数学 实变函数

一般可测函数的积分

若 , 则对任给的 , 存在 , 使得当 中子集 的测度 时, 有。

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一般可测函数的积分 #

定理 积分的绝对连续性

若 f∈L(E)f\in L(E), 则对任给的 ε>0\varepsilon>0, 存在 δ>0\delta>0, 使得当 EE 中子集 ee 的测度 m(e)<δm(e)<\delta 时, 有

∣∫ef(x)dx∣⩽∫e∣f(x)∣dx<ε.\left|\int_e f(x)\text{d} x\right|\leqslant \int_e \left|f(x)\right| \text{d} x<\varepsilon.
证明

不妨设, f(x)f(x) 非负, 对给定的 ε>0\varepsilon>0, 存在可测函数 φ(x), 0⩽φ(x)⩽f(x) (x∈E),\varphi(x),\ 0\leqslant \varphi(x)\leqslant f(x)\ (x\in E), 使得

∫E(f(x)−φ(x))dx=∫Ef(x)dx−∫Eφ(x)dx<ε2.\int_E(f(x)-\varphi(x))\text{d} x=\int_E f(x)\text{d} x-\int_E \varphi(x)\text{d} x<\frac \varepsilon 2.

现设 φ(x)⩽M\varphi(x)\leqslant M, 取 δ=ε/(2M)\delta=\varepsilon/(2M), 则当 e⊂Ee\subset E, 且 m(e)<δm(e)<\delta 时, 就有

∫ef(x)dx=∫ef(x)dx−∫eφ(x)dx+∫eφ(x)dx⩽ε.\int_e f(x)\text{d} x=\int_e f(x)\text{d} x-\int_e \varphi(x)\text{d} x + \int_e\varphi(x)\text{d} x\leqslant \varepsilon.
定理 控制收敛定理

设 fk∈L(E)f_k\in L(E), 且有

lim⁡k→∞fk(x)=f(x),a.e.x∈E.\lim\limits_{k\to\infty}f_k(x)=f(x),\mae x\in E.

若存在 EE 上的可积函数 F(x)F(x), 使得

∣fk(x)∣⩽F(x),a.e.x∈E,|f_k(x)|\leqslant F(x),\quad \mae x\in E,

则

lim⁡k→∞∫Efk(x)dx=∫Ef(x)dx.\lim\limits_{k\to\infty}\int_E f_k(x)\text{d} x=\int_E f(x)\text{d} x.
证明

先说明 f(x)f(x) 可积, 由 a.e.\mae 收敛可知 f(x)f(x) 可测, 又 ∣f(x)∣⩽F(x)|f(x)|\leqslant F(x) 故可积.

设 gk(x)=∣fk(x)−f(x)∣⩽2F(x)g_k(x)=|f_k(x)-f(x)|\leqslant 2F(x), 于是 2F(x)−gk(x)2F(x)-g_k(x) 非负, 对其使用 Fatou 引理

∫Elim⁡k→∞(2F(x)−gk(x))dx⩽lim‾⁡k→∞∫E(2F(x)−gk(x))dx\int_E\lim\limits_{k\to\infty} (2F(x)-g_k(x))\text{d} x\leqslant \varliminf\limits_{k\to\infty}\int_E (2F(x)-g_k(x))\text{d} x

又每个 gk(x)g_k(x) 均可积, 我们有

−∫Elim⁡k→∞gk(x)dx⩽−lim‾⁡k→∞∫Egk(x)dx-\int_E\lim\limits_{k\to\infty} g_k(x)\text{d} x\leqslant - \varlimsup\limits_{k\to\infty} \int_E g_k(x)\text{d} x

即 lim‾⁡k→∞∫Egk(x)dx=0\displaystyle\varlimsup\limits_{k\to \infty}\int_Eg_k(x)\text{d} x = 0.

于是

lim⁡k→∞∣∫Efk(x)−f(x)dx∣⩽lim⁡k→∞∫Egk(x)dx=0.\lim\limits_{k\to\infty}|\int_E f_k(x)-f(x)\text{d} x|\leqslant \lim\limits_{k\to\infty}\int_E g_k(x)\text{d} x =0.
定理 依测度收敛型控制收敛定理

设 fk∈L(Rn)f_k\in L(\mathbb{R}^n), 且 fk(x)f_k(x) 在 Rn\mathbb{R}^n 上依测度收敛于 f(x)f(x). 若存在 F∈L(Rn)F\in L(\mathbb{R}^n), 使得

∣fk(x)∣⩽F(x),a.e.x∈Rn,|f_k(x)|\leqslant F(x),\quad \mae x\in\mathbb{R}^n,

则 f∈L(Rn)f\in L(\mathbb{R}^n), 且有

lim⁡k→∞∫Rnfk(x)dx=∫Rnf(x)dx.\lim\limits_{k\to\infty}\int_{\mathbb{R}^n}f_k(x)\text{d} x=\int_{\mathbb{R}^n} f(x)\text{d} x.
推论

对于 EE 上依测度收敛于 f∈L(E)f\in L(E) 的非负可积函数列 {fk(x)}\{f_k(x)\}, 若有

lim⁡k→∞∫Efk(x)dx=∫Ef(x)dx,\lim\limits_{k\to\infty}\int_E f_k(x)\text{d} x = \int_E f(x)\text{d} x,

则

lim⁡k→∞∫E∣fk(x)−f(x)∣dx=0.\lim\limits_{k\to\infty}\int_E|f_k(x)-f(x)|\text{d} x=0.
证明

构造函数 gk(x)=f(x)+fk(x)−∣f(x)−fk(x)∣g_k(x)=f(x)+f_k(x)-|f(x)-f_k(x)| 易知 gk(x)g_k(x) 非负, 利用 Riesz 找出一个几乎处处收敛的子列, 于是有 lim⁡j→∞gkj(x)=2f(x)−∣f(x)−f(x)∣=2f(x)\lim\limits_{j\to\infty}g_{k_j}(x)=2f(x)-|f(x)-f(x)|=2f(x).

