Real And Complex Analysis
Chapter 1 Abstract Integral
Basic Definitions
需要注意的是f − 1 ( A ) = B f^{-1}(A)=B f − 1 ( A ) = B 意思是f ( B ) = A f(B)=A f ( B ) = A ,{ x ∣ f ( x ) ∈ B } = A \{ x \vert f(x)\in B \} =A { x ∣ f ( x ) ∈ B } = A
X X X 上的一个拓扑就是X X X 的幂集族的子集(X X X 的子集族)τ \tau τ 满足
∅ ∈ τ , X ∈ τ \varnothing\in \tau,X\in \tau ∅ ∈ τ , X ∈ τ
X X X 中元素的任意有限交和无限并仍属于X X X
定义了τ \tau τ 的X X X 是拓扑空间,τ \tau τ 中元素为开集
f : X → Y f:X\to Y f : X → Y 是连续函数当且仅当任意开集的原像是开集.
度量,度量空间
度量是一个二元函数d ( x , y ) d(x,y) d ( x , y ) 满足
d ( x , y ) = d ( y , x ) d(x,y)=d(y,x) d ( x , y ) = d ( y , x )
d ( x , y ) + d ( y , z ) ≥ d ( x , z ) d(x,y)+d(y,z)\ge d(x,z) d ( x , y ) + d ( y , z ) ≥ d ( x , z )
d ( x , y ) = 0 ⟺ x = y d(x,y)=0 \iff x=y d ( x , y ) = 0 ⟺ x = y
d ( x , y ) ∈ [ 0 , + ∞ ) d(x,y)\in [0,+\infty) d ( x , y ) ∈ [ 0 , + ∞ )
B ( x , r ) = { y ∣ d ( x , y ) < r } B(x,r)=\{ y \vert d(x,y)<r\} B ( x , r ) = { y ∣ d ( x , y ) < r } 定义为开球.由开球做拓扑基生成的拓扑是度量空间.
在度量空间中,函数连续等价于对每一点x 0 x_0 x 0 ,任意f ( x 0 ) f(x_0) f ( x 0 ) 的邻域V V V 存在x 0 x_0 x 0 的邻域U U U 使得f ( U ) ⊆ V f(U)\subseteq V f ( U ) ⊆ V
左推右是容易的:f − 1 ( V ) f^{-1}(V) f − 1 ( V ) 一定是包含x 0 x_0 x 0 的开集.
右推左考虑对开像集V V V 内的每个点x x x 找到了一个开邻域N x ∈ V N_x\in V N x ∈ V ,再找到f ( U x ) ⊂ N x f(U_x)\subset N_x f ( U x ) ⊂ N x ,则把所有的U x U_x U x 并起来就是f − 1 ( V ) f^{-1}(V) f − 1 ( V ) 且是开集.
σ -algebra \sigma \text{-algebra} σ -algebra
X X X 的子集族m m m 满足
X ∈ m X\in m X ∈ m
S ∈ m ⟹ S C ∈ m S\in m \implies S^C \in m S ∈ m ⟹ S C ∈ m
m m m 中元素任意可数交(并)在m m m 中
定义了σ \sigma σ -algebra的集合X X X 为测度空间,m m m 中的元素为可测集.
开集的原像是可测集的函数是可测函数.
sigma-algebra 实际上包含了所有对集合进行交并补差等运算的结果.
基本性质
设 Y Y Y 和 Z Z Z 是拓扑空间,g : Y → Z g: Y \to Z g : Y → Z 连续。
(a) 若 X X X 是拓扑空间,f : X → Y f: X \to Y f : X → Y 连续,则 h = g ∘ f : X → Z h = g \circ f: X \to Z h = g ∘ f : X → Z 连续。
(b) 若 X X X 是可测空间,f : X → Y f: X \to Y f : X → Y 可测,则 h = g ∘ f : X → Z h = g \circ f: X \to Z h = g ∘ f : X → Z 可测。
设 u u u 和 v v v 是可测空间 X X X 上的实可测函数,Φ \Phi Φ 是平面到拓扑空间 Y Y Y 的连续映射,定义 h ( x ) = Φ ( u ( x ) , v ( x ) ) h(x) = \Phi(u(x), v(x)) h ( x ) = Φ ( u ( x ) , v ( x )) 。则 h : X → Y h: X \to Y h : X → Y 是可测的。
设 X X X 是可测空间。
(a) 若 f = u + i v f = u + iv f = u + i v ,其中 u , v u, v u , v 是实可测函数,则 f f f 是复可测函数。
(b) 若 f = u + i v f = u + iv f = u + i v 是复可测函数,则 u , v u, v u , v 和 ∣ f ∣ |f| ∣ f ∣ 都是实可测函数。
(c) 若 f , g f, g f , g 是复可测函数,则 f + g f+g f + g 和 f g fg f g 也是。
(d) 若 E E E 是可测集,则特征函数 χ E \chi_E χ E 是可测函数。
(e) 若 f f f 是复可测函数,则存在复可测函数 α \alpha α 使得 ∣ α ∣ = 1 |\alpha|=1 ∣ α ∣ = 1 且 f = α ∣ f ∣ f = \alpha |f| f = α ∣ f ∣ 。
若 F \mathscr{F} F 是 X X X 的任意子集族,则存在包含 F \mathscr{F} F 的最小 σ \sigma σ -代数 M ∗ \mathfrak{M}^* M ∗ 。这称为由 F \mathscr{F} F 生成的 σ \sigma σ -代数。
第一条由定义显然.
第二条考虑先建立f ( x ) = ( u ( x ) , v ( x ) ) f(x)=(u(x),v(x)) f ( x ) = ( u ( x ) , v ( x )) 是到平面的映射,则平面上长方形拓扑基[ a , b ] × [ c , d ] [a,b]\times [c,d] [ a , b ] × [ c , d ] 的原像是u − 1 ( [ a , b ] ) ∩ v − 1 ( [ c , d ] ) u^{-1}([a,b])\cap v^{-1}([c,d]) u − 1 ([ a , b ]) ∩ v − 1 ([ c , d ]) 是开集,于是h = Φ ( f ) h=\Phi(f) h = Φ ( f ) 可测
第三条应用第二条的结论:
(a)是Φ ( a , b ) = a + b i \Phi(a,b)=a+bi Φ ( a , b ) = a + bi
(b)是因为ℜ ( z ) , ℑ ( z ) , ∣ z ∣ \Re(z),\Im(z),\vert z\vert ℜ ( z ) , ℑ ( z ) , ∣ z ∣ 是连续函数(欧氏空间?)
(c)是Φ ( a , b ) = a + b , Φ ( a , b ) = a b \Phi(a,b)=a+b,\Phi(a,b)=ab Φ ( a , b ) = a + b , Φ ( a , b ) = ab
(d)直接用定义
(e)考虑f ∣ f ∣ = α \dfrac{f}{\vert f\vert}=\alpha ∣ f ∣ f = α ,然后用1.和2.
第四条考虑取所有包含F \mathscr{F} F 的sigma algebra的交集,只要说明这个交集是sigma-algebra.那你验证的时候发现那几条是显然的.
Borel Sets
Borel 集 (Borel Sets)
设 X X X 是拓扑空间。由 X X X 中所有开集生成的最小 σ \sigma σ -代数 B \mathscr{B} B 中的元素称为 X X X 的 Borel 集。
Borel映射指的是Borel集的sigma-algebra下可测的映射.
闭集是 Borel 集。
F σ F_\sigma F σ 集(闭集的可数并)和 G δ G_\delta G δ 集(开集的可数交)是 Borel 集。
任何连续映射都是 Borel 可测的(Borel mapping)。
设 M \mathfrak{M} M 是 X X X 上的 σ \sigma σ -代数,Y Y Y 是拓扑空间,f f f 映射 X X X 到 Y Y Y 。
(a) 若 Ω = { E ⊂ Y : f − 1 ( E ) ∈ M } \Omega = \{E \subset Y: f^{-1}(E) \in \mathfrak{M}\} Ω = { E ⊂ Y : f − 1 ( E ) ∈ M } ,则 Ω \Omega Ω 是 Y Y Y 上的 σ \sigma σ -代数。
(b) 若 f f f 可测且 E E E 是 Y Y Y 中的 Borel 集,则 f − 1 ( E ) ∈ M f^{-1}(E) \in \mathfrak{M} f − 1 ( E ) ∈ M 。
(c) 若 Y = [ − ∞ , ∞ ] Y = [-\infty, \infty] Y = [ − ∞ , ∞ ] 且对每个实数 α \alpha α 都有 f − 1 ( ( α , ∞ ] ) ∈ M f^{-1}((\alpha, \infty]) \in \mathfrak{M} f − 1 (( α , ∞ ]) ∈ M ,则 f f f 可测。
(d) 若 f f f 可测,Z Z Z 是拓扑空间,g : Y → Z g: Y \to Z g : Y → Z 是 Borel 映射,且 h = g ∘ f h = g \circ f h = g ∘ f ,则 h h h 可测。
(a)在说X X X 的sigma-algebra自然的引出了Y Y Y 上的.由映射原像和像的关系验证定义是显然的.
(b)是考虑首先E E E 是开集的时候定义显然,然后就得到F σ , G δ F_\sigma,G_\delta F σ , G δ ,然后F σ , δ F_{\sigma,\delta} F σ , δ 和G δ , σ G_{\delta,\sigma} G δ , σ 这样扩展下去最后扩展到所有borel集.
错,Borel集并不能被这样划分成可数层,一个反例是你这么划分之后每层取一个得到的集合
考虑由(a),构造这样一个Ω \Omega Ω ,则Ω \Omega Ω 包含E E E 中的所有开集(因为f f f 可测).但因为Borel集的sigma algebra是最小的包含所有开集的sigma-algebra,所以Ω \Omega Ω 包含所有Borel集,结束.
(c)是因为你可以由( a , ∞ ] (a,\infty] ( a , ∞ ] 通过可数交得到[ a , ∞ ] [a,\infty] [ a , ∞ ] 然后[ − ∞ , a ) [-\infty,a) [ − ∞ , a ) ,于是可以得到任何( a , b ) (a,b) ( a , b ) ,就说明所有开集都成立.
