积分的定义-MCT-Fatou引理-DCT的框架搭建
非负简单函数的积分
取(Ω,F,μ)为测度空间,回顾简单函数的定义,ϕ如果满足
- 取值为实数(而不能是±∞)
- 取有限个值
- 是(Ω,F,μ)上的可测函数
就称ϕ是(Ω,F,μ)上的简单函数
现在假设非负简单函数ϕ在D上定义,(注意由简单函数的可测性我们知道D∈F),设E∈F且E⊂D,假设{Ei}i=1n是E的一个划分,使得ϕ在Ei上面的取值为ai,且∀i,Ei∈F(这样的划分是存在的,令Ei={x∈E:ϕ(x)=ai}即可)我们定义ϕ在E上的积分
∫Eϕdμ△i=1∑naiμ(Ei)
注意:
- Ei的可测性保证了定义式右端μ(Ei)的运算合法性
- ϕ的非负性保证了定义式右端求和的运算合法性(不会出现+∞−∞的情况)
假设非负简单函数ϕ在D上定义,那么由ϕ的可测性,有
Di△{x∈Ω:ϕ(x)=ai}
都是可测集,并且是D的一个划分,设E∈F且E⊂D,那么
Ei△{x∈E:ϕ(x)=ai}
就是E的一个划分,而且有Ei=Di∩E,因此
∫Eϕdμ=i=1∑naiμ(Ei)=i=1∑naiμ(Di∩E)
非负的一般可测函数的积分
设非负可测函数f在D∈F上定义,定义f在D上的积分为
∫Dfdμ=ϕ⩽f,ϕ为非负简单函数sup∫Dϕdμ
非负可测函数积分的若干性质
以下我们假定fi总是一般的非负可测函数(可以是广义实值的),而ϕi,φi总是非负简单函数,他们都在D∈F上定义,下面是非负可测函数积分的若干性质
- f1⩽f2⇒∫Df1dμ⩽∫Df2dμ
- D0⊂D,D0∈F⇒∫D0fdμ⩽∫Dfdμ
- f1=f2,a.e.x∈D⇒∫Df1dμ=∫Df2dμ
- ∀c>0,∫Dcfdμ=c∫Dfdμ
证明:
(1)
如果∫Df2dμ=+∞,那么我们已经完成了证明,现在只考虑∫Df2dμ<+∞的情形,任取ϕ使得0⩽ϕ⩽f1,则ϕ⩽f2,因此有
∫Dϕdμ⩽0⩽ϕ⩽f2sup∫Dϕdμ=∫Dfdμ
由ϕ⩽f1的任意性,我们就证明了(1)
(2)
如果∫Dfdμ=+∞,那么我们已经完成了证明,现在只考虑∫Dfdμ<+∞的情形,任取ϕ使得0⩽ϕ⩽f,设{Di}i=1m为D的一个分划,那么{Di∩D0}i=1m就是D0的一个分划,因此有
∫D0ϕdμ=i=1∑maiμ(Di∩D0)⩽i=1∑maiμ(Di)⩽∫Dϕdμ⩽0⩽ϕ⩽fsup∫Dϕdμ=∫Dfdμ
由ϕ⩽f的任意性,我们就证明了(2)
(3)
我们先证明∫Df1dμ<+∞,∫Df2dμ<+∞的情形,设
E={x∈D:f1(x)=f2(x)}
则μ(E)=0,任取ϕ使得0⩽ϕ⩽f1,定义
φ={ϕ,x∈D∩Ec0,x∈E
则φ⩽ϕ⩽f2,并且φ也是非负简单函数,我们有
∫Dϕdμ=i=1∑maiμ(Di)=i=1∑maiμ(Di∩E)+i=1∑maiμ(Di∩Ec)μ(E)=0i=1∑maiμ(Di∩Ec)
又注意到{Di∩Ec}i=1m是Ec的一个划分,因此我们有
∫Dφdμ=i=1∑maiμ(Di∩Ec)+0⋅μ(Ec)=i=1∑maiμ(Di∩Ec)
因此
∫Dϕdμ=∫Dφdμ⩽0⩽φ⩽f2sup∫Dφdμ=∫Df2dμ
由ϕ的任意性我们知道∫Df1dμ⩽∫Df2dμ,同理可证∫Df2dμ⩽∫Df1dμ,由此我们就证明了
