敛定理):设E⊂M,{fn(x)}⊂M(E),n→∞limfn(x)=f(x) a.e. [E],若存在函数F(x)∈L(E),使得∀n∈N,∣fn(x)∣≤F(x) a.e. [E],则fn(x)∈L(E),n=1,2,⋯,f(x)∈L(E),n→∞lim∫Efn(x)dx=∫Ef(x)dx.
函数F(x)称为函数列{fn(x)}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f(x)∈M(E),且由∣fn(x)∣≤F(x) a.e. [E],可知∣f(x)∣≤F(x) a.e. [E],因此f(x)∈L(E),考虑E上的可积函数列gn(x)=∣fn(x)−f(x)∣,n=1,2,⋯,则∀n有0≤gn(x)≤2F(x),由Fatou引理得∫En→∞lim[2F(x)−gn(x)]dx≤n→∞lim∫E[2F(x)−gn(x)]dx(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2∫EF(x)dx−∫En→∞limgn(x)dx≤2∫EF(x)dx−n→∞lim∫Egn(x)dx(右端把负号提出来就会从下极限变为上极限),即n→∞lim∫Egn(x)dx≤∫En→∞limgn(x)dx,由于n→∞limgn(x)dx=0 a.e. [E],即得n→∞lim∫Egn(x)dx=0,最后,由不等式∣∫Ef(x)dx−∫Efn(x)dx∣≤∫E∣f(x)−fn(x)∣dx≤∫Egn(x)dx→n→∞0,得到n→∞lim∫Efn(x)dx=∫Ef(x)dx.
推论:设E∈M,{fn(x)}∈M(E),fn⟶mf(依测度收敛),若存在函数F(x)∈L(E),使得∀n∈N有∣fn(x)∣≤F(x) a.e. [E],则fn(x)∈L(E),n=1,2,⋯,f(x)∈L(E),n→∞lim∫Efn(x)dx=∫Ef(x)dx.
证明:fn⟶mf,由Riesz定理知,存在子列fnk→f a.e. [E],故f(x)∈L(E),记gn(x)=∣fn(x)−f(x)∣,n=1,2,⋯,如上面定理的证明一样,只要证明n→∞lim∫Egn(x)dx=0。下面用反证法证明:如若不然,则对于某个ϵ>0,存在n1<n2<⋯使得∫Egnk(x)dx≥ϵ(k=,1,2,⋯),∵fnk⟶mf(k→∞),由Riesz定理知,存在子列{fnkj}⊂{fnk}使得fnkj→f a.e. [E](nkj→∞),由上述定理的证明有n→∞lim∫Egnkj(x)dx=0,与∫Egnkj(x)dx≥ϵ矛盾,得证。
推论(有界收敛定理):设m(E)<∞,{fn(x)}⊂L(E),且{fn(x)}一致有界(即∀x∈E存在常数M>0使得∣fn(x)∣<M,n=1,2,⋯),则当fn(x)→f(x) a.e. [E]或fn⟶mf时,n→∞lim∫Efn(x)dx=∫Ef(x)dx.
例1:求I=n→∞lim∫0∞fn(x)dx,其中fn(x)=e−xcosx⋅nln(n+x).
解:如果积分与极限可以交换位置,则I=∫0∞n→∞limfn(x)dx=0(因为n→∞时lnn的收敛速度比n慢),这里我们需要找到一个控制函数,∣e−xcosx⋅nln(n+x)∣≤e−xcosx⋅n+xln(n+x)⋅nn+x≤e−(1+x)(1+x)=:F(x)(其中n+xln(n+x)≤e−1、nn+x≤1+x、cos最大值是1),∀x≥0,∀n,∵∫0∞F(x)<∞,∴F∈L([0,∞)),F(x)即为要找的控制函数,故I=0.
例2:求I=n→∞lim∫01fn(x)dx,其中fn(x)=1+n2x2n23x.
解:注意到∀x>0,n=1,2,⋯有1+n2x2n23x≤x−21=:F(x),易知F(x)∈L([0,1)),由控制收敛定理I=n→∞lim∫01fn(x)dx=∫01n→∞limfn(x)dx=∫010dx=0.
定理(逐项积分):设m(E)<∞,{fn(x)}⊂L(E),若∑n=1∞∫E∣fn(x)∣dx<∞,则∑n=1∞fn(x)在E上几乎处处收敛;记f(x)=∑n=1∞fn(x),则有f(x)∈L(E),∑n=1∞∫Efn(x)dx=∫Ef(x)dx.
证明:定义F(x)=∑n=1∞∣fn(x)∣,由非负可测函数的逐项积分定理可知,∫EF(x)dx=∑n=1∞∫E∣fn(x)∣dx<∞,故F∈L(E),从而F(x)在E上几乎处处有限,也即∑n=1∞fn(x)几乎处处收敛。
记f(x)=∑n=1∞fn(x),由∣f(x)∣≤∑n=1∞∣fn(x)∣=F(x) a.e. [E]可知f(x)∈L(E),记Sm(x)=∑n=1mfn(x)≤F(x),m=1,2,⋯,亦有∣Sm(x)∣≤∑n=1m∣fn(x)∣≤F(x),m=1,2,⋯,利用控制收敛定理可得∫Ef(x)dx=∫Em→∞limSm(x)dx=m→∞lim∫ESm(x)dx=线性∑n=1∞∫Efn(x)dx.
6. 参变积分
定义:设E⊂Rn,E∈M,f(x,y):E×[a,b]→R,f(⋅,y)∈L(E)(∀y∈[a,b]),则ϕ(y)=∫Ef(x,y)dx:[a,b]→R,称为[a,b]上的参变积分。
定理;对于上述参变积分ϕ(y),如下结论成立:
(1)若存在F(x)∈L(E),使得∀x∈E,y∈[a,b]有∣f(x,y)∣≤F(x),则若y→y0limf(x,y) exists a.e. in [E],就有y→ y0limϕ(y)=∫Ey→ y0limf(x,y)dx.(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F(x)∈L(E),使得∀x∈E,y∈[a,b]有∣f(x,y)∣≤F(x),若对于几乎所有的x∈E,函数f(x,y)在y0∈[a,b]连续,则ϕ(y)在y0连续.(连续即y→y0limϕ(y)=ϕ(y0)=∫Ef(x,y0)dx)
(3)若函数f(x,y)的偏导数fy(x,y)存在,且存在F(x)∈L(E)使得∀x∈E,y∈[a,b]有∣fy(x,y)∣≤F(x),则ϕ′(y)=∫Efy(x,y)dx.(即ϕ(y)可微,且求导和积分可以交换顺序)
像∣f(x,y)∣≤F(x),如果把y看作是下标n,则这里的F(x)可以看作是控制函数。
证明:(1)考虑任何收敛于y0的序列{yn}⊂[a,b],则y→y0limϕ(y)=n→∞limϕ(yn),定义fn(x)=f(x,yn),可知{fn(x)}在E上几乎处处收敛,且∣fn(x)∣≤F(x)。由控制收敛定理得n→∞limϕ(yn)=n→∞lim∫Ef(x,yn)dx=∫En→∞limf(x,yn)dx,即t→y0limϕ(y)=∫Ey→y0limf(x,y)dx.
(2)对几乎所有的x∈E,f(x,y)在y0连续,即y→y0limf(x,y)=f(x,y0),由(1)可得y→y0limϕ(y)=∫Ey→y0limf(x,y)dx=∫Ef(x,y0)dx=ϕ(y0),即ϕ(y)在y0连续.
