同学们好!
大家是不是看到这个标题感到不太陌生呢?
这一部分内容开始我们开始关注实分析中的积分部分。这一部分和Stein也有部分的重合度,所以按照老办法,我们对于重复的部分只会简单地提一下。
因为ZH在五一期间出现了专栏的bug导致之前的笔记丢失,损失惨重,因此我想了一些补救方案,写在了这篇文章上:
刘理:杂烩|2018.5-近期情况说明,相关typo修改提供之前的笔记(注意目录顺序……):
- 实分析Ⅱ|笔记整理(4)——第二三章部分习题解答
- 实分析Ⅱ|笔记整理(3)——第一章部分习题及解答
- 实分析Ⅱ|笔记整理(2)——开集,闭集等集合性质深化
- 实分析Ⅱ|笔记整理(1)——集合论补充,相关应用习题举例(1)
我们开始本节的内容,本节所含原书内容为P131-
非负简单可测函数的积分
从这里开始考虑的原因是简单可测函数逼近定理(原书定理3.9)。
Definition 1:
设 为 上的非负可测简单函数,它在点集 上取值为 ,并且 。若 ,那么定义 在 上的积分为 。
这一块定义和Stein稍显不同。
下面是相关的性质。
Theorem 1:
设 为 上的非负可测简单函数, 在点集 上取值为 。 在点集 上取值为 , ,则
(1)若 是非负常数,那么
(2)
(请注意,这里的 写法不规范,应该是 ,这里为节省时间)
只证明第二个,因为 在 上取值 (当然了, 是空集其实是不影响的),那么有 拆分可得 然后,注意到 (这是因为 和可数可加性),同理得到 ,所以化简可得上式即为 ,这也就是 。
事实上,还有一个性质就是Stein里所说的"积分的值与表示无关"。这里Stein里说的比较清楚,所以就不再在这里赘述了。
下一个小定理也是之前对我们学过的知识的一个简单应用。
Theorem 2:
若 为 中的递增可测集列, 为 上的非负可测简单函数,则
事实上,只需要走定义,根据 (原书定理2.8)即可得。
非负可测函数的积分
根据简单函数的积分,我们给出非负可测函数积分的定义。
Definition 2:
设 为 上的非负可测函数,定义 在 上的积分为 ,如果 ,则称 在 上可积。
一个简单的事实是
,则
我们不再证明。
另外,根据这个定义还可以推出两个有趣的性质。
Proposition 1:
(1)若 为 上的非负可测函数, 是 中可测子集,那么
(2)若 在 上几乎处处为0,那么 ,反之亦然。
对于第一个,注意到 即可。
对于第二个,一方面,如果在 上 几乎处处为0,那么设 ,则 。这样的话 (Stein里提了这个性质,事实上用这里的定义证明,也不是难事)。一部分函数值是0,一部分是基于零测集上的积分,那么自然容易得到这个积分值就是0。
另一方面,如果 ,考虑构造 ,那么只需要根据 即可得到 。接着根据 即可得到 。
下面这个依然是一个小定理,但是结论非常重要,也很直观。
Theorem 3:
若 为 上的非负可积函数,则 在 上几乎处处有限。
谈到"几乎处处有限",想也不用想就是构造 ,则 。结合 与 即可得到 。别忘了 是递减列,所以自然有 。
接下来这个定理是一个比较重要的大定理,以后我们可能会经常用到它。
Theorem 4:Beppo Levi
设有定义在 上的非负可测函数渐升列 且有 ,那么有
首先,由渐升列的定义,容易得到 有定义,积分 有定义(有定义是根据 非负可测得到的,要注意它和可不可积并不是一个概念)。并且还是根据渐升列可以直接得到 (某一项是小的,你取极限后自然还是小的)。
下面考虑另外一个方向。因为要证明 是小于左边的式子的,所以自然的要考虑非负可测简单函数 (通过任意一个 的估计和积分的定义,自然可以得到 的估计)。考虑到渐升列,构造集合 ,其中 任意取定。这样的话 递增可测,所以根据Theorem 2可得 。又容易得到 ,两边取极限,令 ,可以得到 。最后因为 是任意的,所以就可以得到 ,就证明了结论。
这个定理相当于说,如果函数是渐升列,那么它的积分和极限可交换。