∫Df2dμ=∫Df1dμ
对于∫Df1dμ=+∞或∫Df2dμ=+∞的情形,只需用类似的方法证明∀N∈N,都∃ϕ⩽fi使得∫Dϕdμ⩾N即可
(4)
当∫Dfdμ=+∞时,结论显然成立,下面只讨论∫Dfdμ<+∞的情形,任取0⩽ϕ⩽f,则有cϕ⩽cf,所以有
c∫Dϕdμϕ为非负简单函数∫Dcϕdμ⩽φ⩽cfsup∫Dφdμ=∫Dcfdμ
由ϕ的任意性,我们知道c∫Dfdμ⩽∫Dcfdμ,又注意到∀φ⩽cf,有cφ⩽f(注意这一步用到了c>0的条件),仿照上面的方法论证可知∫Dcfdμ⩽c∫Dfdμ
所以∫Dcfdμ=c∫Dfdμ
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注意Lebesgue积分具有线性性,但是这里我们只证明了线性性的“一半”,即数乘,因为数乘性质可以直接按照定义来证明,而线性性的“另一半”,即加法,其证明依赖MCT(单调收敛定理)
MCT(单调收敛定理)
由简单函数的积分诱导出的测度
取(Ω,F,μ)为测度空间,设ϕ是一个非负简单函数,并且ϕ在全集Ω上都有定义(即ϕ的定义域包含Ω),那么由ν:F→[0,+∞],ν(A)=∫Aϕdμ定义的集函数是一个(Ω,F)上的测度,即三元组(Ω,F,ν)构成一个测度空间
证明:
首先注意到ν(∅)=∫∅ϕdμ=0,下面我们只需证明ν满足可列可加性
假设{An}n=1∞⊂F是F中两两不交的集合列,设
ϕ=i=1∑maiχDi
由于ϕ在整个Ω上都有定义,所以⋃i=1mDi=Ω,那么注意到
{Di∩(n=1⋃∞An)}i=1m
是⋃n=1∞An的一个划分,根据非负简单函数的积分的定义,有
∫⋃n=1∞Anϕdμ=i=1∑maiμ(Di∩(n=1⋃∞An))=i=1∑mai(n=1∑∞μ(Di∩An))
我们可以把最后一个等号右边的式子看作是“有限(m)个极限”相加,由于被求和的极限都是正项级数,所以交换求和顺序不影响运算的合理性,即
n=1∑∞(i=1∑maiμ(Di∩An)),i=1∑mai(n=1∑∞μ(Di∩An))∈[0,+∞]
分∑n=1∞μ(Di∩An)是否为+∞讨论可知
i=1∑mai(n=1∑∞μ(Di∩An))=n=1∑∞(i=1∑maiμ(Di∩An))=n=1∑∞∫Anϕdμ=n=1∑∞ν(An)
至此,我们证明了ν满足可列可加性,因此ν是(Ω,F)上的一个测度
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MCT(单调收敛定理)
取(Ω,F,μ)为测度空间,设{fn}n=1∞,f为该测度空间上面的非负、可测、广义实值函数(列)(3个条件同时满足),设D∈F,{fn}n=1∞,f在D上都有定义,而且limn→∞fn=f,a.e.x∈D,如果∀n,fn(x)⩽fn+1(x),a.e.x∈D,则有
n→∞lim∫Dfndμ=∫Dfdμ
证明:
首先由非负可测函数积分的性质3,a.e.成立的性质不影响积分值,所以可以直接认为定理条件都在D上处处成立。由于∀n,fn(x)⩽fn+1(x),所以∀n,f=limn→∞fn⩾fn,由非负可测函数积分的性质1,我们有
∫Dfndμ⩽∫Dfdμ(∀n∈N)