(3)对任意的y∈[a,b],
ϕ′(y)=z→ylimz−yϕ(z)−ϕ(y)=z→ylimz−y∫Ef(x,z)dx−∫Ef(x,y)dx=z→ylim∫Ez−yf(x,z)−f(x,y)dx=∫Ez→ylimz−yf(x,z)−f(x,y)dx=∫Efy(x,y)dx(其中z−yf(x,z)−f(x,y)=中值定理fy(x,θz+(1−θ)y)<F(x),∃θ∈[0,1])(∵∣fy∣≤F,F∈L(E),由(1)得)
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[a,b]上的有界函数黎曼可积的充分必要条件:f(x)是定义在区间I=[a,b]上的一个有界函数,我们定义I上的振幅函数ωf(x)=δ→0limsup{∣f(x′)−f(x′′)∣:x′,x′′∈B(x,δ)∩I}(显然振幅函数只有在间断点处不为零),对于每个t,集合H={x∈(a,b)∣ωf<t}是开集,从而ωf是I上的有界可测函数(若令Hn={x∣ωf<n},则n=1⋃∞Hn⊃I,且是I的一个开覆盖,根据有限覆盖定理可知,存在有限个Hn覆盖了I,因此ωf是有界的,又由于开集是可测集,所以ωf可测),故有ωf∈L(I),考虑区间I上的划分序列{Δn}:Δn:a=x0(n)<x1(n)<⋯<xin(n)=b,n=1,2,⋯,∣Δn∣=1≤j≤inmax∣xj−1(n)−xj(n)∣→0,记Mj(n)=sup{f(x)∣xj−1(n)≤x≤xj(n)},mj(n)=inf{f(x)∣xj−1(n)≤x≤xj(n)},则上积分n→∞lim∑j=1inMj(n)(xj(n)−xj−1(n))=∫abf(x)dx,下积分n→∞lim∑j=1inmj(n)(xj(n)−xj−1(n))=∫abf(x)dx,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I=[a,b]上的有界函数f(x),下列等式成立∫Iωf(x)dx=∫abf(x)dx−∫abf(x)dx,其中左端是Lebesgue积分。
证明:定义函数列ωn(x)={Mj(n)−mj(n)0,x∈(xj−1(n),xj(n)),x是Δn的分点以及集合E={x∈[a,b]:x是Δn的分点,n=1,2,⋯},我们有m(E)=0(可数个有限集的并集是可数集,可数集是零测集),而且n→∞limωn(x)=ωf(x),x∈I\E,也就是说ωn(x)收敛到ωf(x),接下来讨论ωn(x)的积分是否收敛到ωf(x),记A=x∈[a,b]supf(x)、B=x∈[a,b]inff(x),由0≤ωn≤A−B和有界收敛定理(其中A−B是控制函数),得n→∞lim∫Iωn(x)dx=∫In→∞limωn(x)dx=∫Iωf(x)dx;另一方面∫Iωn(x)dx=∑j=1in(Mj(n)−mj(n))(xj(n)−xj−1(n))=∑j=1inMj(n)(xj(n)−xj−1(n))−∑j=1inmj(n)(xj(n)−xj−1(n))→∫abf(x)dx−∫abf(x)dx,所以∫Iωf(x)dx=∫abf(x)dx−∫abf(x)dx.
定理:区间I=[a,b]上的有界函数f(x)是黎曼可积的充分必要条件是:f(x)在I上的不连续点集是零测集。
证明:f(x)在x0连续等价于ωf(x)=0,所以f(x)在I上的不连续点集是零测集⇔ωf(x)=0 a.e. [I]⇔∫Iωf(x)dx=0.
上述引理⇔∫abf(x)dx−∫abf(x)dx=0,即f(x)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{fn(x)}是测度空间(X,F,μ)上的非负可测函数列,f(x)=∑n=1∞fn(x),则∫Xf(x)μ(dx)=∑n=1∞∫Xfn(x)μ(dx).
推论:若{An}是X的互不相交可测子集,X=n=1⋃∞An,当函数f(x)在X上有积分时,f(x)在每一个子集An上都是有积分的;特别地,当f∈L(E)时,f∈L(An),且∫Xf(x)μ(dx)=∑n=1∞f(x)μ(dx).
定理(Fatou引理):若{fn(x)}是(X,F,μ)上的非负可测函数列,则∫Xn→∞limfn(x)μ(dx)≤n→∞lim∫Xfn(x)μ(dx).
定理(控制性收敛定理):设{fn(x)}⊂M(X,F,μ),n→∞limfn(x)=f(x) μ a.e.,若存在函数F(x)∈L(X),使得∀n∈N,∣fn(x)∣≤F(x) μ a.e.,则fn(x)∈L(X),n=1,2,⋯,f(x)∈L(X),n→∞lim∫Xfn(x)μ(dx)=∫Xf(x)μ(dx).
推论:设{fn(x)}∈M(X,F,μ),fn⟶mf(依测度收敛),若存在函数F(x)∈L(X),使得∀n∈N有∣fn(x)∣≤F(x) μ a.e.,则fn(x)∈L(X),n=1,2,⋯,f(x)∈L(X),n→∞lim∫Xfn(x)μ(dx)=∫Xf(x)μ(dx).
推论(有界收敛定理):设μ(X)<∞,{fn(x)}⊂L(X),且{fn(x)}一致有界(即∀x∈X存在常数M>0使得∣fn(x)∣<M,n=1,2,⋯),则当fn(x)→f(x) μ a.e.或fn⟶mf时,n→∞lim∫Xfn(x)μ(dx)=∫Xf(x)μ(dx).
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f(x,y): D=[a,b]×[c,d]→R,f∈C(D),那么重积分与累次积分为∫Df(x,y)dxdy=∫abdx∫cdf(x,y)dy=∫cddy∫abf(x,y)dx,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:f(x,y): D=[a,b]×[c,d]→R,f有界。若f满足:(1)f在D上可积;(2)固定任意的x∈[a,b],关于y的函数f(x,y)在[c,d]上可积;则有:∫Df(x,y)dxdy=∫ab(∫cdf(x,y)dy)dx。也就是说有界闭区间上的连续函数是黎曼可积的。
定义:设p,q,n∈N,n=p+q,Rn=Rp×Rq,f(x,y):Rn→R(x∈Rp,y∈Rq),则Rn上的
- 重积分定义为:∫Rnf(x,y)dxdy=∫Rq×Rqf(x,y)dxdy;
- 累次积分定义为(固定x∈Rp,f(x,y)作为y的函数时):∫Rp(∫Rqf(x,y)dy)dx=∫Rpdx∫Rqf(x,y)dy,下面讨论这个等号在何时成立。(在Lebesgue积分的情形下,Tonelli定理和Fubini定理给出了如下结论:当函数f(x,y)是Rp+q上的非负可测函数或Lebesgue可积函数时,累次积分存在并可交换次序,且总等于重积分。)
定义:设E⊂Rp+q,对于任意固定的x∈Rp,令Ex={y=Rq∣(x,y)∈E},称为E的x截口;同样的,对于任意固定的y∈Rq,令Ey={x=Rp∣(x,y)∈E},称为E的y截口。
对于截口,显然有χE(x,y)=χEx(y)=χEy(x)。
定理3.3.2:对于任意的n,p,q∈N,n=p+q,E∈Mn(即E在Rn中可测,我们一般记Rr中的全体Lebesgue可测集记为Mr),则以下结论成立,并把满足下述条件的n维可测集全体记为U:
(1)对于几乎处处x∈Rp,Ex∈Mq;
(2)m(Ex)在Rp上几乎处处有定义,且是Rp上的非负可测函数;
(3)m(E)=∫Rpm(Ex)dx;
同理,对于任意的n,p,q∈N,n=p+q,E∈Mn,以下结论成立(也记为U):
(1)对于几乎处处y∈Rq,Ey∈Mp;
(2)m(Ey)在Rq上几乎处处有定义,且是Rq上的非负可测函数;
(3)m(E)=∫Rqm(Ey)dy;
证明:我们将证明U=Mn,由于显然有U⊂Mn,故只需验证Mn⊂U。(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E是矩体,则E=I×J,其中I、J分别为Rp和Rq中的矩体,则有Ex={J,∅,x∈Ix∈/I、m(Ex)={∣J∣,0,x∈Ix∈/I,且m(E)=∣I∣⋅∣J∣=∣J∣⋅∫I1dx=∫Rp∣J∣⋅χI=∫Rpm(Ex)dx,即E∈U.