对 gk(x)g_k(x) 使用 Fatou

∫Elim‾⁡j→∞gkj(x)dx⩽lim‾⁡j→∞∫Egkj(x)dx\int_E\varliminf\limits_{j\to\infty}g_{k_j}(x)\text{d} x\leqslant\varliminf\limits_{j\to\infty}\int_E g_{k_j}(x)\text{d} x

于是得到

∫E2f(x)dx⩽lim‾⁡j→∞∫Efk(x)+f(x)−∣fk(x)−f(x)∣dx=∫Ef(x)dx+lim‾⁡j→∞∫Efkj(x)dx+lim‾⁡j→∞∫E−∣fk(x)−f(x)∣dx\begin{aligned} \int_E 2f(x)\text{d} x&\leqslant\varliminf\limits_{j\to\infty}\int_E f_k(x)+f(x)-|f_k(x)-f(x)|\text{d} x\\ &=\int_E f(x)\text{d} x + \varliminf\limits_{j\to\infty}\int_Ef_{k_j}(x)\text{d} x+\varliminf\limits_{j\to\infty}\int_E-|f_k(x)-f(x)|\text{d} x \end{aligned}

又 lim⁡k→∞∫Efk(x)dx=∫Ef(x)dx\displaystyle\lim\limits_{k\to\infty}\int_Ef_k(x)\text{d} x = \int_E f(x)\text{d} x 可得

0⩽−lim‾⁡j→∞∫E∣fkj(x)−f(x)∣dx.0\leqslant-\varlimsup\limits_{j\to\infty}\int_E|f_{k_j}(x)-f(x)|\text{d} x.
推论 逐项积分定理

设 fk∈L(E)f_k\in L(E). 若有

∑k=1∞∫E∣fk(x)∣dx<+∞,\sum\limits_{k=1}^\infty \int_E|f_k(x)|\text{d} x<+\infty,

则 ∑k=1∞fk(x)\sum\limits_{k=1}^\infty f_k(x) 在 EE 上几乎处处收敛; 若记其和函数为 f(x)f(x), 则 f∈L(E)f\in L(E), 且有

∑k=1∞∫Efk(x)dx=∫Ef(x)dx.\sum\limits_{k=1}^\infty \int_E f_k(x)\text{d} x=\int_E f(x)\text{d} x.
证明

作函数 F(x)=∑k=1∞∣fk(x)∣F(x)=\sum\limits_{k=1}^\infty|f_k(x)|, 由非负可测函数的逐项积分定理可知 F(x)∈L(E)F(x)\in L(E), 从而 F(x)F(x) 几乎处处有限, 即 ∑k=1∞fk(x)\sum\limits_{k=1}^\infty f_k(x) 几乎处处收敛.

又 ∣f(x)∣⩽∑k=1∞∣fk(x)∣=F(x),a.e.x∈E|f(x)|\leqslant \sum\limits_{k=1}^\infty |f_k(x)|=F(x),\mae x\in E, 可知 f∈L(E)f\in L(E).

再令 gm(x)=∑k=1mfk(x)g_m(x)=\sum\limits_{k=1}^m f_k(x), ∣gm(x)∣⩽F(x)|g_m(x)|\leqslant F(x) 于是由控制收敛定理可知

∫Ef(x)dx=∫Elim⁡m→∞gm(x)dx=lim⁡m→∞∫Egm(x)dx=∑k=1∞∫Efk(x)dx.\int_E f(x)\text{d} x=\int_E\lim\limits_{m\to\infty}g_m(x)\text{d} x = \lim\limits_{m\to\infty}\int_E g_m(x)\text{d} x=\sum\limits_{k=1}^\infty \int_E f_k(x)\text{d} x.
定理 积分号下求导

设 f(x,y)f(x,y) 是定义在 E×(a,b)E\times(a,b) 上的函数, 它作为 xx 的函数在 EE 上的是可积的, 作为 yy 的函数在 (a,b)(a,b) 上的是可微的. 若存在 F∈L(E)F\in L(E), 使得

∣ddyf(x,y)∣⩽F(x),\left|\frac{\text{d}}{\text{d} y}f(x,y)\right|\leqslant F(x),

则

ddy∫Ef(x,y)dx=∫Eddyf(x,y)dx.\frac{\text{d}}{\text{d} y}\int_E f(x,y)\text{d} x=\int_E \frac{\text{d} }{\text{d} y}f(x,y)\text{d} x.
证明

从定义出发

∣f(x,y+dk)−f(x,y)dk∣⩽F(x)|\frac{f(x,y+d_k)-f(x,y)}{d_k}|\leqslant F(x)

利用控制收敛定理可得结论.

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