(d)显然
上极限与下极限
设 { a n } \{a_n\} { a n } 是扩展实数序列。
b k = sup { a k , a k + 1 , … } b_k = \sup \{a_k, a_{k+1}, \dots\} b k = sup { a k , a k + 1 , … } ,β = inf { b 1 , b 2 , … } \beta = \inf \{b_1, b_2, \dots\} β = inf { b 1 , b 2 , … } 。
β \beta β 称为 { a n } \{a_n\} { a n } 的上极限 (upper limit),记为 lim sup n → ∞ a n \limsup_{n \to \infty} a_n lim sup n → ∞ a n 。
类似地定义下极限 (lower limit):lim inf n → ∞ a n = − lim sup n → ∞ ( − a n ) \liminf_{n \to \infty} a_n = -\limsup_{n \to \infty} (-a_n) lim inf n → ∞ a n = − lim sup n → ∞ ( − a n ) 。
对于函数序列 { f n } \{f_n\} { f n } ,sup f n \sup f_n sup f n 和 lim sup f n \limsup f_n lim sup f n 定义为逐点进行。
若 lim n → ∞ f n ( x ) \lim_{n \to \infty} f_n(x) lim n → ∞ f n ( x ) 在每点存在,则称 f f f 为序列 { f n } \{f_n\} { f n } 的逐点极限。
若 f n : X → [ − ∞ , ∞ ] f_n: X \to [-\infty, \infty] f n : X → [ − ∞ , ∞ ] 可测 (n = 1 , 2 , … n=1, 2, \dots n = 1 , 2 , … ),且 g = sup n ≥ 1 f n g = \sup_{n \ge 1} f_n g = sup n ≥ 1 f n ,h = lim sup n → ∞ f n h = \limsup_{n \to \infty} f_n h = lim sup n → ∞ f n ,则 g g g 和 h h h 也是可测的。
由上一条,只要证明对所有的( a , + ∞ ] (a,+\infty] ( a , + ∞ ] 满足原像可测.
对g g g ,g ( x ) > a ⟺ ∃ k , f k ( x ) > a g(x)>a \iff \exists k,f_k(x)>a g ( x ) > a ⟺ ∃ k , f k ( x ) > a ,于是g − 1 ( ( a , + ∞ ] ) = ∪ i f k − 1 ( ( a , + ∞ ] ) g^{-1}((a,+\infty])=\cup_i f_k^{-1}((a,+\infty]) g − 1 (( a , + ∞ ]) = ∪ i f k − 1 (( a , + ∞ ]) 可测.
而h ( x ) = inf i sup j > i f j ( x ) h(x)=\inf_i \sup_{j>i} f_j(x) h ( x ) = inf i sup j > i f j ( x ) ,于是你用两次g g g 的结论即可.
Integral
简单函数
若复函数 s s s 的值域仅包含有限个点,则称 s s s 为简单函数 (simple function)。
形式为 s = ∑ i = 1 n α i χ A i s = \sum_{i=1}^n \alpha_i \chi_{A_i} s = ∑ i = 1 n α i χ A i 。
s s s 可测当且仅当每个 A i A_i A i 可测。
设 f : X → [ 0 , ∞ ] f: X \to [0, \infty] f : X → [ 0 , ∞ ] 可测。存在可测简单函数序列 s n s_n s n 使得:
(a) 0 ≤ s 1 ≤ s 2 ≤ ⋯ ≤ f 0 \le s_1 \le s_2 \le \dots \le f 0 ≤ s 1 ≤ s 2 ≤ ⋯ ≤ f 。
(b) 对每个 x ∈ X x \in X x ∈ X ,s n ( x ) → f ( x ) s_n(x) \to f(x) s n ( x ) → f ( x ) (n → ∞ n \to \infty n → ∞ )。
考虑把值域按照2 − i 2^{-i} 2 − i 分成若干段I i , k = [ k 2 − i , ( k + 1 ) 2 − i ) , k ≤ 2 2 i I_{i,k}=[k2^{-i},(k+1)2^{-i}),k\le 2^{2i} I i , k = [ k 2 − i , ( k + 1 ) 2 − i ) , k ≤ 2 2 i .然后让 f n ( x ) = i s . t . f ( x ) ∈ I n , i f_n(x)=i \ s.t.\ f(x)\in I_{n,i} f n ( x ) = i s . t . f ( x ) ∈ I n , i ,不存在就是0 0 0 .
测度
(a) 正测度 (positive measure) 是定义在 σ \sigma σ -代数 M \mathfrak{M} M 上的函数 μ \mu μ ,取值于 [ 0 , ∞ ] [0, \infty] [ 0 , ∞ ] ,且具有可数可加性 (countably additive):对于互不相交的可测集族 { A i } \{A_i\} { A i } ,有 μ ( ⋃ A i ) = ∑ μ ( A i ) \mu(\bigcup A_i) = \sum \mu(A_i) μ ( ⋃ A i ) = ∑ μ ( A i ) 。且假设至少有一个 A A A 使 μ ( A ) < ∞ \mu(A) < \infty μ ( A ) < ∞ 。
(b) 测度空间 (measure space) 是一个赋有正测度的可测空间。
(c) 复测度 (complex measure) 是定义在 σ \sigma σ -代数上的复值可数可加函数。
注意正测度不是复测度的子集,因为复测度值域通常不含+ ∞ +\infty + ∞
设 μ \mu μ 是 σ \sigma σ -代数 M \mathfrak{M} M 上的正测度。则:
(a) μ ( ∅ ) = 0 \mu(\varnothing) = 0 μ ( ∅ ) = 0 。
(b) μ ( A 1 ∪ ⋯ ∪ A n ) = μ ( A 1 ) + ⋯ + μ ( A n ) \mu(A_1 \cup \dots \cup A_n) = \mu(A_1) + \dots + \mu(A_n) μ ( A 1 ∪ ⋯ ∪ A n ) = μ ( A 1 ) + ⋯ + μ ( A n ) 若 A i A_i A i 互不相交(有限可加性)。
(c) A ⊂ B ⟹ μ ( A ) ≤ μ ( B ) A \subset B \implies \mu(A) \le \mu(B) A ⊂ B ⟹ μ ( A ) ≤ μ ( B ) (单调性)。
(d) 若 A n ∈ M , A n ⊂ A n + 1 A_n \in \mathfrak{M}, A_n \subset A_{n+1} A n ∈ M , A n ⊂ A n + 1 且 A = ⋃ A n A = \bigcup A_n A = ⋃ A n ,则 μ ( A n ) → μ ( A ) \mu(A_n) \to \mu(A) μ ( A n ) → μ ( A ) 。
(e) 若 A n ∈ M , A n ⊃ A n + 1 A_n \in \mathfrak{M}, A_n \supset A_{n+1} A n ∈ M , A n ⊃ A n + 1 且 μ ( A 1 ) \mu(A_1) μ ( A 1 ) 有限,则 μ ( A n ) → μ ( ⋂ A n ) \mu(A_n) \to \mu(\bigcap A_n) μ ( A n ) → μ ( ⋂ A n ) 。
显然,显然(取后面的全是空),显然
对(d),考虑A = ∑ ( A n + 1 − A n ) A=\sum (A_{n+1}-A_n) A = ∑ ( A n + 1 − A n ) ,于是μ ( A ) = ∑ μ ( A n + 1 − A n ) \mu(A)=\sum \mu(A_{n+1}-A_n) μ ( A ) = ∑ μ ( A n + 1 − A n ) ,级数收敛显然部分和趋向μ ( A ) \mu(A) μ ( A ) .
对(e),考虑把A i A_i A i 当全集然后对A k A_k A k 的补集们用(d),要求μ ( A 1 ) \mu(A_1) μ ( A 1 ) 是防止补集的测度出现∞ − ∞ \infty-\infty ∞ − ∞ 会爆炸(真的有反例,比如计数测度,A 1 = N A_1=N A 1 = N ,然后 A n = A n − 1 − { n − 1 } A_n=A_{n-1}-\{ n-1 \} A n = A n − 1 − { n − 1 } )
我们把R R R 扩充出+ ∞ , − ∞ +\infty,-\infty + ∞ , − ∞ .
无穷有一些未定义行为.但定义0 ⋅ ∞ = 0 0\cdot \infty=0 0 ⋅ ∞ = 0
正函数的勒贝格积分
若 s : X → [ 0 , ∞ ) s: X \to [0, \infty) s : X → [ 0 , ∞ ) 是可测简单函数,s = ∑ i = 1 n α i χ A i s = \sum_{i=1}^n \alpha_i \chi_{A_i} s = ∑ i = 1 n α i χ A i ,定义 ∫ E s d μ = ∑ i = 1 n α i μ ( A i ∩ E ) \int_E s d\mu = \sum_{i=1}^n \alpha_i \mu(A_i \cap E) ∫ E s d μ = ∑ i = 1 n α i μ ( A i ∩ E ) 。
若 f : X → [ 0 , ∞ ] f: X \to [0, \infty] f : X → [ 0 , ∞ ] 可测,定义 ∫ E f d μ = sup ∫ E s d μ \int_E f d\mu = \sup \int_E s d\mu ∫ E f d μ = sup ∫ E s d μ ,上确界取遍所有满足 0 ≤ s ≤ f 0 \le s \le f 0 ≤ s ≤ f 的可测简单函数 s s s 。
这称为 f f f 关于测度 μ \mu μ 在 E E E 上的Lebesgue 积分。
积分的基本性质:
(a) 若 0 ≤ f ≤ g 0 \le f \le g 0 ≤ f ≤ g ,则 ∫ E f d μ ≤ ∫ E g d μ \int_E f d\mu \le \int_E g d\mu ∫ E f d μ ≤ ∫ E g d μ 。
(b) 若 A ⊂ B A \subset B A ⊂ B 且 f ≥ 0 f \ge 0 f ≥ 0 ,则 ∫ A f d μ ≤ ∫ B f d μ \int_A f d\mu \le \int_B f d\mu ∫ A f d μ ≤ ∫ B f d μ 。
(c) 若 f ≥ 0 f \ge 0 f ≥ 0 且 c c c 为常数 (0 ≤ c < ∞ 0 \le c < \infty 0 ≤ c < ∞ ),则 ∫ E c f d μ = c ∫ E f d μ \int_E cf d\mu = c \int_E f d\mu ∫ E c f d μ = c ∫ E f d μ 。
(d) 若对所有 x ∈ E x \in E x ∈ E 有 f ( x ) = 0 f(x)=0 f ( x ) = 0 ,则 ∫ E f d μ = 0 \int_E f d\mu = 0 ∫ E f d μ = 0 。
(e) 若 μ ( E ) = 0 \mu(E)=0 μ ( E ) = 0 ,则 ∫ E f d μ = 0 \int_E f d\mu = 0 ∫ E f d μ = 0 。
(f) 若 f ≥ 0 f \ge 0 f ≥ 0 ,则 ∫ E f d μ = ∫ X χ E f d μ \int_E f d\mu = \int_X \chi_E f d\mu ∫ E f d μ = ∫ X χ E f d μ 。
对(a),s ≤ f ⟹ s ≤ g s\le f \implies s\le g s ≤ f ⟹ s ≤ g ,显然.