情况二:考虑开集的情况,设E是开集,则E=j=1⋃Ij,其中{Ij}是Rn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Ek=j=1⋃kIj∈U,由后面对应引理中的(3)可知E∈U.
情况三:考虑闭集的情况,设E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E∈U.
情况四:设{Ek}是Rn中的可测集合列,m(E1)<∞,Ek⊃Ek+1,k=1,2,⋯,记E=k=1⋂∞Ek,若对∀k有Ek∈U,则由后面对应引理的(2)、(3)有E1\Ek∈U,⇒k=1⋃∞(E1\Ek)∈U⇒E=德摩根法则E1\(k=1⋃∞(E1\Ek))∈U.
情况五:设E是Rn中的零测集,则E∈U,事实上,可选取递减开集列{Gk},E⊂Gk(∀k),s.t. k→∞limm(Gk)=0,由上述证明可知,H:=k=1⋂∞Gk∈U(根据情况四的证明),由于H可以写成H=k→∞limGk,又有m(H)=k→∞limm(Gk)=0,E⊂H⇒Ex⊂Hx,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:m(H)=∫Rpm(Hx)dx=0⇒m(E)=∫Rpm(Ex)dx=0⇒m(Ex)=0 a.e.,∴E∈U.
情况六:对任意的可测集E∈Mn,由可测集和Borel集相差一个零测集的定理,可设E=(k=1⋃∞Fk)∪Z,其中m(Z)=0,Fk是互不相交的有界闭集,由上述证明不难推出E∈U.
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E∈M,存在Borel集F、G,使得F⊂E⊂G,m(F)=m(E)=m(G).
引理:以下结论成立:
(1)若E1,E2∈U,E1∩E2=∅,则E1∪E2∈U;
(2)若E,F∈U,F⊂E,m(F)<∞,则E\F∈U;
(3)若{Ek}⊂U,Ek⊂Ek+1,k=1,2,⋯,则∪k=1∞Ek∈U;
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E1∪E2截口为(E1∪E2)x,由于(E1∪E2)x=E1x∪E2x,E1x∈U⊂Mq、E2x∈U⊂Mq,故(E1∪E2)x∈Mq;
②m((E1∪E2)x)=m(E1x∪E2x)=m(E1x)+m(E2x),由于m(E1x)和m(E2x)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):∫Rpm((E1∪E2)x)dx=m(E1)+m(E2)=m(E1∪E2);
(2)的证明:
①由(E\F)x=Ex\Fx可知E\F满足上面定理的第一条;
②、③由于∫Rpm(Fx)dx=m(F)<∞,可知m(Fx)在Rp上几乎处处有限,由于Ex=(E\F)x∪Fx,而(E\F)x和Fx不相交,所以移项后得m((E\F)x)=m(Ex)−m(Fx)在Rp上几乎处处有定义,且有∫Rpm((E\F)x)dx=∫Rpm(Ex)dx−∫Rpm(Fx)dx=m(E)−m(F)=m(E\F),其中最后一步等号成立是因为E=(E\F)∪F,E\F与F不相交,移项后得到的。
(3)的证明:
记E=k≥1⋃Ek=k→∞limEk(因为{Ek}是升列),则由前面测度和极限符号可换序的定理知,m(E)=k→∞limm(Ek),m(Ex)=k→∞limm((Ek)x), a.e. Rp(这里的a.e. Rp是{Ek}用的定理的第二个结论“几乎处处有定义”),再由Levi定理可得m(E)=limm(Ek)=Ek∈Ulim∫Rpm((Ek)x)dx=Levi定理∫Rplimm((Ek)x)dx=∫Rpm(Ex)dx。
定理:若E1∈Mp、E2∈Mq,则E1×E2∈Mn,m(E1×E2)=m(E1)m(E2)。
证明:因为(E1×E2)x={E2,∅,x∈E1x∈/E1,所以∀x∈Rp,(E1×E2)x∈Mp,m((E1×E2)x)=χE1(x)m(E2),若有E1×E2∈Mn,则根据定理3.3.2的(3)有m(E1×E2)=∫Rpm((E1×E2)x)dx=∫RpχE1(x)m(E2)dx=m(E1)m(E2).
以下证明E1×E2∈Mn:由可测集和Borel集相差一个零测集的定理,E1×E2可表示为可数个点集A×B的并集(且i=1⋃∞Ai×j=1⋃∞Bj=i,j=1⋃∞Ai×Bj),其中A,B是有界闭集或零测集,故只需讨论以下两种情形:
情况一:A是零测集。∀ϵ>0,可作Rp中的开矩体列{Ik}以及Rq中的开矩体列{Jk},使得A⊂k=1⋃∞Ik,∑k=1∞∣Ik∣<ϵ,B⊂k=1⋃∞Jk,∑k=1∞∣Jk∣<∞,∵A×B⊂k,l⋃∞(Ik×Jl),再根据次可加性,∴m∗(A×B)≤m(k,l⋃∞(Ik×Jl))≤∑k=1∞∣Ik∣⋅∑l=1∞∣Jl∣<ϵ∑l=1∞∣Jl∣,∴m∗(A×B)=0,A×B∈Mn.
情况二:A、B都是有界闭集,因此A×B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n=p+q,设f(x,y)是Rp+q=Rn上的非负可测函数,则:
(1)对于几乎处处的x∈Rp,函数f(x,⋅)是Rq上的非负可测函数;
(2)积分Ff(x)=∫Rqf(x,y)dy在Rp上几乎处处有定义,是Rp上的非负可测函数;
(3)重积分与累次积分相等,即∫Rp+qf(x,y)dxdy=∫RpFf(x)dx=∫Rpdx∫Rqf(x,y)dy=∫Rqdy∫Rpf(x,y)dx;
证明:由定理3.3.2知,对于任何可测集E∈Mn,特征函数χE(x)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χE(x,⋅)就是固定x取任意的y,这就是E的x截口,根据定理3.3.2的(1),直接就得到了对于几乎处处的x∈Rp,Ex∈Mq;
比如(2):若令f(x,y)=χE(x,y),有Ff(x)=∫Rqf(x,y)dy⇒代入m(Ex)=∫RqχE(x,y)dy,而定理3.3.2的(2)则说明了m(Ex)在Rp上几乎处处有定义,且是Rp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f(x,y)=αiχEi(x,y)时,代入上式有∫Rn∑i=1nαiχEi(x,y)dxdy=∫Rpdx∫Rq∑i=1nαiχEi(x,y)dy=∫Rqdy∫Rp∑i=1nαiχEi(x,y)dx,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E⊂Rn成立,即∫RnχE(x,y)dxdy=∫Rpdx∫RqχE(x,y)dy=∫Rqdy∫RpχE(x,y)dx,定义集合Ex:={y=Rq∣(x,y)∈E}、Ey:={x=Rp∣(x,y)∈E},由于χE(x,y)=χEx(y)=χEy(x),故∫RnχE(x,y)dxdy=∫Rpdx∫RqχE(x,y)dy=∫Rqdy∫RpχE(x,y)dx ⇔ m(E)=∫Rpm(Ex)dx=∫Rqm(Ey)dy.
定理(Fubini定理):若f∈L(Rn)(即f是Rn上的可积函数),Rn=Rp×Rq,则:
(1)对于几乎处处的x∈Rp,f(x,⋅)是Rq上的可积函数;
(2)Ff(x)=∫Rqf(x,y)dy在Rp上几乎处处有定义,是Rp上的可积函数;
(3)重积分与累次积分相等,即∫Rnf(x,y)dxdy=∫Rp+qf(x,y)dxdy=∫Rpdx∫Rqf(x,y)dy=∫Rqdy∫Rpf(x,y)dx;
证明:令f(x,y)=f+(x,y)−f−(x,y),由Tonelli定理可知,非负可测函数f+(x,y)、f−(x,y)满足该定理的(1)(2)(3),并且积分都是有限的,可相减,所以f(x,y)也满足该定理的(1)(2)(3)。
用法:比如f(x,y),其中x∈E、y∈F,那么只需要验证∫E×F∣f(x,y)∣dxdy<∞,若积分<∞就是可积的,就可以用该定理。
定义:设f(x)和g(x)是Rn上的可测函数,若积分∫Rnf(x−y)g(y)dy存在,则称此积分为f与g的卷积,并记为f∗g(x),即f∗g(x)=∫Rnf(x−y)g(y)dy。卷积的交换性:f∗g(x)=∫Rnf(x−y)g(y)dy=令x−y=z∫Rnf(z)g(x−z)dz=g∗f(x),即f∗g=g∗f.(注意,这里的f(x−y)是Rn×Rn上的可测函数,也就是把x和y看作是两个变量)
定理:设f,g∈L(Rn),则卷积f∗g(x)对几乎处处的x∈Rn存在,f∗g∈L(Rn),且∫Rn∣f∗g(x)∣dx≤∫Rn∣f(x)∣dx∫Rn∣g(x)∣dx.
