(估计这图你们都看烦了,下次我试图换一个……)
大家好!
因为知乎在版本升级的时候出现了意想不到的bug(草稿内容再一次打开会被清空),导致我之前的笔记丢失,损失惨重,所以二三章的笔记整理的内容不会出现在这一系列笔记中,目前我有一些给大家补救的方案,已经专门写在了这里,大家可以看一下:
刘理:杂烩|2018.5-近期情况说明,相关typo修改这一章是Prof习题课的内容,针对了二三章较难或者重要的习题进行了一些整理。
提供之前的笔记:
我们开始本节的内容。本节是复习章节。
Exercise 1:
设 ,令 ,求 。
根据"可数集的测度为零"的结论,我们可以自然考虑这个集合的另一面。首先根据 可以得到 ,之后再考虑 ,把集合改成 ,其中 。关注重点自然在 上。
注意到 ,所以 在题目给定区间上是一个单减函数,那自然就可以考虑将它的每一个值与区间 上的有理数一一对应。设 ,并且记 ,也就是 。那么显然根据 函数的图像,容易得到对于每一个固定的数,这个集合在平面上都是一条线段。注意到 ,所以它是可数个这样的线段的并。又因为线段测度为0,所以自然得到 ,进一步有 。
Exercise 2:
设 为 的递减可测集列, 。令 , ,证明 。
这是一个递减集合列,我们在书上有一个结论是说,递增集合列的测度和极限运算可交换。所以可以考虑构造递增集合列。那么自然就是考虑 ,也就是 。所以根据集合的运算,容易得到 。
接下来怎么办?因为集合的可测性并不清楚,所以要考虑的自然是可测集的定义,因为可测集的定义能够构造一些有用的外测度的等式。考虑集合 ,它们都是可测集,所以根据定义有 ,并且有 。但是注意到第一个式子取极限,可以得到的是 (用了刚开始的结论)。是不是看着有一项已经一样了?最后再根据 外测度有限即可得到结论。
Exercise 3:
设 为 中的不可测集,证明存在 ,使得对任意的 中满足 的可测集 ,有 不可测。
这里考虑的是"零测集可测"的结论。因为这个结论成立,所以可以考虑当 的时候是否会出现反例(因为这个时候,另外一边集合的测度就趋于0了)。因此反证法是必需的。
如果对于任意的 ,存在 ,并且有 ,使得 。那么这样的话,考虑取 ,这样的话,因为 ,所以有 ,所以 。
记得关于等测包结论的证明吗?我们构造出了一系列的集合它的测度趋于0,那么自然考虑的就是取 。这样的话,首先 ,其次 。并且容易得到的是 ,也就是 。
这会出现什么问题?别忘了, 不可测,但是 ,这就矛盾了。
Exercise 4:
设 为 上一个连续函数族,则函数 在 上可测。
要想证明一个函数可测,只要说明 是可测集即可。也就是说,对于任意的 ,都会存在 ,使得 。
注意连续函数的条件。通过这个条件可以得到存在 ,使得任意的 ,都有 。这说明什么?这就说明了 是一个开集,那它自然可测。
显然这里如果把 改成 结论也是成立的,证明也是类似的。
Exercise 5:
设有指标集 ,且 是 上的可测函数族,判断函数 是否在 上可测。
是否可测呢?事实上既有可能可测,也有可能不可测。可测的例子上面那个题就是一个,而不可测的例子要稍微难一些。
取 是一个不可测集,那么设 ,这显然是可测函数(因为单点集可测),但是 是什么呢?注意到如果 ,那么显然 ,如果 ,就可以得到 ,也就是说 。这是一个不可测集上定义的特征函数,所以自然不可测。
Exercise 6:
设 在 上存在右导数,证明右导函数 为 上的可测函数。
这个题要使用的结论是"几乎处处连续的函数可测"的。首先注意到表示 ,也就是说每一个点的右连续点是存在的。这样的话根据第一章例12(原书P20)的结论即可得到 的不连续点为一个可数集,那么也就是说 几乎处处连续。那么自然可测。这样的话,因为 可测,那么自然 可测,进而即可推得 可测,就证明了结论。
Exercise 7:
设 为 上几乎处处有限的可测函数, ,证明对于任意的 ,存在 上的有界可测函数 ,使得 。
这个题有两种方法,我们分别写在下面。
第一种方法,考虑 ,那么根据这个构造可以得到 是一个递减序列,并且 ,其中 。那么根据 可以得到 。也就是说 ,存在 ,使得 。
因为我们的 的目的是把无界的部分"挖掉",所以只需要在有限的区域上做定义就可以了。令 。那么这个就是满足条件的函数。
第二种方法是考虑Lusin定理。首先构造 ,那么这样的话,对于任意的 ,存在 ,使得 (这是因为这个构造在 的时候一定可以做到 )。又因为 为几乎处处有限的可测函数,所以根据Lusin定理,存在闭集 ,使得 。并且 是连续的。现在只需要令 ,那么自然会有 也是一个连续函数,这样就可以得到有界性。并且也不难证明它是满足条件的。
事实上,这个题就是要构造一个和原来的函数"差不多"的函数,因此根据这个结论想到的两个方法都是有源头的。第一个方法是考虑挖掉"无界"的部分,通过函数几乎处处有限,来得到想要的结论。第二个方法是根据Lusin定理本身"挖掉一部分测度"的特性,结合连续函数的有界性来得到结论。
Exercise 8:
设 为 上几乎处处有限的可测函数,且 ,证明存在 ,使得 ,并且 在每一个 上都一致收敛于 。
这个结论显然要使用的就是书上的定理3.12(第三节的各个收敛定理务必记得滚瓜烂熟)。根据 ,可以得到存在 ,使得 ,并且 在 上一致收敛于 。这样的话, 自然满足结论,相信剩下的部分不难完成。
Exercise 9:
设 为 上的可测函数列, 为 上的实值函数,如果对于任意的 ,有 ,判断 是否在 上可测。
首先,根据分解可以得到 (拆为 和 ),也就是说 是一个依测度收敛的Cauchy列。那么根据定理3.16,可以得到,存在 在 上有限并且可测,使得 依测度收敛到 。这样的话根据同样的分解,可以得到 。那么这就是 几乎处处相等的意思,这样的话根据 可测即可得到 可测。
Exercise 10:
设 为 上的实值可测函数,如果对于任意的 ,有 ,证明对于任意的 ,存在 , ,使得 在 上一致收敛于 。
这个题目根据题目中给定的条件,容易想到的自然是引理3.11中的一些结论,它的证明中间的构造思想可以用在这里。
根据条件,对于任意的 ,有 (我觉得,你不应该再对这个构造表示陌生了),所以对于任意的 ,存在 ,使得 ,那么我们自然考虑把里面这一串集合再并起来,也就是考虑 。
考虑并起来后,别忘了它的补集就是一致收敛含义的集合表示,也就是说,对于任意的 ,只要取 ,即可得到对于任意的 ,有 ,(这个证明比较简略,更详细的细节读者可以自己完成)。
小结
这一节主要关注了原书的第二三章(测度,可测函数)的相关习题。要注意的是这一块的一些习题都是一些相对来说比较普适性的,看懂和独立解答这些习题后可以算是"过关"实分析的这一部分内容了。但是如果是要备战考试,可能还需要补充一些技巧比较独特的习题以作为积累。
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来源:知乎 www.zhihu.com
作者:刘理
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