这个定理的一个最直接的应用是之后的这个性质,因为有可交换性与简单函数逼近定理的保证,会让很多问题变得简单很多。
Theorem 5:
设 为 上的非负可测函数, 为非负常数,那么
事实上根据简单函数逼近定理,结合Theorem 4可以把它转为非负可测简单函数的情况。具体的过程可以查看Stein,这里略去。
当然了,渐降列也是有类似的性质的
Proposition 2:
设 为 上的非负可积函数渐降列,且 ,那么 。
简单说明一下,构造 ,那么这就变成了一个渐升列,然后根据构造出的渐升列可得 。另一方面,根据积分的线性性质,再取极限,可得 。这样的话,把左边取极限的部分拆开,消去有限项(可积)即可得结论(别忘了 在取极限的时候是不受影响的)。
之后要说的逐项积分定理,其证明将运用Beppo Levi定理,而它本身也很重要。
Theorem 6:
若 是 上非负可测函数列,那么
令 ,那么就构造出了一个渐升列,并且 。这样的话,注意到左边就相当于 ,所以只要证明右边是 即可。而右边化一下极限可得 。之后只要根据积分的线性性质即可得到结论。
一个简单的推论如下:
Corollary 1:
设 , ,若 为 上的非负可测函数,则
根据 和逐项积分定理即可得到结论,这里略去详细的证明。
这个推论主要的来源于测度的可数可加性,不过因为积分的存在,所以很多时候在测度的环境下也可以使用积分来估计。
下面一个例子说明了积分在测度的应用。
Example 1:
若 为 中的可测集,且 中每一点至少属于上述集合中的 个,那么 中至少有一个点集的测度大于等于 。
只需要注意 ,且根据 可得到 。所以如果任何一个点集测度小于 ,就可以得到 ,这就矛盾了。所以原定理自然是成立的。
下面引入Fatou引理。
Theorem 7: Fatou
若 是 上的非负可测函数列,那么
根据下极限的定义,考虑设 ,那么容易得到 ,并且有 。所以通过这种方式相当于构造了一个渐升列,根据相关定理可得 (中间步骤是因为,极限存在那么下极限和极限相等),这就证明了结论。
书上给了一个函数 ,这个函数运用Fatou引理的话,其不等号是成立的。
最后是一个定理,引入了另外一种可积的充要条件,书上以它结束了这一节,我也打算这么做。
Theorem 8:
设 为 上的几乎处处有限的非负可测函数, 。在 上作如下划分 ,其中 ,若令 ,则 在 上可积当且仅当 ,并且有
事实上,注意到 就容易得到 。所以自然就可以得到结论成立(夹逼)
这个结论可以与Riemann积分相类比一下。Riemann积分是分割定义域来进行极限求和,而这里这个等价条件相当于是对值域进行相同的操作。
比方说,取 ,那么 的可积性就等价于 。运用这个小结论,可以来解下面这个例子。
Example 2:
设 , 为 上非负实值可测函数,那么 在 上可积的充要条件是
一方面,如果 可积,那么 (第二步其实将求和号变一下即可,但要注意变换上下标为 。之后再用上面的结论)
另一方面,则只需要注意到 即可知道结论成立(因为我偷懒省了最后一步……)
小结
这一节各位可能会想做一些吐槽,因为可能会感觉这一部分的内容没有什么太大的新意,也鲜有创新。不过确实我自己在看的时候发觉确实没有太多需要解释的部分,书上这一块写的很详细也很清楚。这当然对于所有人来说都是一件好事。
这一部分内容和Stein的观点和符号标记都稍有差别,因此我基本上没有省略掉原书的内容。这虽然一定程度上使笔记的内容多了不少,但是读者通过对比两本书的观点差异,其实还是可以发现很多有趣的东西的。
下一节我们会跟着原书的内容,继续介绍《实变函数论》中所涉及的一般函数积分的相关理论。
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来源:知乎 www.zhihu.com
作者:刘理
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