对(b),对每个s ≤ f s\le f s ≤ f ,都有∫ A s d μ ≤ ∫ b s d μ \int_A sd\mu\le \int_b sd\mu ∫ A s d μ ≤ ∫ b s d μ ,显然.
对(c),同样是对每个简单函数成立,然后再分析上确界性质成立.(e),(f)是一样
(d)是因为0 ≤ s ≤ f ⟹ s = 0 0\le s\le f \implies s=0 0 ≤ s ≤ f ⟹ s = 0 .
设 s , t s, t s , t 为非负可测简单函数。定义 ϕ ( E ) = ∫ E s d μ \phi(E) = \int_E s d\mu ϕ ( E ) = ∫ E s d μ 。
则 ϕ \phi ϕ 是 M \mathfrak{M} M 上的测度。且 ∫ X ( s + t ) d μ = ∫ X s d μ + ∫ X t d μ \int_X (s+t) d\mu = \int_X s d\mu + \int_X t d\mu ∫ X ( s + t ) d μ = ∫ X s d μ + ∫ X t d μ 。
先证是测度,就要证可数可加性,则
∑ i ϕ ( E i ) = ∑ i ∫ E i s d μ = ∑ i ∑ j α j μ ( E i ∩ A j ) = ∑ j α j ∑ i μ ( E i ∩ A j ) = ∑ j α j μ ( E ∩ A j ) = ϕ ( E ) \begin{gathered}
\sum_i \phi(E_i) \\
=\sum_i \int_{E_i}sd\mu \\
=\sum_i\sum_j \alpha_j \mu(E_i\cap A_j) \\
=\sum_j \alpha_j \sum_i\mu(E_i\cap A_j) \\
=\sum_j \alpha_j \mu(E \cap A_j) \\
=\phi(E)
\end{gathered} i ∑ ϕ ( E i ) = i ∑ ∫ E i s d μ = i ∑ j ∑ α j μ ( E i ∩ A j ) = j ∑ α j i ∑ μ ( E i ∩ A j ) = j ∑ α j μ ( E ∩ A j ) = ϕ ( E )
然后对s + t s+t s + t ,考虑就是
∫ X ( s + t ) d μ = ∑ i ∑ j ( α i + β j ) μ ( A i ∩ B j ) = ∑ i α i ∑ j μ ( A i ∩ B j ) + ∑ j β j ∑ i μ ( A i ∩ B j ) = ∫ X s d μ + ∫ X t d μ \begin{gathered}
\int_X (s+t)d\mu \\
=\sum_i \sum_j (\alpha_i+\beta_j)\mu(A_i\cap B_j) \\
=\sum_i \alpha_i \sum_j \mu(A_i\cap B_j) \\
+\sum_j \beta_j \sum_i \mu(A_i\cap B_j) \\
=\int_X sd\mu+\int_X td\mu
\end{gathered} ∫ X ( s + t ) d μ = i ∑ j ∑ ( α i + β j ) μ ( A i ∩ B j ) = i ∑ α i j ∑ μ ( A i ∩ B j ) + j ∑ β j i ∑ μ ( A i ∩ B j ) = ∫ X s d μ + ∫ X t d μ
Lebesgue 单调收敛定理 (Lebesgue's Monotone Convergence Theorem)
设 { f n } \{f_n\} { f n } 是 X X X 上的可测函数序列,满足:
(a) 0 ≤ f 1 ( x ) ≤ f 2 ( x ) ≤ ⋯ ≤ ∞ 0 \le f_1(x) \le f_2(x) \le \dots \le \infty 0 ≤ f 1 ( x ) ≤ f 2 ( x ) ≤ ⋯ ≤ ∞ 对每点 x x x 成立,
(b) f n ( x ) → f ( x ) f_n(x) \to f(x) f n ( x ) → f ( x ) (n → ∞ n \to \infty n → ∞ ) 对每点 x x x 成立。
则 f f f 可测,且 ∫ X f n d μ → ∫ X f d μ \int_X f_n d\mu \to \int_X f d\mu ∫ X f n d μ → ∫ X f d μ (n → ∞ n \to \infty n → ∞ )。
由前面结论,那么f = lim sup n f n f=\limsup_n f_n f = lim sup n f n 可测.
设 α = lim n → ∞ ∫ X f n d μ \alpha=\lim_{n \to \infty} \int_X f_nd\mu α = lim n → ∞ ∫ X f n d μ ,显然α ≤ f X f d μ \alpha\le f_Xfd\mu α ≤ f X f d μ .只要证另一边.
取s < f s<f s < f ,E n = { x ∣ f n ( x ) ≥ c s ( x ) } , c ∈ ( 0 , 1 ) E_n=\{ x\vert f_n(x)\ge cs(x) \},c\in (0,1) E n = { x ∣ f n ( x ) ≥ cs ( x )} , c ∈ ( 0 , 1 ) ,则
∫ X f n d μ ≥ ∫ E n f n d μ ≥ c ∫ E n s d μ \begin{gathered}
\int_X f_nd\mu\ge \int_{E_n} f_nd\mu\ge c\int_{E_n} sd\mu
\end{gathered} ∫ X f n d μ ≥ ∫ E n f n d μ ≥ c ∫ E n s d μ
那么对n n n 取极限,E n E_n E n 会变成X X X
α ≥ c ∫ X s d μ \begin{gathered}
\alpha \ge c\int_{X} sd\mu
\end{gathered} α ≥ c ∫ X s d μ
再对c c c 取极限就是
α ≥ ∫ X s d μ \begin{gathered}
\alpha \ge \int_X sd\mu
\end{gathered} α ≥ ∫ X s d μ
再对s s s 取上确界就能得到右边是∫ X f d μ \int_X fd\mu ∫ X f d μ .
[think] 这个证明是怎么回事呢?因为积分是简单函数积分的上确界所以你只要说明对简单函数.但f n f_n f n 可能始终不大于某个简单函数(否则你直接取那个f n f_n f n ,它的积分比简单函数大),所以你只能先证明c s cs cs 最后再取极限干回来.AI说这是常见套路.
[think] 这个定理在E n E_n E n 缩小积分值时用到了非负性.
若 f n : X → [ 0 , ∞ ] f_n: X \to [0, \infty] f n : X → [ 0 , ∞ ] 可测,且 f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ f n ( x ) f(x) = \sum_{n=1}^\infty f_n(x) f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ f n ( x ) ,则 ∫ X f d μ = ∑ n = 1 ∞ ∫ X f n d μ \int_X f d\mu = \sum_{n=1}^\infty \int_X f_n d\mu ∫ X f d μ = ∑ n = 1 ∞ ∫ X f n d μ 。
对部分和数列F n F_n F n 用上面的单调定理.因为有限求和和积分总是可交换的.
Fatou 引理 (Fatou's Lemma)
若 f n : X → [ 0 , ∞ ] f_n: X \to [0, \infty] f n : X → [ 0 , ∞ ] 可测,则 ∫ X ( lim inf n → ∞ f n ) d μ ≤ lim inf n → ∞ ∫ X f n d μ \int_X (\liminf_{n \to \infty} f_n) d\mu \le \liminf_{n \to \infty} \int_X f_n d\mu ∫ X ( lim inf n → ∞ f n ) d μ ≤ lim inf n → ∞ ∫ X f n d μ 。
g k ( x ) = inf n ≥ k f n ( x ) \begin{gathered}
g_k(x)=\inf_{n\ge k} f_n(x)
\end{gathered} g k ( x ) = n ≥ k inf f n ( x )
则g k g_k g k 是单调递增的,于是对它用单调收敛定理就有
lim k → + ∞ ∫ X g k ( x ) d μ = ∫ X lim k → + ∞ g k ( x ) d μ = ∫ X lim inf f n ( x ) d μ \begin{gathered}
\lim_{k \to +\infty} \int_X g_k(x)d\mu=\int_X \lim_{k\to +\infty} g_k(x)d\mu=\int_X \liminf f_n(x)d\mu
\end{gathered} k → + ∞ lim ∫ X g k ( x ) d μ = ∫ X k → + ∞ lim g k ( x ) d μ = ∫ X lim inf f n ( x ) d μ
又因为
∀ n ≥ k g k ≤ f n ⟹ ∫ X g k ( x ) d μ ≤ ∫ X f n ( x ) d μ ⟹ ∫ X g k ( x ) d μ ≤ inf n ≥ k f n ( x ) d μ \begin{gathered}
\forall n\ge k \\
g_k\le f_n \\
\implies \int_X g_k(x)d\mu\le \int_X f_n(x)d\mu \\
\implies \int_X g_k(x)d\mu\le \inf_{n\ge k} f_n(x)d\mu
\end{gathered} ∀ n ≥ k g k ≤ f n ⟹ ∫ X g k ( x ) d μ ≤ ∫ X f n ( x ) d μ ⟹ ∫ X g k ( x ) d μ ≤ n ≥ k inf f n ( x ) d μ
带入上式左边即证.