证明:首先考虑f(x)和g(x)是非负可测函数的情形。因为f(x−t)g(t)是Rn×Rn上的非负可测函数,由Tonelli定理得∫Rnf∗g(x)dx=∫Rndx∫Rnf(x−t)g(t)dt=∫Rndt∫Rnf(x−t)g(t)dx=∫Rng(t)dt∫Rnf(x−t)dx=∫Rng(t)dt∫Rnf(x)dx<∞,所以∣f∗g∣<∞ a.e. [E],且∫Rnf∗g(x)dx=∫Rng(t)dt∫Rnf(x)dx.
对于f(x)和g(x)是一般的可测函数的情形,注意到∣f∗g∣≤∣f∣∗∣g∣,从而有∫Rn∣f∗g∣dx≤∫Rn∣f∣∗∣g∣dx=∫Rn∣g∣dt∫Rn∣f∣dx<∞.
定义:给定E∈Mn,设f(x)是E上的非负实值函数,则点集ΓE(f)={(x,y)∈Rn+1∣x∈E,y=f(x)}称为f在E上方的图像,点集G(f)={(x,y)∈Rn+1∣x∈E,0≤y≤f(x)}称为f在E上的下方图形集。
10. 积分的几何意义
定义:给定E∈Mn,设f(x)是E上的非负实值函数,点集ΓE(f)={(x,y)∈Rn+1∣x∈E,y=f(x)}称为f在E上的图像。点集G(f)={(x,y)∈Rn+1∣x∈E,0≤y≤f(x)}称为f在E上的下方图。
勒贝格积分-积分的几何意义
定理:给定E∈Mn,f(x)是E上的非负实值函数,则:
(1)若f(x)是可测函数,则ΓE(f),G(f)∈Mn+1,且m(ΓE(f))=0、m(G(f))=∫Ef(x)dx.
(2)若G(x)∈Mn+1,则f(x)是可测函数,且有m(G(f))=∫Ef(x)dx.
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m(ΓE(f))=0。不妨设m(E)<∞,对任意的δ>0,令Ek={x∈E∣kδ≤f(x)<(k+1)δ},k=0,1,2,⋯,则有ΓE(f)=k=0⋃∞ΓEk(f),m∗(ΓE(f))≤∑k=0∞m∗(ΓEk(f))≤∑k=0∞δm(Ek)=δm(E),令δ→0,得m(ΓE(f))=0.
其次证明G(f)∈Mn+1以及m(G(f))=∫Ef(x)dx。若f(x)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f(x),存在非负可测简单函数的上升列{ϕk(x)}收敛于f(x),易知G(ϕk)⊂G(ϕk+1),ΓE(f)∪k≥1⋃G(ϕk)=G(f),由于m(ΓE(f))=0,所以G(f)∈Mn+1,且m(G(f))=m(k→∞limG(ϕk))=递增可测集列性质k→∞limm(G(ϕk))=k→∞lim∫Eϕk(x)dx=Levi定理∫Ef(x)dx.
(2)的证明:记H=G(f)∈Mn+1,由定理3.3.2可知,对于几乎处处的x∈Rn,H的截口集H(x)={y∈R1∣(x,y)∈H}∈M1,且m(H(x))是可测函数。故除去一个零测集之外,对于所有的x∈Rn,当x∈E时,H(x)=[0,f(x)],m(H(x))=f(x);当x∈/E时,H(x)=∅,m(H(x))=0。所以f(x)∈M(E),由(1)可得m(G(f))=∫Ef(x)dx.
四、Lp空间
1. Lp范数
定义:设E是Rn中的可测集,则:
(1)设f(x)是E上的可测函数,记∣∣f∣∣p=(∫E∣f(x)∣pdx)p1(p≥1),称∣∣f∣∣p为f(x)的Lp范数。令Lp(E)={f∈M(E)∣∣∣f∣∣p<∞},则称Lp(E)为E上的Lp空间。(注意这里的p可以是任何数,包括分数、无理数)
(2)设f∈M(E),若存在M>0,使得∣f(x)∣≤M a.e. [E],则称f(x)是本性有界的。对所有这样的M取下确界,记为∣∣f∣∣∞,称为f(x)的本性上界。把∣∣f∣∣∞<∞的函数的集合记作L∞(E)={f∈M(E)∣∣∣f∣∣∞<∞}。本性上界用数学语言来表述就是,∀f∈L∞(E),∣∣f∣∣∞=Δ⊂E,m(Δ)=0infx∈E\Δsup∣f(x)∣.
Lebesgue可积函数空间L(E)=L1(E).
例1:设E=(0,1),问下列函数是否f∈Lp(E),p为多少?
(以下为方便起见就不写p1次方了,因为∫E∣f∣pdx<∞的话(∫E∣f(x)∣pdx)p1也必然<∞,但是计算题记得要写全)
(Ⅰ) f(x)=1。解:∫E∣f∣pdx=∫011pdx<∞,∴∀p≥1(包括p=∞)都有f∈Lp(E).
(Ⅱ) f(x)=x−23。解:∫E∣f∣pdx=∫01∣x−23∣pdx=∫01x−23pdx,写出原函数并画出图像可知,当p≥1时,p取任何值都无法使积分<∞,故f∈/Lp(E).
(Ⅲ) f(x)=x(1+x23)1。解:∫E∣f∣pdx=∫01∣x(1+x23)1∣pdx=∫01x2p(1+x23)p1dx≤∫01x2p1dx,写出原函数并画出图像可知,当1≤p≤2时积分<∞,即当1≤p≤2时,f∈Lp(E).
例2:设E=(0,∞),问下列函数是否f∈Lp(E),p为多少?
(Ⅰ) f(x)=1。解:当p=∞时,∫E∣f∣pdx=∫0∞1pdx=∞,故此时f∈/Lp(E);当p=∞时,∣∣f∣∣∞=1,此时f∈Lp(E).
例3:设E=(0,∞)×(0,∞),x=(x1,x2)∈E,并定义∣x∣=x12+x22,问下列函数是否f∈Lp(E),p为多少?
(Ⅰ) f(x)=∣x∣−23。解:∫E∣x∣−23pdx1dx2=∫0∞∫0∞x12+x22−23pdx1dx2=∫0∞∫02πρ⋅ρ−23pdρdθ=2π∫0∞ρ−23p+1dρ,不难看出无论p取何值都不能使积分<∞,故f∈/Lp(E).
定理(Hölder不等式,赫尔德不等式):设E∈Mn,1≤p、q≤∞、p−1+q−1=1,f∈Lp(E)、g∈Lq(E),则有∣∣fg∣∣1≤∣∣f∣∣p∣∣g∣∣q.
1≤p、q≤∞、p−1+q−1=1,我们把这样的p、q称为共轭指数。比如p=1、q=∞;再比如∀p∈(1,∞)、q=p−1p.
证明:若p=1、q=∞,则显然有∣∣fg∣∣1=∫E∣f(x)g(x)∣dx≤∣∣g∣∣∞∫E∣f(x)∣dx=∣∣g∣∣∞∣∣f∣∣1.
以下考虑1<p、q<∞.