两边同时取极限,得到
n→∞lim∫Dfndμ⩽∫Dfdμ
当limn→∞∫Dfndμ=+∞时,反向不等式即证,下面我们仅考虑limn→∞∫Dfndμ<+∞的情形
任取0⩽ϕ⩽f以及α∈(0,1),我们有0⩽αϕ⩽ϕ⩽f,定义集合列{En}n=1∞为
Dn={x∈D:fn(x)⩾αϕ(x)}
则{En}n=1∞是一个递增列,我们下面来证明⋃n=1∞Dn=D,由Dn的构造知⋃n=1∞Dn⊂D,下面我们来证明反向包含,任取x∈D,如果f(x)=0,那么f1(x)=f2(x)=⋯=0,此时ϕ(x)=0,f1(x)=αϕ(x)=0所以x∈D1,如果f(x)>0,此时0⩽αϕ<ϕ⩽f,由数列极限的定义即知∃N∈N使得fN(x)>αϕ(x),所以x∈DN⊂⋃n=1∞Dn,至此我们已经证明了⋃n=1∞Dn=D
令ν(D)=∫Dϕdμ(即为我们之前定义的由简单函数的积分诱导出的测度),我们有
∫Dfndμ⩾∫Dnfndμ⩾∫Dnαϕdμϕ是非负简单函数α∫Dnϕdμ=αν(Dn)
这里第一个不等号是因为非负可测函数的积分性质2;第二个不等号是因为在Dn上fn⩾αϕ,而且这里αϕ是简单函数,再根根据一般非负可测函数的积分定义,∫Dnfndμ=sup0⩽φ⩽fn∫Dndμ
注意到{Dn}n=1∞↑,并且有limn→∞Dn=⋃n=1∞Dn=D所以有
n→∞limν(Dn)=ν(n→∞limDn)=ν(D)
在∫Dfndμ⩾αν(Dn)两边同时取极限n→∞,得到
n→∞lim∫Dfndμ⩾n→∞limαν(Dn)=αn→∞limν(Dn)=αν(D)
由α的任意性,我们有
n→∞lim∫Dfndμ⩾ν(D)=∫Dϕdμ
再由ϕ的任意性,我们就有
n→∞lim∫Dfndμ⩾∫Dfdμ
至此,我们就证明了limn→∞∫Dfndμ=∫Dfdμ
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一个小结论
设f是任意非负可测函数(可以是广义实值的),E⊂D,D,E∈F,则
∫EfχDdμ=∫Dfdμ
证明:
取在E上定义的非负简单函数列{ϕn}n=1∞使得0⩽ϕ1⩽ϕ2⩽⋯⩽f,并且limn→∞ϕn=f,定义
φn={ϕn,x∈E0,x∈D∩Ec
则在D上面,0⩽φ1⩽φ2⩽⋯⩽f,并且limn→∞φn=fχE,由MCT,我们有
n→∞lim∫Dφndμ=∫DfχEdμ
又因为
∀n∈N,∫Dφndμφn和ϕn都是非负简单函数∫Eϕndμ
所以有
∫DfχEdμ=n→∞lim∫Dφndμ=n→∞lim∫Dϕndμ=∫Efdμ
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MCT的应用——一般非负可测函数的积分性质
现在有了MCT与上面我们证明的“一个小结论”后,我们就可以来证明一般的非负可测函数(可以是广义实值的)的Lebesgue积分的线性性以及区域可加性
(线性性) 取(Ω,F,μ)为测度空间,设非负可测函数列{fn}n=1∞在D∈F上都有定义,那么∀N∈N,我们有
∫Dn=1∑Nfndμ=n=1∑N∫Dfndμ
以及
∫Dn=1∑∞fndμ=n=1∑∞∫Dfndμ
证明:
为了证明第一个式子,由归纳法原理,我们只需证明