[think] 其中使用单调收敛那一步依赖非负.
设 f : X → [ 0 , ∞ ] f: X \to [0, \infty] f : X → [ 0 , ∞ ] 可测,定义 ϕ ( E ) = ∫ E f d μ \phi(E) = \int_E f d\mu ϕ ( E ) = ∫ E f d μ 。则 ϕ \phi ϕ 是 M \mathfrak{M} M 上的测度,且对于任意值域在 [ 0 , ∞ ] [0, \infty] [ 0 , ∞ ] 的可测函数 g g g ,有 ∫ X g d ϕ = ∫ X g f d μ \int_X g d\phi = \int_X gf d\mu ∫ X g d ϕ = ∫ X g f d μ 。
(注:有时记作 d ϕ = f d μ d\phi = f d\mu d ϕ = f d μ ) 。
先证ϕ \phi ϕ 是测度.只要证
∑ ϕ ( E n ) = ∑ n sup s < f ∫ E n s d μ ≥ sup ∑ n ∫ E n s d μ = ϕ ( E ) \begin{gathered}
\sum\phi(E_n) \\
=\sum_n \sup_{s<f} \int_{E_n} sd\mu \\
\ge \sup \sum_n \int_{E_n} sd\mu \\
=\phi(E)
\end{gathered} ∑ ϕ ( E n ) = n ∑ s < f sup ∫ E n s d μ ≥ sup n ∑ ∫ E n s d μ = ϕ ( E )
那么要证反过来的,
∑ ϕ ( E n ) = ∑ n sup s < f ∫ E n s d μ ≥ ∑ n ∫ E n s d μ , ( s > c f , c < 1 ) ≥ c ϕ ( E ) \begin{gathered}
\sum \phi(E_n) \\
=\sum_n \sup_{s<f} \int_{E_n} sd\mu \\
\ge \sum_n \int_{E_n} sd\mu,(s>cf,c<1) \\
\ge c\phi(E)
\end{gathered} ∑ ϕ ( E n ) = n ∑ s < f sup ∫ E n s d μ ≥ n ∑ ∫ E n s d μ , ( s > c f , c < 1 ) ≥ c ϕ ( E )
然后取极限让c = 1 c=1 c = 1 ,于是ϕ \phi ϕ 是测度.
则
∫ X g d ϕ = sup s < g ∑ i α i ∫ A i f d μ = sup s < g ∑ i ∫ A i s f d μ = sup s < g ∫ X s f d μ \begin{gathered}
\int_X gd\phi \\
=\sup_{s<g} \sum_i \alpha_i \int_{A_i} fd\mu \\
=\sup_{s<g} \sum_i \int_{A_i} sfd\mu \\
=\sup_{s<g} \int_X sfd\mu
\end{gathered} ∫ X g d ϕ = s < g sup i ∑ α i ∫ A i f d μ = s < g sup i ∑ ∫ A i s f d μ = s < g sup ∫ X s f d μ
然后显然这个不大于∫ X g f d μ \int_X gfd\mu ∫ X g f d μ .
又因为一定存在s > c g ( c < 1 ) s>cg(c<1) s > c g ( c < 1 ) ,就能取c c c 极限的证明不小于,于是得证.
Complex Integral
L 1 ( μ ) L^1(\mu) L 1 ( μ )
L 1 ( μ ) L^1(\mu) L 1 ( μ ) 是所有满足 ∫ X ∣ f ∣ d μ < ∞ \int_X |f| d\mu < \infty ∫ X ∣ f ∣ d μ < ∞ 的复可测函数 f f f 的集合。成员称为 Lebesgue 可积函数 或 可和函数。
复函数的积分
若 f = u + i v ∈ L 1 ( μ ) f = u + iv \in L^1(\mu) f = u + i v ∈ L 1 ( μ ) ,定义 ∫ E f d μ = ∫ E u + d μ − ∫ E u − d μ + i ∫ E v + d μ − i ∫ E v − d μ \int_E f d\mu = \int_E u^+ d\mu - \int_E u^- d\mu + i \int_E v^+ d\mu - i \int_E v^- d\mu ∫ E f d μ = ∫ E u + d μ − ∫ E u − d μ + i ∫ E v + d μ − i ∫ E v − d μ 。
设 f , g ∈ L 1 ( μ ) f, g \in L^1(\mu) f , g ∈ L 1 ( μ ) ,α , β \alpha, \beta α , β 为复数。则 α f + β g ∈ L 1 ( μ ) \alpha f + \beta g \in L^1(\mu) α f + β g ∈ L 1 ( μ ) ,且 ∫ X ( α f + β g ) d μ = α ∫ X f d μ + β ∫ X g d μ \int_X (\alpha f + \beta g) d\mu = \alpha \int_X f d\mu + \beta \int_X g d\mu ∫ X ( α f + β g ) d μ = α ∫ X f d μ + β ∫ X g d μ 。
首先对于正函数:
基本性质里已经证了乘法,只要证加法.
那么∫ X a d μ + ∫ X b d μ = sup ∫ X s 1 d μ + sup ∫ X s 2 d μ ≥ sup ∫ X ( s 1 + s 2 ) d μ = ∫ X ( a + b ) d μ \int_X ad\mu+\int_X bd\mu=\sup \int_X s_1d\mu+\sup \int_X s_2d\mu\ge \sup \int_X (s_1+s_2)d\mu=\int_X (a+b)d\mu ∫ X a d μ + ∫ X b d μ = sup ∫ X s 1 d μ + sup ∫ X s 2 d μ ≥ sup ∫ X ( s 1 + s 2 ) d μ = ∫ X ( a + b ) d μ .
另一边还是取c c c 取极限的套路显然.
然后对复函数积分,先拆开然后用四遍正函数的显然是对的.
若 f ∈ L 1 ( μ ) f \in L^1(\mu) f ∈ L 1 ( μ ) ,则 ∣ ∫ X f d μ ∣ ≤ ∫ X ∣ f ∣ d μ |\int_X f d\mu| \le \int_X |f| d\mu ∣ ∫ X f d μ ∣ ≤ ∫ X ∣ f ∣ d μ 。
存在∣ α ∣ = 1 , α ∫ X f d μ ∈ R \vert \alpha\vert=1,\alpha \int_X fd\mu\in R ∣ α ∣ = 1 , α ∫ X f d μ ∈ R
则
∣ ∫ X f d μ ∣ = ∫ X α f d μ = ∫ X ℜ ( α f ) d μ ≤ ∫ X ∣ f ∣ d μ \begin{gathered}
\vert \int_X fd\mu \vert \\
=\int_X \alpha fd\mu \\
=\int_X \Re(\alpha f)d\mu \\
\le \int_X \vert f \vert d\mu
\end{gathered} ∣ ∫ X f d μ ∣ = ∫ X α f d μ = ∫ X ℜ ( α f ) d μ ≤ ∫ X ∣ f ∣ d μ
取实部是因为和是实数,虚部加起来一定是0 0 0 .
Lebesgue 控制收敛定理 (Lebesgue's Dominated Convergence Theorem)
设 { f n } \{f_n\} { f n } 是复可测函数序列,使得 f ( x ) = lim n → ∞ f n ( x ) f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x) f ( x ) = lim n → ∞ f n ( x ) 对每点 x x x 存在。
若存在 g ∈ L 1 ( μ ) g \in L^1(\mu) g ∈ L 1 ( μ ) 使得对所有 n n n 和 x x x 都有 ∣ f n ( x ) ∣ ≤ g ( x ) |f_n(x)| \le g(x) ∣ f n ( x ) ∣ ≤ g ( x ) ,
则 f ∈ L 1 ( μ ) f \in L^1(\mu) f ∈ L 1 ( μ ) ,
lim n → ∞ ∫ X ∣ f n − f ∣ d μ = 0 \lim_{n \to \infty} \int_X |f_n - f| d\mu = 0 lim n → ∞ ∫ X ∣ f n − f ∣ d μ = 0 ,
且 lim n → ∞ ∫ X f n d μ = ∫ X f d μ \lim_{n \to \infty} \int_X f_n d\mu = \int_X f d\mu lim n → ∞ ∫ X f n d μ = ∫ X f d μ 。
首先我们可以看出有了模长积分为0 0 0 那个就能推出后面那个极限和积分可交换.
然后你要注意到固定x x x 后∣ f ( x ) ∣ = lim n → ∞ ∣ f n ( x ) ∣ ≤ g ( x ) \vert f(x)\vert=\lim_{n\to \infty} \vert f_n(x)\vert \le g(x) ∣ f ( x ) ∣ = lim n → ∞ ∣ f n ( x ) ∣ ≤ g ( x ) ,于是∣ f n − f ∣ ≤ 2 g \vert f_n-f\vert \le 2g ∣ f n − f ∣ ≤ 2 g .
∫ X 2 g d μ ≤ Fatou’s lemma lim inf n ∫ X ( 2 g − ∣ f n − f ∣ ) d μ = ∫ X 2 g d μ + lim inf − ∫ X ∣ f n − f ∣ d μ ⟹ lim sup ∫ X ∣ f n − f ∣ d μ ≤ 0 \begin{gathered}
\int_X 2gd\mu \stackrel{\text{Fatou's lemma}}{\le} \liminf_n \int_X (2g-\vert f_n-f \vert )d\mu\\
=\int_X 2gd\mu+\liminf -\int_X \vert f_n-f \vert d\mu \\
\implies \limsup \int_X \vert f_n-f \vert d\mu \le 0
\end{gathered} ∫ X 2 g d μ ≤ Fatou’s lemma n lim inf ∫ X ( 2 g − ∣ f n − f ∣ ) d μ = ∫ X 2 g d μ + lim inf − ∫ X ∣ f n − f ∣ d μ ⟹ lim sup ∫ X ∣ f n − f ∣ d μ ≤ 0
[think] 就是你其实想直接用Fatou的结论反一下说明lim sup ∫ X ∣ f n − f ∣ ≤ ∫ X lim sup ∣ f n − f ∣ \limsup \int_X \vert f_n-f\vert\le \int_X \limsup \vert f_n-f\vert lim sup ∫ X ∣ f n − f ∣ ≤ ∫ X lim sup ∣ f n − f ∣ 的,但fatou不是对称的因为它是对非负函数(所以有个底限制了函数值),所以要对称过来需要g g g .