当∣∣f∣∣p=0或∣∣g∣∣p=0时。有∣f∣p=0 a.e.或∣g∣q=0 a.e.,所以有∣fg∣=0 a.e. [E],即0=∣∣fg∣∣1=∣∣f∣∣p∣∣g∣∣q.
故只需考虑∣∣f∣∣p>0、∣∣g∣∣q>0的情形。利用Young不等式ap1bq1≤pa+qb(a,b>0、p1+q1=1),取a=∣∣f∣∣pp∣f(x)∣p、b=∣∣g∣∣qq∣g(x)∣q,我们有∣∣f∣∣p∣∣g∣∣q∣f(x)g(x)∣≤p1∣∣f∣∣pp∣f(x)∣p+q1∣∣g∣∣qq∣g(x)∣q,对上式作积分得∣∣f∣∣p∣∣g∣∣q1∫E∣f(x)g(x)∣dx≤p∣∣f∣∣pp1∫E∣f(x)∣pdx+q∣∣g∣∣qq1∫E∣g(x)∣qdx=p1+q1=1.
补充:Young不等式ap1bq1≤pa+qb(a,b>0、p1+q1=1)的证明:因为ln(x)是上凸函数,故p1lna+q1lnb≤ln(pa+qb),这个不等式画出图形就可以看出来了,其中由于p1+q1=1,所以pa+qb在a和b之间,而p1lna+q1lnb是lna、lnb的线性组合,也就是两点连线的那条线上的任意值,由于在(a,b)中这条线在ln下方(在端点处可以取等号),所以p1lna+q1lnb是小于等于ln(pa+qb)的。
由Hölder不等式可得到一些推论:
- ∣∫Ef(x)g(x)dx∣≤∫E∣f(x)g(x)∣dx≤(∫E∣f(x)∣pdx)p1(∫E∣g(x)∣qdx)q1.
- 当p=q=2时,有Schwarz不等式:∣∫Ef(x)g(x)dx∣≤(∫E∣f(x)∣2dx)21(∫E∣g(x)∣2dx)21.
命题:若m(E)<∞,则
(1)当p1<p2时,Lp2(E)⊂Lp1(E);
(2)p→∞lim∣∣f∣∣p=∣∣f∣∣∞(∀f∈L∞(E));
(1)的证明:(思路是证明当Lp2(E)存在时,任意f∈Lp2(E)都有f∈Lp1(E),也就是说Lp1(E)包含了Lp2(E)的所有元素)
当p2=∞时,∣∣f∣∣p1=(∫E∣f∣p1dx)p11≤(∣∣f∣∣∞p1∫E1dx)p11=(∣∣f∣∣∞p1m(E))p11(其中∣∣f∣∣∞是本性上界,可以简单地理解为几乎处处的极大值,所以∣f∣≤∣∣f∣∣∞),因为∣∣f∣∣∞p1<∞,且m(E)<∞,故右式<∞,即∣∣f∣∣p1<∞,也就是Lp1(E)存在且包含了L∞(E)中的所有f,故L∞(E)⊂Lp1(E).
当p1<p2<∞时,令r=p1p2>1,r−1+r′−1=1,则∀f∈Lp2(E),∫E∣f(x)∣p1dx=∫E∣f(x)∣p1⋅1dx≤(∫E∣f∣p1r)r1(∫E1r′dx)r′1=(∫E∣f∣p2)p2p1(m(E))r′1(其中第二个符号≤使用了Hölder不等式),其中左边的∫E∣f(x)∣p1dx=∣∣f∣∣p1p1,要开根号才能得到∣∣f∣∣p1,左右两边同时开p1次根号得∣∣f∣∣p1≤∣∣f∣∣p2(m(E))r′p11=∣∣f∣∣p2(m(E))p11(1−r1)=∣∣f∣∣p2m(E)p11−p21<∞(其中∣∣f∣∣p2<∞,且m(E)<∞,故它们相乘也是有限的),所以f∈Lp1(E),i.e.,Lp2(E)⊂Lp1(E).
(2)的证明:记M=∣∣f∣∣∞,则∣∣f∣∣p≤(∫EMpdx)p1=M⋅m(E)p1⇒p→∞lim∣∣f∣∣p≤M,∀M′<M,记A={x∈E∣∣f(x)∣>M′},则m(A)>0,可知∣∣f∣∣p≥(∫A∣f∣pdx)p1≥M′m(A)p1⇒p→∞lim∣∣f∣∣p≥M′,由M′的任意性可得p→∞lim∣∣f∣∣p≥M;所以p→∞lim∣∣f∣∣p=M.
定理:Lp范数满足以下“范数公理”(∀α∈R,f,g∈Lp(E)):
(1)齐次性:∣∣αf∣∣p=∣α∣∣∣f∣∣p;
(2)三角不等式(Minkowski不等式):∣∣f+g∣∣p≤∣∣f∣∣p+∣∣g∣∣q;
(3)正定性:∣∣f∣∣p≥0,且∣∣f∣∣p=0⇔f=0 a.e. [E];
证明:当p=1,∞时,证明是简单的,略。
设1<p<∞,(1)和(3)是显然的,我们只需证明(2):∣∣f+g∣∣pp=∫E∣f+g∣pdx=∫E∣f+g∣p−1∣f+g∣dx≤∫E∣f+g∣p−1∣f∣dx+∫E∣f+g∣p−1∣g∣dx,由∫E∣f+g∣p−1∣f∣dx≤(∫E∣f+g∣(p−1)qdx)q1(∫E∣f∣pdx)p1=∣∣f+g∣∣pp−1∣∣f∣∣p(∵q=p−1p),同理,∫E∣f+g∣p−1∣g∣dx≤∣∣f+g∣∣pp−1∣∣g∣∣p,可得∣∣f+g∣∣pp≤∣∣f+g∣∣pp−1∣∣f∣∣p+∣∣f+g∣∣pp−1∣∣g∣∣p,证毕。
2. Lp收敛
定理:对于任意的f,g∈Lp(E),定义距离d(f,g)=∣∣f−g∣∣p,1≤p≤∞,则(Lp(E),d)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:d(f,g)>0显然成立。∣∣f−g∣∣p=0⇔f=g a.e. [E],即d(f,g)=0⇔f=g a.e. [E].
对称性:d(f,g)=d(g,f)显然成立。
距离的三角不等式:由范数的三角不等式∣∣f−g∣∣p=∣∣(f−h)+(h−g)∣∣p≤∣∣f−h∣∣p+∣∣h−g∣∣p,即得距离的三角不等式d(f,g)≤d(f,h)+d(h,g).
定义:设E∈Mn,fm∈Lp(E)(m=1,2,⋯),若存在f∈Lp(E),使得m→∞limd(fm,f)=m→∞lim∣∣fm−f∣∣p=0,就称函数列{fm}依Lp的意义收敛于f(有的书会写“{fm}按范数收敛于f”),{fm}为Lp(E)中的收敛列,f是{fm}的极限,记作fm→Lpf或Lp−m→∞limfm=f,在不引起误解的情况下可简记为fm→f或m→∞limfm=f。若1≤p<∞,则称“Lp收敛”为“p次平均收敛”;若p=1,2,又分别称为“平均收敛”与“均方收敛”。
要证明{fm}是否Lp收敛,首先要验证fm是否∈Lp(E),然后再验证m→∞lim∣∣fm−f∣∣p是否=0,求p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。
Lp收敛具有以下性质:
(1)若fm→Lpf,fm→Lpg,则f=g a.e. [E],也就是f和g仅在零测集上不相等,我们可以简单地说极限唯一;
(2)若fm→Lpf,则数列{∣∣fm∣∣p}有界,且m→∞lim∣∣fm∣∣p=∣∣f∣∣p;
(3)若fm→Lpf,gm→Lpg,则fm±gm→Lpf±g,αgm→Lpαg(∀α∈R);
定理:对于给定的E∈Mn,设fm,f∈Lp(E),其中m=1,2,⋯,1≤p<∞,若fm→Lpf,则{fm}依测度收敛到f.