∫Df1+f2dμ=∫Df1dμ+∫Df2dμ
取0⩽ϕ11⩽ϕ12⩽⋯以及0⩽ϕ21⩽ϕ22⩽⋯使得limn→∞ϕ1n=f1,limn→∞ϕ2n=f2,由MCT,我们有
n→∞lim∫Dϕ1ndμ=∫Df1dμ,n→∞lim∫Dϕ2ndμ=∫Df2dμ
注意到0⩽ϕ11+ϕ21⩽ϕ12+ϕ22⩽⋯并且limn→∞ϕ1n+ϕ2n=f1+f2,所以有
∫Df1dμ+∫Df2dμ=n→∞lim∫Dϕ1ndμ+n→∞lim∫Dϕ2ndμ极限运算性质n→∞lim(∫Dϕ1ndμ+∫Dϕ2ndμ)ϕ1n和ϕ2n是简单函数n→∞lim∫Dϕ1+ϕ2dμMCTn→∞lim∫Df1+f2dμ
至此,再由归纳法原理,我们就已经证明了
∫Dn=1∑Nfndμ=n=1∑N∫Dfndμ
令FN=∑n=1Nfn,由于{fn}n=1∞是非负可测函数列,所以0⩽F1⩽F2⩽⋯,注意到∑n=1∞fn=limN→∞FN,我们就有
∫Dn=1∑∞fndμ=∫DN→∞limFNdμMCTN→∞lim∫DFNdμ=N→∞lim∫Dn=1∑NfndμLebsegue积分的有限线性性N→∞lim(n=1∑N∫Dfndμ)级数和的定义n=1∑∞∫Dfndμ
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(区域可加性) 设{Dn}n=1∞⊂F为一族两两不交的可测集,∀n∈N,f在Dn上都有定义,且f为任意的非负可测函数,那么∀N∈N,我们有
∫⋃n=1NDnfdμ=n=1∑N∫Dnfdμ
以及
∫⋃n=1∞Dnfdμ=n=1∑∞∫Dnfdμ
证明:
为了证明第一个式子,由归纳法原理,我们只需证明
∫D1∪D2fdμ=∫D1fdμ+∫D2fdμ
注意到在D1∪D2上,我们有f=fχD1+fχD2,因此有
∫D1∪D2fdμ=∫D1∪D2fχD1+fχD2dμLebesgue积分的线性性∫D1∪D2fχD1dμ+∫D1∪D2fχD2dμ“一个小结论”∫D1fdμ+∫D2fdμ
由归纳法原理,我们就证明了第一个式子
对第二个式子,注意到在⋃n=1∞Dn上,
f=n=1∑∞fχDn
所以有
∫⋃n=1∞Dnfdμ=∫⋃n=1∞Dn(n=1∑∞fχDn)dμLebesgue积分的线性性n=1∑∞∫⋃n=1∞DnfχDndμ“一个小结论”n=1∑∞∫Dnfdμ
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推论:取(Ω,F,μ)为测度空间,设f是一个非负可测函数(可以是广义实值的),并且f在全集Ω上都有定义(即f的定义域包含Ω),那么由ν:F→[0,+∞],ν(A)=∫Afdμ定义的集函数是一个(Ω,F)上的测度,即三元组(Ω,F,ν)构成一个测度空间
Fatou引理
取(Ω,F,μ)为测度空间,D∈F,设{fn}n=1∞是在D上有定义的非负可测函数列(可以是广义实值的),则有
∫Dn→∞liminffndμ⩽n→∞liminf∫Dfndμ
证明:
注意到
∫Dn→∞liminffndμ=∫Dk→∞limn⩾kinffkdμinfn⩾kfk关于k单调,MCTn→∞lim∫Dn⩾kinffkdμ