Almost Everywhere
几乎处处
若性质 P P P 在 E E E 中除去一个测度为 0 的集合 N N N 外处处成立,则称 P P P 在 E E E 上几乎处处 (almost everywhere, a.e.) 成立。
若 μ ( { x : f ( x ) ≠ g ( x ) } ) = 0 \mu(\{x: f(x) \neq g(x)\}) = 0 μ ({ x : f ( x ) = g ( x )}) = 0 ,写作 f ∼ g f \sim g f ∼ g 。若 f ∼ g f \sim g f ∼ g ,则对任意 E E E ,∫ E f d μ = ∫ E g d μ \int_E f d\mu = \int_E g d\mu ∫ E f d μ = ∫ E g d μ 。
完备化
设 ( X , M , μ ) (X, \mathfrak{M}, \mu) ( X , M , μ ) 是测度空间。令 M ∗ \mathfrak{M}^* M ∗ 为所有满足存在 A , B ∈ M A, B \in \mathfrak{M} A , B ∈ M 使得 A ⊂ E ⊂ B A \subset E \subset B A ⊂ E ⊂ B 且 μ ( B − A ) = 0 \mu(B-A)=0 μ ( B − A ) = 0 的集合 E E E 的族。定义 μ ( E ) = μ ( A ) \mu(E) = \mu(A) μ ( E ) = μ ( A ) 。
则 M ∗ \mathfrak{M}^* M ∗ 是 σ \sigma σ -代数,μ \mu μ 是 M ∗ \mathfrak{M}^* M ∗ 上的测度。
这个扩展测度称为完备的 (complete),M ∗ \mathfrak{M}^* M ∗ 称为 M \mathfrak{M} M 的 μ \mu μ -完备化。
要证明新的测度和sigma algebra.
显然μ ( B − A ) + μ ( A ) = μ ( B ) \mu(B-A)+\mu(A)=\mu(B) μ ( B − A ) + μ ( A ) = μ ( B ) 所以μ ( A ) = μ ( B ) \mu(A)=\mu(B) μ ( A ) = μ ( B ) .
那么对先添加的集合,发现E C E^C E C 一定也同时存在.若A i ⊂ E i ⊂ B i A_i\subset E_i\subset B_i A i ⊂ E i ⊂ B i ,则⋂ A i ⊂ ⋂ E i ⊂ ⋂ B i \bigcap A_i\subset \bigcap E_i\subset \bigcap B_i ⋂ A i ⊂ ⋂ E i ⊂ ⋂ B i ,所以也都存在,是sigma-algebra.
而测度方面,新的集合都可以加上一个μ ( B − E ) = 0 \mu(B-E)=0 μ ( B − E ) = 0 变成μ ( B ) \mu(B) μ ( B ) 所以是对的.
关于扩展可测函数的定义:如果 f f f 定义在 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M 上且 μ ( E c ) = 0 \mu(E^c)=0 μ ( E c ) = 0 ,且对任意开集 V V V ,f − 1 ( V ) ∩ E f^{-1}(V) \cap E f − 1 ( V ) ∩ E 可测,则可以称 f f f 在 X X X 上可测(通过在 E c E^c E c 上令 f = 0 f=0 f = 0 )。
设 { f n } \{f_n\} { f n } 是几乎处处定义的复可测函数序列,且 ∑ n = 1 ∞ ∫ X ∣ f n ∣ d μ < ∞ \sum_{n=1}^\infty \int_X |f_n| d\mu < \infty ∑ n = 1 ∞ ∫ X ∣ f n ∣ d μ < ∞ 。
则级数 f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ f n ( x ) f(x) = \sum_{n=1}^\infty f_n(x) f ( x ) = ∑ n = 1 ∞ f n ( x ) 对几乎所有 x x x 收敛,f ∈ L 1 ( μ ) f \in L^1(\mu) f ∈ L 1 ( μ ) ,且 ∫ X f d μ = ∑ n = 1 ∞ ∫ X f n d μ \int_X f d\mu = \sum_{n=1}^\infty \int_X f_n d\mu ∫ X f d μ = ∑ n = 1 ∞ ∫ X f n d μ 。
先设S i S_i S i 是f i f_i f i 的定义域,S = ⋂ S i S=\bigcap S_i S = ⋂ S i ,μ ( S C ) = 0 \mu(S^C)=0 μ ( S C ) = 0
设g ( x ) = ∑ i = 1 ∞ ∣ f i ( x ) ∣ g(x)=\sum_{i=1}^\infty \vert f_i(x)\vert g ( x ) = ∑ i = 1 ∞ ∣ f i ( x ) ∣ ,则单调收敛定理说
∫ X g ( x ) = lim n → ∞ ∫ X ∑ i = 1 n ∣ f n ( x ) ∣ = lim n → ∞ ∑ i = 1 n ∫ X ∣ f n ( x ) ∣ < ∞ \begin{gathered}
\int_X g(x)=\lim_{n \to \infty} \int_X \sum_{i=1}^n \vert f_n(x) \vert \\
=\lim_{n\to \infty} \sum_{i=1}^n \int_X \vert f_n(x) \vert \\
<\infty
\end{gathered} ∫ X g ( x ) = n → ∞ lim ∫ X i = 1 ∑ n ∣ f n ( x ) ∣ = n → ∞ lim i = 1 ∑ n ∫ X ∣ f n ( x ) ∣ < ∞
g ( x ) g(x) g ( x ) 几乎处处收敛可以推出f ( x ) f(x) f ( x ) 几乎处处收敛.g g g 可积也可以推出f f f 可积.
然后考虑用g g g 控制收敛,
f ≤ ∣ f ∣ ≤ g \begin{gathered}
f\le \vert f \vert \le g
\end{gathered} f ≤ ∣ f ∣ ≤ g
于是可交换.
(a) 设 f : X → [ 0 , ∞ ] f: X \to [0, \infty] f : X → [ 0 , ∞ ] 可测,E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M ,且 ∫ E f d μ = 0 \int_E f d\mu = 0 ∫ E f d μ = 0 。则在 E E E 上几乎处处 f = 0 f=0 f = 0 。
(b) 设 f ∈ L 1 ( μ ) f \in L^1(\mu) f ∈ L 1 ( μ ) 且对所有 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M 有 ∫ E f d μ = 0 \int_E f d\mu = 0 ∫ E f d μ = 0 。则在 X X X 上几乎处处 f = 0 f=0 f = 0 。
(c) 设 f ∈ L 1 ( μ ) f \in L^1(\mu) f ∈ L 1 ( μ ) 且 ∣ ∫ X f d μ ∣ = ∫ X ∣ f ∣ d μ |\int_X f d\mu| = \int_X |f| d\mu ∣ ∫ X f d μ ∣ = ∫ X ∣ f ∣ d μ 。则存在常数 α \alpha α 使得几乎处处 α f = ∣ f ∣ \alpha f = |f| α f = ∣ f ∣ 。
(a)
取s ≥ c f , c ∈ ( 0 , 1 ) s\ge cf,c\in (0,1) s ≥ c f , c ∈ ( 0 , 1 ) ,c ∫ E f d μ ≤ ∫ E s d μ = ∑ i α i μ ( A i ) c\int_E fd\mu\le \int_E sd\mu=\sum_i \alpha_i \mu(A_i) c ∫ E f d μ ≤ ∫ E s d μ = ∑ i α i μ ( A i ) .
则α i ≠ 0 ⟹ μ ( A i ) = 0 \alpha_i\ne 0 \implies \mu(A_i)=0 α i = 0 ⟹ μ ( A i ) = 0 ,于是s s s 几乎处处为0 0 0 .然后s s s 为0 0 0 的地方f f f 一定为0 0 0 .
(b)
把大于0 0 0 的原像和小于0 0 0 的分别用(a)
(c)
α ∫ X f d μ = ∣ ∫ X f d μ ∣ ⟹ ∫ X α f d μ = ∫ X ℜ ( α f ) d μ = ∫ X ∣ f ∣ d μ ⟹ ∫ X ( ∣ f ∣ − ℜ ( α f ) ) d μ = 0 \begin{gathered}
\alpha \int_X fd\mu=\vert \int_X fd\mu \vert \\
\implies \int_X \alpha fd\mu=\int_X \Re(\alpha f)d\mu=\int_X \vert f \vert d\mu \\
\implies \int_X (\vert f \vert -\Re(\alpha f))d\mu=0
\end{gathered} α ∫ X f d μ = ∣ ∫ X f d μ ∣ ⟹ ∫ X α f d μ = ∫ X ℜ ( α f ) d μ = ∫ X ∣ f ∣ d μ ⟹ ∫ X ( ∣ f ∣ − ℜ ( α f )) d μ = 0
对最后一行用(a).
设 μ ( X ) < ∞ , f ∈ L 1 ( μ ) \mu(X) < \infty, f \in L^1(\mu) μ ( X ) < ∞ , f ∈ L 1 ( μ ) , S S S 是复平面上的闭集。若对于每个满足 μ ( E ) > 0 \mu(E)>0 μ ( E ) > 0 的 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M ,平均值 A E ( f ) = 1 μ ( E ) ∫ E f d μ A_E(f) = \frac{1}{\mu(E)} \int_E f d\mu A E ( f ) = μ ( E ) 1 ∫ E f d μ 都在 S S S 中,则几乎对所有 x ∈ X x \in X x ∈ X ,有 f ( x ) ∈ S f(x) \in S f ( x ) ∈ S 。
S S S 是闭集所以S C S^C S C 是开集,所以对S C S^C S C 的每个点存在一个小圆盘D ( x , r ) ⊂ S C D(x,r)\subset S^C D ( x , r ) ⊂ S C ,S C S^C S C 可以表示为可数个小圆盘的并集,只要说明对每个小圆盘原像测度是0 0 0 .