实际上,依测度收敛要比Lp收敛弱。
证明:∀ϵ>0,令Em(ϵ)={x∈E∣∣fm(x)−f(x)∣>ϵ},则ϵm(Em(ϵ))p1≤(∫Em(ϵ)∣fm(x)−f(x)∣p)p1≤(∫E∣fm(x)−f(x)∣p)p1=∣∣fm−f∣∣p→m→∞0
定理(Lp控制收敛定理):设E∈Mn,f,fm∈M(E),其中m=1,2,⋯,而且fm→f a.e. [E]或fm→mf。若g∈Lp(E),1≤p<∞,使得∣fm(x)∣≤g(x) a.e. [E],m=1,2,⋯,则fm→Lpf.
证明:(关键在于给∣fm−f∣p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)
记hm=∣fm−f∣p,m=1,2,⋯,则{hm}⊂M(E),hm→0 a.e. [E]或hm→m0,且∣hm(x)∣≤(∣fm(x)∣+∣f(x)∣)p≤2pg(x)p a.e. [E](其中因为∣fm(x)∣和∣f(x)∣都≤g(x),所以它们加起来≤2g(x)),因为2pg(x)p∈L1(E),故∫E∣g(x)∣pdx<∞,因此控制函数g(x)是可积的。由Lebesgue积分的控制收敛定理得m→∞lim∣∣f−fm∣∣pp=m→∞lim∫E∣fm−f∣pdx=m→∞lim∫Ehmdx=∫Em→∞limhmdx=0,即fm→Lpf.
3. Lp空间完备性、可分性
在欧氏空间Rn中,柯西收敛原理起着基本作用,在Lp(E)空间中可建立同样的理论。
定义:设E∈M,{fm}⊂Lp(E),1≤p≤∞,若k,m→∞lim∣∣fk−fm∣∣p=0,则称函数列{fm(x)}是空间Lp(E)中的基本列(或柯西列)。若fm→Lpf,由于∣∣fk−fm∣∣p≤∣∣fk−f∣∣p+∣∣f−fm∣∣p,可知Lp(E)中的收敛列必是基本列。
定理(完备性定理):若E是可测集,{fm}是Lp(E)中的基本列,则{fm}必是收敛列。
证明:首先考虑1≤p<∞的情形,易知{fm}在E上是依测度收敛的基本列。根据第二章的定理可知,对于在E上几乎处处有限的可测函数列,{fk(x)}是E上的依测度基本列⇔fk→mf。于是存在E上几乎处处有限的可测函数f(x),使得{fm}在E上依测度收敛于f,又由Riesz定理,可选出子列{fmi},使得i→∞limfmi(x)=f(x), a.e. [E],于是由Fatou引理得,∫E∣fm(x)−f(x)∣pdx=∫Ei→∞lim∣fm(x)−fmi(x)∣pdx≤i→∞lim∫E∣fm(x)−fmi(x)∣pdx,所以有m→∞lim∫E∣fm(x)−f(x)∣pdx=0,即m→∞lim∣∣fm−f∣∣=0,由不等式∣∣f∣∣p≤∣∣fm−f∣∣p+∣∣fm∣∣p可得f∈Lp(E).
再考虑p=∞的情形,设{fm}⊂L∞(E)满足k,m→∞lim∣∣fk−fm∣∣∞=0,因为∀k,m∈N有∣fk(x)−fm(x)∣≤∣∣fk−fm∣∣∞, a.e. [E],所以存在零测集Z⊂E,使得x∈E\Z上有∣fk(x)−fm(x)∣≤∣∣fk−fm∣∣∞(∀k,m),从而存在函数f(x),使得m→∞limfm(x)=f(x), x∈E\Z,易知f∈L∞(E)。任给ϵ>0,存在自然数K,使得当k,m>K时,∣∣fk−fm∣∣∞<ϵ,由于当k>K、x∈E\Z时,∣fk(x)−f(x)∣=m→∞lim∣fk(x)−fm(x)∣≤ϵ,故当k>K时,∣∣fk−f∣∣∞≤ϵ,这说明fk→L∞f.
推论:若fm→Lpf成立,则{fm}有子列在E上几乎处处收敛于f.
定义:设E∈Mn,F⊂Lp(E),若对任意的f∈Lp(E)以及ϵ>0,总存在g∈F,使得∣∣f−g∣∣p<ϵ,则称函数类F在Lp(E)中稠密,也可称每个元素f∈Lp(E)可用F中的函数Lp逼近,用数学语言来表示就是,函数类F⊂Lp(E)稠密⇔对任意f∈Lp(E),存在序列{fn}⊂F,使得fn→Lpf。若Lp(E)中存在可数稠密子集,则称Lp(E)是可分的。
定理:每个f∈Lp(Rn)可用简单可测函数列逼近。
定义:考虑集合Cc(Rn)={f∈C(Rn)∣∃紧集A⊂Rn,f∣Rn\A=0},称f∈Cc(Rn)为有紧支集的连续函数。
定理:设E⊂Rn是可测集,则每个f∈Lp(E),可用Cc(Rn)中的函数在E上Lp逼近。
定理:给定可测集E⊂Rn,则每个f∈Lp(E)可用Rn上具有紧支集的阶梯函数来Lp逼近。
定理:设E⊂Rn是可测集,对于任意的1≤p<∞,Lp(E)中存在可数稠密子集,即Lp(E)是可分空间。
命题:空间L∞[0,1]是不可分的。
定理:设f(x)是E上的可测函数,若存在常数M>0,使得对于一切E上可积的简单函数φ(x),都有∣∫Ef(x)φ(x)dx∣≤M∣∣φ∣∣q,则f∈Lp(E),且∣∣f∣∣p≤M,其中q与p是共轭指数。
4. L2空间
在欧氏空间R2中,点x=(x1,x2,⋯,xn)的模长公式是∣∣x∣∣=∑i=1nxi2,在Lp范数中只有L2范数才是R2中模长公式的直接推广,从而L2空间与R2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L2空间中。
定义:对于f,g∈L2(E),记(f,g)=∫Ef(x)g(x)dx,称(f,g)为f与g的内积。
比如,∣∣f∣∣2=(f,f).
注:在抽象测度空间,L2(X,F,μ)的内积定义为(f,g)=∫Xf(x)g(x)μ(dx),∀f,g∈L2(X,F,μ).
内积的性质:
(1)双线性性:(f,g)分别关于f与g是线性的;
(2)对称性:(f,g)=(g,f);
(3)正定性:(f,f)≥0;且(f,f)=0当且仅当f=0, a.e. [E];
上述三条性质也称为内积公理。
定义:设f,fm∈L2(E),m=1,2,⋯,若对任意g∈L2(E),都有m→∞lim(fm,g)=(f,g),就称函数列{fm}弱收敛到函数f,记作w−m→∞limfm=f,也可以简记为fm→wf或fm→f.
易知,弱收敛极限是唯一的。
L2收敛比弱收敛强。
定理:设f∈L2(E),{fm}⊂L2(E),则fm→L2f的充分必要条件是:①fm→wf;②m→∞lim∣∣fm∣∣=∣∣f∣∣。
定理:若以下两个条件成立:①∣∣fm∣∣≤M;②存在稠集Γ⊂L2(E)使得∀g∈Γ有m→∞lim(fm,g)=(f,g);则w−m→∞limfn=f.
定义:设f,g∈L2(E),若(f,g)=0,就称f与g正交(或垂直),记作f⊥g。
定义:设函数列{φa}a∈A⊂L2(E)中任意的两个元素都正交,则称{φa}a∈A是正交系;若对一切a∈A,还有∣∣φa∣∣=1,则称{φa}a∈A为标准正交系(或归一正交系)。
显然,函数系{φα}α∈A是标准正交系的充要条件是(φa,φb)=δab,其中δab是Kronecker记号:δab={1,0,a=ba=b.