又因为Fkdefinfn⩾kfns.t.∀x∈D,Fk+1(x)⩾Fk(x),所以∫DFkdμ=∫Dinfn⩾kfndμ关于k是递增数列,因此limk→∞∫DFkdμ存在,所以有
k→∞lim∫DFkdμ=k→∞liminf∫DFkdμ
再注意到∀x∈D,∀k∈N,fk⩾Fk,所以有
∫DFkdμ⩽∫Dfkdμ
两边同时取下极限,就得到了
∫Dn→∞liminffndμ=∫Dk→∞limn⩾kinffkdμ=k→∞lim∫DFkdμ=k→∞liminf∫DFkdμ⩽k→∞liminf∫Dfkdμ
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DCT(控制收敛定理)
一般可测函数的积分
设f是测度空间(Ω,F,μ)上的一般可测函数,D∈F,f在D上有定义,定义f的正、负部分分别为
f+={f,f>00,f⩽0,f−={−f,f<00,f⩾0
则f+和f−都是非负可测函数,我们有
- 如果∫Df+dμ<+∞和∫Df−dμ<+∞两者同时成立,则称f在D上可积,并定义∫Dfdμdef∫Df+dμ−∫Df−dμ
- 如果∫Df+dμ<+∞和∫Df−dμ<+∞两者只成立其一,则称f在D上半可积(有些文献也称“f的积分存在”),并定义∫Dfdμdef∫Df+dμ−∫Df−dμ
- 如果∫Df+dμ<+∞和∫Df−dμ<+∞两者都不成立,则称f在D上不可积
广义Fatou引理
取(Ω,F,μ)为测度空间,D∈F,设g是D上可积函数,{fn}n=1∞是在D上有定义的函数列(可以是广义实值的)使得∀n∈N,fn⩾g,则有fn与liminfn→∞fn都是半可积的,并且
∫Dn→∞liminffndμ⩽n→∞liminf∫Dfndμ
如果∀n∈N,fn⩽g,则有fn与limsupn→∞fn都是半可积的,并且
∫Dn→∞limsupfndμ⩾n→∞limsup∫Dfndμ
证明:
对第一个式子,因为fn⩾g,所以liminfn→∞fn⩾g,所以liminfn→∞fn半可积
注意到fn−g是非负、关于n递增的可测函数列,因此对fn−g应用Fatou引理,我们有
∫Dn→∞liminffndμ−∫Dgdμg可积∫D(n→∞liminffn)−gdμ=∫D(n→∞liminffn−n→∞liminfg)dμ=∫Dn→∞liminf(fn−g)dμ⩽n→∞liminf∫Dfn−gdμ
又因为g可积,而且fn⩾g,所以∫Dfndμ∈[0,+∞],所以∀n∈N,∫Dfn−gdμ=∫Dfndμ−∫Dgdμ,在这个式子两边同时取下极限,我们有
n→∞liminf∫Dfn−gdμ=n→∞liminf(∫Dfndμ−∫Dgdμ)liminfn→∞∫Dgdμ=∫Dgdμn→∞liminf∫Dfdμ−∫Dgdμ
结合上式,我们就得到了
∫Dn→∞liminffndμ−∫Dgdμ⩽n→∞liminf∫Dfdμ−∫Dgdμ∫Dgdμ∈R∫Dn→∞liminffndμ⩽n→∞liminf∫Dfndμ
对于第二个式子,注意到−f⩽−g
一般可测函数积分的几个性质
(区域可加性)设{Dn}n=1∞⊂F为两两不交的可测集合列,设f在D=⋃n=1∞Dn上半可积,则我们有
∫⋃n=1mDnfdμ=n=1∑m∫Dnfdμ
以及
∫⋃n=1∞Dnfdμ=n=1∑∞∫Dnfdμ