而对一个小圆盘D ( x , r ) D(x,r) D ( x , r ) ,设f − 1 ( D ( x , r ) ) = E f^{-1}(D(x,r))=E f − 1 ( D ( x , r )) = E ,则
∣ A E ( f ) − x ∣ = ∣ 1 μ ( E ) ∫ E ( f − x ) d μ ∣ ≤ 1 μ ( E ) ∫ E ∣ f − x ∣ d μ ≤ r \begin{gathered}
\vert A_E(f)-x \vert \\
={\left \vert \dfrac{1}{\mu(E)} \int_E (f-x)d\mu \right \vert} \\
\le \dfrac{1}{\mu(E)} \int_E \vert f-x \vert d\mu \\
\le r
\end{gathered} ∣ A E ( f ) − x ∣ = μ ( E ) 1 ∫ E ( f − x ) d μ ≤ μ ( E ) 1 ∫ E ∣ f − x ∣ d μ ≤ r
但着代表了A E ( f ) A_E(f) A E ( f ) 在圆盘内部,与题目条件矛盾.
设 { E k } \{E_k\} { E k } 是可测集序列,使得 ∑ k = 1 ∞ μ ( E k ) < ∞ \sum_{k=1}^\infty \mu(E_k) < \infty ∑ k = 1 ∞ μ ( E k ) < ∞ 。则几乎所有 x ∈ X x \in X x ∈ X 只属于有限个 E k E_k E k 。
要利用我们的新工具.
∑ k = 1 ∞ μ ( E k ) = ∫ X ∑ k = 1 ∞ χ E k d μ = ∫ X g d μ < ∞ \begin{gathered}
\sum_{k=1}^\infty \mu(E_k)=\int_X \sum_{k=1}^\infty \chi_{E_k}d\mu=\int_X gd\mu<\infty
\end{gathered} k = 1 ∑ ∞ μ ( E k ) = ∫ X k = 1 ∑ ∞ χ E k d μ = ∫ X g d μ < ∞
从而μ ( g − 1 ( ∞ ) ) = 0 \mu(g^{-1}(\infty))=0 μ ( g − 1 ( ∞ )) = 0 ,而g − 1 ( ∞ ) g^{-1}(\infty) g − 1 ( ∞ ) 恰好就是属于无穷个E E E 的x x x 的集合.
Chapter 2 Borel Measure
然后他说,f ( x ) → ∫ X f ( x ) d μ f(x)\to \int_X f(x)d\mu f ( x ) → ∫ X f ( x ) d μ 是线性泛函,f ( x ) → ∫ X g ( x ) f ( x ) d μ f(x) \to \int_X g(x)f(x)d\mu f ( x ) → ∫ X g ( x ) f ( x ) d μ 当g g g 有界时是线性泛函.
拓扑学基础
设 X X X 是一个拓扑空间。
(a) 集合 E ⊂ X E \subset X E ⊂ X 称为闭集 ,如果其补集 E c E^c E c 是开集。
(b) 集合 E ⊂ X E \subset X E ⊂ X 的闭包 E ˉ \bar{E} E ˉ 是包含 E E E 的 X X X 中最小的闭集 。
(c) 集合 K ⊂ X K \subset X K ⊂ X 称为紧集 ,如果 K K K 的每一个开覆盖都包含一个有限子覆盖。特别地,如果 X X X 本身是紧的,则称 X X X 为紧空间。
(d) 点 p ∈ X p \in X p ∈ X 的邻域 是包含 p p p 的 X X X 的任意开子集。
(e) X X X 称为 Hausdorff 空间 ,如果满足:若 p ∈ X , q ∈ X p \in X, q \in X p ∈ X , q ∈ X 且 p ≠ q p \neq q p = q ,则存在 p p p 的邻域 U U U 和 q q q 的邻域 V V V 使得 U ∩ V = ∅ U \cap V = \varnothing U ∩ V = ∅ 。
(f) X X X 称为局部紧 的,如果 X X X 的每一点都有一个闭包为紧集的邻域。
设 K K K 是拓扑空间 X X X 中的紧集,F F F 是闭集。如果 F ⊂ K F \subset K F ⊂ K ,则 F F F 是紧集。
考虑任意包含F F F 的无限开覆盖,加入F C F^C F C 后一定覆盖K K K ,而它有有限子覆盖.此时如果F C F^C F C 在里面你把它去掉,得到的就是F F F 的有限覆盖.
Corollary
如果 A ⊂ B A \subset B A ⊂ B 且 B B B 具有紧闭包,则 A A A 也具有紧闭包。
设 X X X 是 Hausdorff 空间,K ⊂ X K \subset X K ⊂ X ,K K K 是紧集,且 p ∈ K c p \in K^c p ∈ K c 。
则存在开集 U U U 和 W W W 使得 p ∈ U p \in U p ∈ U ,K ⊂ W K \subset W K ⊂ W ,且 U ∩ W = ∅ U \cap W = \varnothing U ∩ W = ∅ 。
这个是想说你不仅可以分开两个点,也可以分开一个点和一个集合.
考虑对K K K 内的每个点k i k_i k i 取一个邻域S i S_i S i ,与p p p 的一个邻域T i T_i T i 不交(S i ∩ T i = ∅ S_i\cap T_i=\varnothing S i ∩ T i = ∅ ),则S n S_n S n 构成K K K 的开覆盖,于是取它的有限覆盖是覆盖K K K 的,则把它们并起来作为W W W ,把对应的T i T_i T i 的交作为U U U 即可.
Corollary
(a) Hausdorff 空间的紧子集是闭集。
(b) 如果 F F F 是 Hausdorff 空间中的闭集,K K K 是紧集,则 F ∩ K F \cap K F ∩ K 是紧集。
(a)考虑因为外面每个点都能找到一个邻域和这个子集无交,没有边界点是开集,所以子集是闭集.
(b)考虑一个无限覆盖,然后补上对称差,然后得到有限覆盖,然后去掉对称差.
如果 { K α } \{K_\alpha\} { K α } 是 Hausdorff 空间中紧子集的集合,且 ⋂ α K α = ∅ \bigcap_\alpha K_\alpha = \varnothing ⋂ α K α = ∅ ,则 { K α } \{K_\alpha\} { K α } 的某个有限子集也有空交集。
第一反应是考虑K α C K_\alpha^C K α C 构成对全集的覆盖,但没有说整个空间是紧的.
所以你任取一个紧集K 0 K_0 K 0 ,那么这些补集构成对它的覆盖,那么取有限覆盖,这有限个元素再交上K 0 K_0 K 0 本身一定是空.
设 U U U 是局部紧 Hausdorff 空间 X X X 中的开集,K ⊂ U K \subset U K ⊂ U ,且 K K K 是紧集。则存在一个闭包为紧集的开集 V V V ,使得
K ⊂ V ⊂ V ˉ ⊂ U . K \subset V \subset \bar{V} \subset U. K ⊂ V ⊂ V ˉ ⊂ U .
对K K K 内每个点k i k_i k i 先取一个闭包是紧的邻域S i S_i S i ,那么这个邻域内一定有一个在U U U 内的更小邻域且闭包是紧的(紧集内的闭集是紧的).这些邻域中有一个K K K 的有限覆盖为 { V n } \{ V_n \} { V n } .令G = ⋃ V i G=\bigcup V_i G = ⋃ V i
如果U U U 是全集问题就解决了,但问题是G ‾ ⊂ U \overline G\subset U G ⊂ U 不满足.
此时考虑U C U^C U C ,对U C U^C U C 中的任何一个点u i u_i u i 可以找一个邻域U i U_i U i 和包含K K K 的开集W i W_i W i 不交,U i ∩ W i = ∅ ⟹ u i ∉ W i ‾ U_i\cap W_i=\varnothing \implies u_i\notin \overline {W_i} U i ∩ W i = ∅ ⟹ u i ∈ / W i (这是因为u i u_i u i 如果在边界上那么它的邻域U i U_i U i 需要与W i W_i W i 相交).
此时考虑 { G ‾ ∩ W i ‾ ∩ U C } \{ \overline{G}\cap \overline{W_i}\cap U^C \} { G ∩ W i ∩ U C } 这组集合 ,紧集交闭集是紧的于是它们是紧的,且它们交集为空,于是其中有限个交集为空,也就意味着G ‾ ∩ ⋂ W i ‾ \overline{G}\cap \bigcap \overline{W_i} G ∩ ⋂ W i 与U C U^C U C 交为空,于是取V = G ∩ ⋂ W i V=G\cap \bigcap W_i V = G ∩ ⋂ W i 即可.
[think] 你先想到G G G 是容易的,然后你考虑U C U^C U C 得到W W W 也是可以想到的,然后你会想把W W W 交起来交G G G 当构造,但直接交就不是开集了.你考虑你其实就是希望( ( ⋂ W i ‾ ) ∩ G ‾ ) ∩ U C = ∅ ((\bigcap \overline {W_i})\cap \overline G)\cap U^C=\varnothing (( ⋂ W i ) ∩ G ) ∩ U C = ∅ ,所以取有限的就够用.
要会用这个 紧集族的有限交 性质
设 f f f 是拓扑空间上的实(或广义实)函数。
如果对于每个实数 α \alpha α ,集合 { x : f ( x ) > α } \{x: f(x) > \alpha\} { x : f ( x ) > α } 是开集,则称 f f f 是下半连续 的。
如果对于每个实数 α \alpha α ,集合 { x : f ( x ) < α } \{x: f(x) < \alpha\} { x : f ( x ) < α } 是开集,则称 f f f 是上半连续 的。
拓扑空间 X X X 上的复函数 f f f 的支集 (support) 是集合 { x : f ( x ) ≠ 0 } \{x: f(x) \neq 0\} { x : f ( x ) = 0 } 的闭包。
X X X 上所有支集为紧集 的连续 复函数的集合记为 C c ( X ) C_c(X) C c ( X ) 。
设 X X X 和 Y Y Y 是拓扑空间,且 f : X → Y f: X \to Y f : X → Y 是连续的。如果 K K K 是 X X X 的紧子集,则 f ( K ) f(K) f ( K ) 是紧集。
连续函数把紧集映成紧集
考虑一个f ( K ) f(K) f ( K ) 的开覆盖,其中每个开集的原像都是开集,且都要包含f ( K ) f(K) f ( K ) 的原像f − 1 ( f ( K ) ) ⊃ K f^{-1}(f(K))\supset K f − 1 ( f ( K )) ⊃ K ,于是它们的原像覆盖K K K ,那么取K K K 的有限覆盖再映射回来就有限覆盖f ( K ) f(K) f ( K ) .