定理:L2(E)中任一标准正交系都是可数的。
定义:设{φk}是L2(E)中的标准正交系,f∈L2(E),称ck=(f,φk)=∫Ef(x)φk(x)dx(其中k=1,2,⋯)为f关于正交系{φk}的Fourier系数,称∑k=1∞ckφk为f关于正交系{φk}的Fourier级数,简记为f∼∑k=1∞ckφk.
定理(Bessel不等式):设{φk}是L2(E)中一个标准正交系,f∈L2(E),则f(x)的Fourier系数{ck}满足∑k=1∞ck2≤∣∣f∣∣2.
证明:令SN(x)=∑k=1Nckφk(x),则∣∣f−Sn∣∣2=(f−∑k=1Nckφk,f−∑k=1Nckφk)=∣∣f∣∣2−2∑k=1Nck+∑k=1Nck2=∣∣f∣∣2−∑k=1Nck2≥0,再令N→∞,得证。
定理(Riesz-Fischer定理):设{φk}是L2(E)中的标准正交系,若实数列{ck}满足条件∑k=1∞ck2<∞,则级数∑k=1∞ckφk在L2(E)中收敛。将该级数和记为f,则(f,φk)=ck,且∣∣∑k=1∞ckφk∣∣2=∑k=1∞ck2.
由该定理可知,当实数列{ak}满足条件∑k=1∞ak2<∞时,级数∑k=1∞akφk在空间L2(E)中收敛,记它们的全体为Γ={∑k=1∞akφk∣{ak}是实数列, 满足∑k=1∞ak2<∞}.
定理:对任意给定的函数f∈L2(E),令f=∑k=1∞ckφk,其中ck是f的Fourier系数,则f∈Γ,且∣∣f−f∣∣=g∈Γmin∣∣f−g∣∣.
由此可见,当g=f时∣∣f−g∣∣达到最小值。
定义:设函数系{φk}是L2(E)中的一个正交系,若L2(E)中不再存在非零f能与一切φk正交,则称此正交系{φk}是L2(E)中的完全系。换句话说,若f∈L2(E)且满足(f,φk)=0(其中k=1,2,⋯),则必有f(x)=0 a.e. [E]成立。
定义:设函数系{φk}是L2(E)中的一个标准正交系,若每个f∈L2(E)都可表成L2(E)中收敛的级数f=∑k=1∞ckφk,则称{φk}是空间L2(E)的一个标准正交基。
定理:设{φk}是L2(E)中的一个标准正交系,则以下条件等价:
(1){φk}是标准正交基;
(2){φk}的有限线性组合之全体在L2(E)中稠密;
(3)完全性:L2(E)中不再存在非零元素能与一切φk正交;
(4)Parseval等式:∀f∈L2(E)有∣∣f∣∣2=∑k=1∞∣(f,φk)∣2;
(5)内积等式:∀f,g∈L2(E)有(f,g)=∑k=1∞(f,φk)(φk,g);
定义:设ψ1(x),ψ2(x),⋯,ψk(x)是定义在可测集E⊂Rn上的函数,如果由a1ψ1(x)+a2ψ2(x)+⋯+akψk(x)=0, a.e. [E],可推得ai=0(其中i=1,2,⋯,k)成立,那么称函数组{ψi(x)∣1≤i≤k}是线性无关的。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L2(E)中的正交系一定是线性无关的。而且L2(E)中的标准正交基{φk}一定是极大线性无关的,即不存在非零元g,使函数系{g,φ1,φ2,⋯}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{ψk}是L2(E)中的线性无关系,令g1=ψ1,g2=ψ2−∣∣g1∣∣2(ψ2,g1)g1,一般来说,用归纳定义,在取定g1,g2,⋯,gk−1后,令gk=ψk−∑i=1k−1∣∣gi∣∣2(ψk,gi)gi,这样算出来的函数系{gk}是正交系,若再令φk(x)=∣∣gk∣∣gk,则{φk}是L2(E)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:
若u(x)、v(x)是可测集E上两个几乎处处有限的实值可测函数,则函数u(x)+iv(x)=f(x)定义了E上几乎处处有限的复值函数,称f(x)是E上的复可测函数。全体E上的复可测函数仍记作M(E),如果要强调函数取值于复数域,则记作MC(E),不过一般不加下标C.
当∫E∣f(x)∣dx<∞,则称f(x)是E上的可积函数,此时定义f的积分值为∫Ef(x)dx=∫Eu(x)dx+i∫Ev(x)dx,全体E复可积函数仍记作L(E),如果要强调函数取值于复数域,则记作LC(E),不过一般不加下标C.
显然,对于f,g∈L2(E),复数α,β,总有∫E[αf(x)+βg(x)]dx=α∫Ef(x)dx+β∫Eg(x)dx.
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∣∫Ef(x)dx∣≤∫E∣f(x)∣dx,实际上,记z=∫Ef(x)dx,作极分解z=α∣z∣,显然有Re[αf(x)]≤∣αf(x)∣=∣f(x)∣,于是有∣∫Ef(x)dx∣=α∫Ef(x)dx=∫Eαf(x)dx=∫ERe[αf(x)]dx≤∫E∣f(x)∣dx.
函数类C(E)、Lp(E)(1≤p≤∞)也要作相应的扩充:设f=u+iv,当1≤p<∞时,定义它的p次范数为∣∣f∣∣p=(∫E∣f(x)∣pdx)p1,其中∣f(x)∣=u2(x)+v2(x);当p=∞时,定义它的∞范数为∣∣f∣∣∞=Δ⊂E,m(Δ)=0infx∈E\Δsup∣f(x)∣,即∣∣f∣∣∞=∣∣u2+v2∣∣∞。于是复值p次可积函数空间是L∞(E)={f=u+iv∈M(E)∣∣∣f∣∣p<∞},1≤p≤∞。易见在复值情形仍有L1(E)=L(E).
对于复值Lp(E)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α可以是复数;前面的关于Lp收敛、Lp空间完备性、可分性等在复值情形下都成立。特别地,复值Lp(E)空间是完备的空间。
但是在复值平方可积函数空间L2(E)中,内积定义要做相应的修改:对于∀f,g∈L2(E),令(f,g)=∫Ef(x)g(x)dx,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:(f,g)=(g,f);
(3)正定性:(f,f)≥0,且(f,f)=0⇔f(x)=0, a.e. [E];
关于实值L2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L2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∑k=1∞∣ck∣2≤∣∣f∣∣2;
Riesz-Fischer中实数列{ck}需改成复数列,且满足条件∑k=1∞∣ck∣2<∞;
且由它推导出来的结论应该为当实数列{ak}满足条件∑k=1∞ak2<∞时,级数∑k=1∞akφk在空间L2(E)中收敛,记它们的全体为Γ={∑k=1∞akφk∣{ak}是复数列, 满足∑k=1∞∣ak∣2<∞}.
内积公式应改成(f,g)=∑k=1∞ckdk.
卷积
设f(x)与g(x)是Rn上(实值或复值)的可测函数,若积分∫Rnf(x−y)g(y)dy存在,则称此积分为函数f与g的卷积,记为f∗g(x)。(注意:这里函数f(x−y)可看作为Rn×Rn上的可测函数)
显然卷积有①对称性:f∗g=g∗f;②双线性性:卷积f∗g关于变元f和g分别是线性的。
定理(杨(Young)不等式):若f∈Lp(Rn)(1≤p≤∞)、g∈L1(Rn),则f∗g∈Lp(Rn),且∣∣f∗g∣∣p≤∣∣f∣∣p∣∣g∣∣1.
证明:当p=∞时,∣f∗g(x)∣≤∫Rn∣f(x−y)∣∣g(y)∣dy≤∣∣f∣∣∞∫Rn∣g(y)∣dy=∣∣f∣∣∞∣∣g∣∣1,所以f∗g∈L∞(Rn),且∣∣f∗g∣∣∞≤∣∣f∣∣∞∣∣g∣∣1.