证明:
对第一个式子,因为f在D上可积,所以∫Df−dμ和∫Df+dμ中至多有一个为+∞,不妨设∫Df+dμ∈[0,+∞],而∫Df−dμ∈[0,+∞),此时∫⋃n=1mDnf−dμ⩽∫Df−dμ,因此∫⋃n=1mDnf−dμ∈[0,+∞),所以我们有
∫⋃n=1mDnfdμ=∫⋃n=1mDnf+dμ−∫⋃n=1mDnf−dμ=n=1∑m∫Dnf+dμ−n=1∑m∫Dnf−dμ∑n=1m∫Dnf−dμ∈[0,+∞)n=1∑m∫Dnf+−f−dμ=n=1∑m∫Dnfdμ
同样地,对第二个式子,保持上面的假设不变,我们有∫Df−dμ∈[0,+∞),此时∫⋃n=1∞Dnf−dμ⩽∫Df−dμ,因此∫⋃n=1∞Dnf−dμ∈[0,+∞),所以我们有
∫⋃n=1∞Dnfdμ=∫⋃n=1∞Dnf+dμ−∫⋃n=1∞Dnf−dμ=n=1∑∞∫Dnf+dμ−n=1∑∞∫Dnf−dμ∑n=1∞∫Dnf−dμ∈[0,+∞)n=1∑∞∫Dnf+−f−dμ=n=1∑∞∫Dnfdμ
(在一定条件下的可加性)取测度空间(Ω,F,μ),设D∈F,f,g为在D上有定义的半可积函数,如果∫Df−gdμ∈[−∞,+∞](即没有出现∞−∞的情形)那么我们有
- f+g在D上几乎处处有定义
- f+g在D上半可积
- ∫D(f+g)dμ=∫Dfdμ+∫Dgdμ
证明:
因为∫Df−gdμ∈[−∞,+∞],所以我们不妨设∫Dfdμ,∫Dgdμ∈(−∞,+∞],因此我们有∫Df+dμ,∫Dg+dμ∈[0,+∞]与∫Df−dμ,∫Dg−dμ∈[0,+∞),因此f,g只能在D的一个零测子集上面取值为−∞,这就证明了f+g在D上几乎处处有定义
由于f和g都在D上可测,所以f+g也在D上可测,注意到
(f+g)+⩽f++g+
以及
(f+g)−⩽f−+g−
所以我们有∫D(f+g)+dμ⩽∫D(f++g+)dμ=∫Df+dμ+∫Dg+dμ以及∫D(f+g)−dμ⩽∫D(f−+g−)dμ=∫Df−dμ+∫Dg−dμ,于是我们就有∫D(f+g)+dμ∈[0,+∞]以及∫D(f+g)−dμ∈[0,+∞),所以f+g在D上半可积(即不会出现∞−∞的情形)
注意到
f+g=(f+g)+−(f+g)−=f+−f−+g+−g−
由于(f+g)−,f−,g−∈[0,+∞)a.e.x∈D,所以
(f+g)++f−+g−=(f+g)−+f++g+a.e.x∈D
(注意这里的a.e.是由f+g在D上几乎处处有定义中的几乎处处所引起的),对等式两边同时在D上积分(没有定义的地方补充定义函数值为0),我们有
∫D((f+g)++f−+g−)dμ(f+g)+,f−,g−都是非负值函数∫D(f+g)+dμ+∫Df−dμ+∫Dg−dμ=∫D((f+g)−+f++g+)dμ(f+g)−,f+,g+都是非负值函数∫D(f+g)−dμ+∫Df+dμ+∫Dg+dμ
又因为∫Df−dμ,∫Dg−dμ,∫D(f+g)−dμ∈[0,+∞),所以我们可以在上式中把它们作移项(即把它们减到等号对面的式子上面去),于是我们就得到了
∫D(f+g)+dμ−∫D(f+g)−dμ=∫Df+dμ−∫Df−dμ+∫Dg+dμ−∫Dg−dμ非负函数积分的定义∫D(f+g)dμ
□
DCT(控制收敛定理)