Corollary
任意 f ∈ C c ( X ) f \in C_c(X) f ∈ C c ( X ) 的值域是复平面的紧子集。
[think] 注意这个实际上实际还告诉你C c C_c C c 中的函数都是有界的.
记号 K ≺ f K \prec f K ≺ f 表示 K K K 是 X X X 的紧子集,f ∈ C c ( X ) f \in C_c(X) f ∈ C c ( X ) ,对所有 x ∈ X x \in X x ∈ X 有 0 ≤ f ( x ) ≤ 1 0 \le f(x) \le 1 0 ≤ f ( x ) ≤ 1 ,且对所有 x ∈ K x \in K x ∈ K 有 f ( x ) = 1 f(x)=1 f ( x ) = 1 。
记号 f ≺ V f \prec V f ≺ V 表示 V V V 是开集,f ∈ C c ( X ) f \in C_c(X) f ∈ C c ( X ) ,0 ≤ f ≤ 1 0 \le f \le 1 0 ≤ f ≤ 1 ,且 f f f 的支集包含于 V V V 。
记号 K ≺ f ≺ V K \prec f \prec V K ≺ f ≺ V 表示同时满足上述两个条件。
Urysohn's Lemma
设 X X X 是局部紧 Hausdorff 空间,V V V 是 X X X 中的开集,K ⊂ V K \subset V K ⊂ V ,且 K K K 是紧集。则存在 f ∈ C c ( X ) f \in C_c(X) f ∈ C c ( X ) 使得
K ≺ f ≺ V . K \prec f \prec V. K ≺ f ≺ V .
所以你要怎么构造一个连续函数呢?这个定理说你把集合和有理数对应:
现在你有K ⊂ V K\subset V K ⊂ V ,我们知道可以找到K ⊂ V 1 ⊂ V 1 ‾ ⊂ V K\subset V_1\subset \overline{V_1}\subset V K ⊂ V 1 ⊂ V 1 ⊂ V .然后你又可以分成K ⊂ V 1 K\subset V_1 K ⊂ V 1 和V 1 ‾ ⊂ V \overline{V_1}\subset V V 1 ⊂ V 细分,可以得到一个无限延伸的二叉树.
那么我们可以把它对应有理数的二进制小数表示吧,我们给第i i i 层的集合对( K , V ) (K,V) ( K , V ) 赋值,如果它是左儿子赋值2 − i 2^{-i} 2 − i ,是右儿子赋值0 0 0 ,对一个点p p p 把所有满足p ∈ V − K p\in V-K p ∈ V − K 的( K , V ) (K,V) ( K , V ) 对的权值加起来作为函数值.(自然还要单独赋值K K K 和V C V^C V C 上的值)
因为每层至多有一个对的权值被加了,所以一定收敛.
那么显然对每个实数对应了一个开集原像,所以是连续函数.
紧集寄掉了,我们现在构造的东西支集是V ‾ \overline V V 不保证是紧的.
但是没有关系,把我们上面的构造改成从( K , V ′ ) (K,V') ( K , V ′ ) 作为根建二叉树即可,其中K ⊂ V ′ ⊂ V ′ ‾ ⊂ V K\subset V'\subset \overline{V'}\subset V K ⊂ V ′ ⊂ V ′ ⊂ V 即可.
设 V 1 , … , V n V_1, \dots, V_n V 1 , … , V n 是局部紧 Hausdorff 空间 X X X 的开子集,K K K 是紧集,且
K ⊂ V 1 ∪ ⋯ ∪ V n . K \subset V_1 \cup \dots \cup V_n. K ⊂ V 1 ∪ ⋯ ∪ V n .
则存在函数 h i ≺ V i h_i \prec V_i h i ≺ V i (i = 1 , … , n i=1, \dots, n i = 1 , … , n ) 使得
h 1 ( x ) + ⋯ + h n ( x ) = 1 ( x ∈ K ) . h_1(x) + \dots + h_n(x) = 1 \quad (x \in K). h 1 ( x ) + ⋯ + h n ( x ) = 1 ( x ∈ K ) .
集合 { h 1 , … , h n } \{h_1, \dots, h_n\} { h 1 , … , h n } 称为 K K K 上从属于覆盖 { V 1 , … , V n } \{V_1, \dots, V_n\} { V 1 , … , V n } 的单位分解。
对K K K 内每个点p p p 存在p ∈ N p ⊂ N p ‾ ⊂ V i p p\in N_p\subset \overline{N_p}\subset V_{i_p} p ∈ N p ⊂ N p ⊂ V i p ,然后它们之中有一个K K K 的有限覆盖,我们令H k = ⋃ i p = k N p ‾ H_k=\bigcup_{i_p=k} \overline{N_p} H k = ⋃ i p = k N p .
这样我们找到一些紧集被V V V 包含且覆盖K K K .
则可以找到H i ≺ g i ≺ V i H_i\prec g_i\prec V_i H i ≺ g i ≺ V i ,然后令
h i = g i ∏ j = 1 i − 1 ( 1 − g j ) \begin{gathered}
h_i=g_i\prod_{j=1}^{i-1} (1-g_j)
\end{gathered} h i = g i j = 1 ∏ i − 1 ( 1 − g j )
Reize Representation Theorem
The Riesz Representation Theorem
设 X X X 是局部紧 Hausdorff 空间,Λ \Lambda Λ 是 C c ( X ) C_c(X) C c ( X ) 上的正线性泛函。则在 X X X 中存在一个包含所有 Borel 集的 σ \sigma σ -代数 M \mathfrak{M} M ,并且在 M \mathfrak{M} M 上存在唯一的正测度 μ \mu μ ,它在下述意义下表示 Λ \Lambda Λ :
(a) 对每一个 f ∈ C c ( X ) f \in C_c(X) f ∈ C c ( X ) ,Λ f = ∫ X f d μ \Lambda f = \int_X f d\mu Λ f = ∫ X f d μ ,
(b) 对每一个紧集 K ⊂ X K \subset X K ⊂ X ,μ ( K ) < ∞ \mu(K) < \infty μ ( K ) < ∞ 。
(c) 对每一个 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M ,μ ( E ) = inf { μ ( V ) : E ⊂ V , V is open } \mu(E) = \inf\{\mu(V): E \subset V, V \text{ is open}\} μ ( E ) = inf { μ ( V ) : E ⊂ V , V is open } .(外正则)
(d) 对每一个开集 E E E 以及每一个满足 μ ( E ) < ∞ \mu(E) < \infty μ ( E ) < ∞ 的 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M ,关系 μ ( E ) = sup { μ ( K ) : K ⊂ E , K is compact } \mu(E) = \sup\{\mu(K): K \subset E, K \text{ is compact}\} μ ( E ) = sup { μ ( K ) : K ⊂ E , K is compact }
成立。(内正则)
(e) 如果 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M ,A ⊂ E A \subset E A ⊂ E ,且 μ ( E ) = 0 \mu(E)=0 μ ( E ) = 0 ,则 A ∈ M A \in \mathfrak{M} A ∈ M 。
首先,如果Λ \Lambda Λ 可以对不连续函数那就直接用μ ( S ) = Λ χ S \mu(S)=\Lambda \chi_S μ ( S ) = Λ χ S 就行了,所以你考虑逼近.同时因为M M M 必须包含所有开集,定义μ ( V ) = inf V ≺ f Λ f \mu(V)=\inf_{V\prec f} \Lambda f μ ( V ) = inf V ≺ f Λ f 或μ ( V ) = sup f ≺ V \mu(V)=\sup_{f\prec V} μ ( V ) = sup f ≺ V .
但这两种里只有第二种是可以的,注意f ≺ V f\prec V f ≺ V 是一定可行的而≺ f \prec f ≺ f 的定义其实是对紧集定义的,这个开集外面可能没有紧集.
此时可以定义其他所有集合(后面会筛选出合适的M M M ,剩余集合的值不要了)的值是μ ( E ) = inf V ⊂ E μ ( V ) \mu(E)=\inf_{V\subset E} \mu(V) μ ( E ) = inf V ⊂ E μ ( V ) .
然后为了构造Borel代数M M M ,我们取所有满足内外正则性的有限集合,即满足μ ( E ) = sup K ⊂ E μ ( K ) \mu(E)=\sup_{K\subset E} \mu(K) μ ( E ) = sup K ⊂ E μ ( K ) 且μ ( E ) < ∞ \mu(E)<\infty μ ( E ) < ∞ 的构成M f M_f M f ,所有满足,对任意M f M_f M f 中的集合A A A ,有A ∩ E ∈ M f A\cap E\in M_f A ∩ E ∈ M f 中的集合E E E 组成最终所求的代数M M M .
[think] 这个构造还是很难想到.不过M f M_f M f 到M M M 的一个理解方式是要求无限集合的每个局部有想要的性质.