当1≤p<∞时,由Hölder不等式有,∣f∗g(x)∣≤∫Rn∣f(x−y)∣∣g(y)∣dy=∫Rn∣f(x−y)∣∣g(y)∣p1∣g(y)∣1−p1dy≤(∫Rn∣f(x−y)∣p∣g(y)∣dy)p1(∫Rn∣g(y)∣dy)pp−1,对上式两端作p次乘方再对变量x作积分,根据Fubini定理可知,∫Rn∣f∗g(x)∣dx≤∣∣g∣∣1p−1∫Rn(∫Rn∣f(x−y)∣pdx)∣g(y)∣dy=∣∣f∣∣pp∣∣g∣∣1p,于是得f∗g∈Lp(Rn),且∣∣f∗g∣∣p≤∣∣f∣∣p∣∣g∣∣1.
特别地,当p=1时,由此定理可见卷积运算关于L(Rn)空间是封闭的。
引理(平均连续性):若f∈Lp(Rn)(1≤p<∞),则有t→0lim∫Rn∣f(x+t)−f(x)∣pdx=0.
定理:若f,g∈L2(Rn),则f∗g(x)是Rn上有界连续函数,且∣∣f∗g∣∣∞≤∣∣f∣∣2∣∣g∣∣2.
证明:由Schwartz不等式得∫Rn∣f(x−y)g(y)∣dy≤(∫Rn∣f(x−y)∣2dy)21∣∣g∣∣2=∣∣f∣∣2∣∣g∣∣2,所以f∗g∈L∞(Rn),且∣∣f∗g∣∣∞≤∣∣f∣∣2∣∣g∣∣2.
再用Schwartz不等式,得∣f∗g(x+t)−f∗g(x)∣2≤∣∣g∣∣22∫Rn∣f(x+t−y)−f(x−y)∣2dy=∣∣g∣∣22∫Rn∣f(y−t)−f(y)∣2dy,由平均连续性可知,f∗g∈C(Rn).
定义:由n个非负整数αi(1≤i≤n)构成的有序数组α=(α1,α2,⋯,αn)称为多重指数,对于每个α,引入微分算子Dα=(∂x1∂)α1⋯(∂xn∂)αn,称之为多重微分算子(有时也记作∂α),它的次数是∣α∣=α1+α2+⋯+αn,若∣α∣=0,规定Dαf=f。令Ω是Rn中的非空开集,s是自然数,记C∞(Ω)={f∈C(Ω)∣Dαf∈C(Ω),∀α},Cs(Ω)={f∈C(Ω)∣Dαf∈C(Ω),对于∀α,满足∣α∣≤s}.
定理:记Br={x∈Rn∣∣∣x∣∣<r},设g是Rn上的函数满足对一切r>0,g∈L(Br),又f∈Ccs(Rn),则f∗g∈Cs(Rn),且Dα(f∗g)=Dαf∗g,∣α∣≤s.
定义:设φ(x)是定义在Rn上的函数,对任意的常数ε>0,记φε(x)=ε−nφ(ϵx).
定理:设φ∈L1(Rn),且∣∣φ∣∣1=1,若f∈Lp(Rn),1≤p<∞,则有ε→0lim∣∣φε∗f−f∣∣p=0.
证明:根据卷积定义,φε∗f(x)=∫Rnf(x−y)φε(y)dy=∫Rnf(x−εy)φ(y)dy,令q和p为共轭指数,由Hölder不等式得
∣φε∗f(x)−f(x)∣=∣∫Rn[f(x−εy)−f(y)]φ(y)dy∣≤∫Rn∣f(x−εy)−f(x)∣∣φ(y)∣p1∣φ(y)∣q1dy≤[∫Rn∣f(x−εy)−f(x)∣p∣φ(y)∣dy]p1
对上式两端作p次方再对变量x作积分,运用Fubini定理得∫Rn∣φε∗f(x)−f(x)∣pdx≤∫Rn∣φ(y)∣(∫Rn∣f(x−εy)−f(x)∣pdx)dy,令ε→0,因为∫Rn∣f(x−εy)−f(x)∣pdx≤2p∣∣f∣∣pp,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ε→0lim∫Rn∣φϵ∗f(x)−f(x)∣pdx=∫Rn∣φ(y)∣(ε→0lim∫Rn∣f(x−εy)−f(x)∣pdx)dy=0.
在L1(Rn)卷积运算中无单位元,但是φε∗f→Lpf,所以φε称为卷积运算的渐近单位元。
6. L2(Rn)上的Fourier变换
定义:对于任意的f∈L(Rn),令f^(t)=(2π)2n1∫Rnf(x)e−it⋅xdx,其中t⋅x=∑i=1ntixi,称f^是f的Fourier变换,记作F:f→f^,或者F f=f^。F是线性映射,即F(αf1+βf2)=αF(f1)+βF(f2)。
当f是实值函数时,它的Fourier变换是复值函数,变量t称为变量x的对偶变量,引入记号,对于t∈Rn,et(x)=defeit⋅x,于是f^(t)=f∗et(0)=∫Rnf(x)e−t(x)dx.
设f∈L(Rn),由于∣et(x)∣=1,∣f(x)e−t(x)∣≤∣f(x)∣,显然有∣f^(t)∣≤(2π)2n1∣∣f∣∣1,并且在积分号下取极限可得f^是t的连续函数,于是它的Fourier变换f^是有界连续函数。
对于多重指标α=(α1,α2,⋯,αn),记Dα=i−∣α∣Dα=(i1∂x1∂)α1⋯(i1∂xn∂)αn,则Dαet=tαet,其中tα=tα1tα2⋯tαn。若P是复多项式,P(ξ)=∑cαξα=∑cαξ1α1ξ2α2⋯ξnαn,记P(D)=∑cαDα,P(−D)=∑(−1)∣α∣cαDα,则P(D)et=P(t)et.
当x,y∈Rn,引入平移算子τr如下:τxf(y)=f(y−x).
引理:设f,g∈L1(Rn),x∈Rn,则
(1)(τxf) ^=e−xf^;
(2)(exf) ^=τxf^;
(3)(f∗g) ^=f^g^;
(4)若λ>0,h(x)=f(λx),则h^(t)=λnf^(λt);
定义:若f∈C∞(Rn)满足对任意的N=0,1,2,⋯,有∣α∣≤Nsupx∈Rnsup(1+∣x∣2)N∣Dαf(x)∣<∞,则称f为速降函数,由Rn上速降函数全体构成的集合记作S(Rn).
根据定义f∈S(Rn)当且仅当对于任意的多重指数α、任意Rn上的多项式P,函数P⋅Dαf是Rn上的有界函数。因为可用(1+∣x∣2)nP代替P,所以f∈S(Rn)等价于对一切的多项式P、一切的多重指数α有P⋅Dαf∈L1(Rn).
定理:具有紧支集的光滑函数全体Cc∞(Rn)在Lp(Rn)(1≤p<∞)中稠密。
命题:速降函数空间S(Rn)具有以下的性质:
(1)若f∈S(Rn),则对于任意的多项式P、多重指数α和∀g∈S(Rn),仍有P⋅f,g⋅f,Dαf∈S(Rn);
(2)(P(D)f) ^=P⋅f^,(P⋅f) ^=P(−D)f^;
(3)f^∈S(Rn);
定理:若f∈L1(Rn),则f^∈C0(Rn),并且∣∣f∣∣∞≤(2π)2n∣∣f∣∣1.
定理(逆定理):以下命题成立:
(1)若g∈S(Rn),则g(x)=(2π)2n1∫Rng^(t)eix⋅tdt;
(2)Fourier变换:F:S(Rn)→S(Rn)是一一在上的线性映射,而且F4=I;
(3)若f∈L1(Rn),且f^∈L1(Rn),令f0(x)=(2π)2n1∫Rnf^(t)eix⋅tdt,则f(x)=f0(t), a.e. [Rn].
定理:设f,g∈S(Rn),则
(1)f∗g∈S(Rn);
(2)(fg) ^=f^∗g^;
定理(Plancherel定理):存在L2(Rn)到自身的一个一一在上线性映射Ψ,它满足Ψf=f^, ∀f∈S(Rn),且∣∣Ψf∣∣2=∣∣f∣∣2, ∀L2(Rn).