现在要证明性质了:
μ ( E ) ≤ ∑ i μ ( E i ) , ⋃ E i = E , E i ∩ E j = ∅ \mu(E)\le \sum_i \mu(E_i),\bigcup E_i=E,E_i\cap E_j=\emptyset μ ( E ) ≤ ∑ i μ ( E i ) , ⋃ E i = E , E i ∩ E j = ∅
先证明μ ( V 1 ∪ V 2 ) ≤ μ ( V 1 ) + μ ( V 2 ) \mu(V_1\cup V_2)\le \mu(V_1)+\mu(V_2) μ ( V 1 ∪ V 2 ) ≤ μ ( V 1 ) + μ ( V 2 ) ,对任意g ≺ V 1 ∪ V 2 g\prec V_1\cup V_2 g ≺ V 1 ∪ V 2 ,存在f 1 ≺ V 1 , f 2 ≺ V 2 f_1\prec V_1,f_2\prec V_2 f 1 ≺ V 1 , f 2 ≺ V 2 ,且对 supp g \operatorname{supp} g supp g 有f 1 + f 2 = 1 f_1+f_2=1 f 1 + f 2 = 1 .那么g = g f 1 + g f 2 g=gf_1+gf_2 g = g f 1 + g f 2 ,于是Λ g = Λ ( g f 1 + g f 2 ) ≤ Λ f 1 + Λ f 2 = μ ( V 1 ) + μ ( V 2 ) \Lambda g=\Lambda (gf_1+gf_2)\le \Lambda f_1+\Lambda f_2=\mu(V_1)+\mu(V_2) Λ g = Λ ( g f 1 + g f 2 ) ≤ Λ f 1 + Λ f 2 = μ ( V 1 ) + μ ( V 2 ) 对任意g g g 成立,取上确界后成立.
考虑一组V i ⊃ E i , V ⊃ E , f ≺ V V_i\supset E_i,V\supset E,f\prec V V i ⊃ E i , V ⊃ E , f ≺ V ,那么f f f 的支集一定可以被有限集C C C 中的V i , i ∈ C V_i,i\in C V i , i ∈ C 覆盖,于是
Λ f ≤ μ ( ⋃ i ∈ C V i ) ≤ ∑ i ∈ C μ ( V i ) ≤ ∑ i = 1 ∞ μ ( E i ) + ϵ ⟹ μ ( E ) ≤ ∑ i = 1 ∞ μ ( E i ) + ϵ ⟹ μ ( E ) ≤ ∑ i = 1 ∞ μ ( E i ) \begin{gathered}
\Lambda f\le \mu(\bigcup_{i\in C} V_i)\le \sum_{i\in C}\mu(V_i)\le \sum_{i=1}^\infty\mu(E_i)+\epsilon \\
\implies \mu(E)\le \sum_{i=1}^\infty \mu(E_i)+\epsilon \\
\implies \mu(E)\le \sum_{i=1}^\infty \mu(E_i)
\end{gathered} Λ f ≤ μ ( i ∈ C ⋃ V i ) ≤ i ∈ C ∑ μ ( V i ) ≤ i = 1 ∑ ∞ μ ( E i ) + ϵ ⟹ μ ( E ) ≤ i = 1 ∑ ∞ μ ( E i ) + ϵ ⟹ μ ( E ) ≤ i = 1 ∑ ∞ μ ( E i )
紧集K ∈ M f K\in M_f K ∈ M f ,且μ ( K ) = sup K ≺ f Λ f \mu(K)=\sup_{K\prec f} \Lambda f μ ( K ) = sup K ≺ f Λ f
测度有界是因为Λ \Lambda Λ 的值域是不包含无穷的.所以对一个紧集只要找到开集V ⊃ K V\supset K V ⊃ K 且V ‾ \overline V V 是紧的,则由刚才的Urysohn,∃ f ≺ V \exists f\prec V ∃ f ≺ V ,又一定∃ V ‾ ≺ g \exists \overline{V}\prec g ∃ V ≺ g ,则显然
f ≤ g ⟹ Λ f ≤ Λ g ⟹ sup Λ f ≤ inf Λ g ⟹ μ ( K ) ≤ μ ( V ) ≤ inf Λ g < ∞ \begin{gathered}
f\le g \\
\implies \Lambda f\le \Lambda g \\
\implies \sup \Lambda f\le \inf \Lambda g \\
\implies \mu(K)\le \mu(V)\le \inf\Lambda g<\infty
\end{gathered} f ≤ g ⟹ Λ f ≤ Λ g ⟹ sup Λ f ≤ inf Λ g ⟹ μ ( K ) ≤ μ ( V ) ≤ inf Λ g < ∞
然后是考虑一个开集,V ⊃ K V\supset K V ⊃ K 满足μ ( V ) ≤ μ ( K ) + ϵ \mu(V)\le \mu(K)+\epsilon μ ( V ) ≤ μ ( K ) + ϵ (根据K K K 的测度的定义),那么我们一定可以找到K ≺ f ≺ V K\prec f\prec V K ≺ f ≺ V ,于是μ ( K ) ≤ Λ f ≤ μ ( V ) < μ ( K ) + ϵ \mu(K)\le \Lambda f\le \mu(V)<\mu(K)+\epsilon μ ( K ) ≤ Λ f ≤ μ ( V ) < μ ( K ) + ϵ ,对ϵ \epsilon ϵ 取极限得证.
测度有限的开集都在M f M_f M f 中(满足内正则)
考虑取一个f ≺ V , Λ f > μ ( V ) − ϵ f\prec V,\Lambda f>\mu(V)-\epsilon f ≺ V , Λ f > μ ( V ) − ϵ ,考虑f f f 的支集K K K ,那么μ ( K ) = inf W ⊃ K μ ( W ) \mu(K)=\inf_{W\supset K} \mu(W) μ ( K ) = inf W ⊃ K μ ( W ) ,而对任意这样的W W W 有f ≺ W f\prec W f ≺ W ,所以Λ f ≤ μ ( W ) \Lambda f\le \mu(W) Λ f ≤ μ ( W ) ,所以Λ f ≤ μ ( K ) \Lambda f\le \mu(K) Λ f ≤ μ ( K ) ,μ ( K ) > μ ( V ) − ϵ \mu(K)>\mu(V)-\epsilon μ ( K ) > μ ( V ) − ϵ .于是得证
这样我们证明了M f M_f M f 包含了有限开集和所有紧集.
M f M_f M f 中的元素满足测度的可数可加性:
E = ⋃ E i , E i ∩ E j = ∅ ⟹ μ ( E ) = ∑ i = 1 ∞ μ ( E i ) \begin{gathered}
E=\bigcup E_i,E_i\cap E_j=\emptyset \\
\implies
\mu(E)=\sum _{i = 1} ^{\infty} \mu(E_i)
\end{gathered} E = ⋃ E i , E i ∩ E j = ∅ ⟹ μ ( E ) = i = 1 ∑ ∞ μ ( E i )
以及若μ ( E ) < ∞ , E ∈ M f \mu(E)<\infty,E\in M_f μ ( E ) < ∞ , E ∈ M f (内正则性).
首先我们已经知道了μ ( E ) ≤ ∑ i μ ( E i ) \mu(E)\le \sum_i \mu(E_i) μ ( E ) ≤ ∑ i μ ( E i ) ,只需要证明另一边.
因为M f M_f M f 中的集合有内外正则性,我们可以找K i ⊂ E i , μ ( K i ) > μ ( E i ) − ϵ i K_i\subset E_i,\mu(K_i)>\mu(E_i)-\epsilon_i K i ⊂ E i , μ ( K i ) > μ ( E i ) − ϵ i 和V i ⊃ E i , μ ( V i ) < μ ( E i ) + ϵ i V_i\supset E_i,\mu(V_i)<\mu(E_i)+\epsilon_i V i ⊃ E i , μ ( V i ) < μ ( E i ) + ϵ i .
额你仔细想一下,发现开集那边第一条引理用过了,这里应该走紧集:考虑K 1 , K 2 K_1,K_2 K 1 , K 2 .
那么因为两个紧集不交,我们可以找到V 1 ∩ V 2 = ∅ , V 1 ⊃ K 1 , V 2 ⊃ V 2 V_1\cap V_2=\emptyset,V_1\supset K_1,V_2\supset V_2 V 1 ∩ V 2 = ∅ , V 1 ⊃ K 1 , V 2 ⊃ V 2 (Hausdorff性质,两点可分推出一个点和一个集合可分,因为那个集合和这边每个点都可分所以和并也可分),然后K 1 ≺ f 1 ≺ V 1 , K 2 ≺ f 2 ≺ V 2 K_1\prec f_1\prec V_1,K_2\prec f_2\prec V_2 K 1 ≺ f 1 ≺ V 1 , K 2 ≺ f 2 ≺ V 2 .因为外正则性和正测度的单调性,我们能推出一定能取V i V_i V i 使得μ ( V i ) < μ ( K i ) + ϵ \mu(V_i)<\mu(K_i)+\epsilon μ ( V i ) < μ ( K i ) + ϵ ,那么Λ f i ≤ μ ( V i ) < μ ( K i ) + ϵ \Lambda f_i\le \mu(V_i)<\mu(K_i)+\epsilon Λ f i ≤ μ ( V i ) < μ ( K i ) + ϵ
μ ( K 1 ) + μ ( K 2 ) + 2 ϵ > Λ f 1 + Λ f 2 = Λ ( f 1 + f 2 ) > μ ( K 1 ∪ K 2 ) \begin{gathered}
\mu(K_1)+\mu(K_2)+2\epsilon \\
>\Lambda f_1+\Lambda f_2 \\
=\Lambda (f_1+f_2) \\
>\mu(K_1\cup K_2)
\end{gathered} μ ( K 1 ) + μ ( K 2 ) + 2 ϵ > Λ f 1 + Λ f 2 = Λ ( f 1 + f 2 ) > μ ( K 1 ∪ K 2 )
对ϵ \epsilon ϵ 取极限就是μ ( K 1 ) + μ ( K 2 ) ≥ μ ( K 1 ∪ K 2 ) \mu(K_1)+\mu(K_2)\ge \mu(K_1\cup K_2) μ ( K 1 ) + μ ( K 2 ) ≥ μ ( K 1 ∪ K 2 ) .因为我们之前证过反过来的所以μ ( K 1 ) + μ ( K 2 ) = μ ( K 1 ∪ K 2 ) \mu(K_1)+\mu(K_2)=\mu(K_1\cup K_2) μ ( K 1 ) + μ ( K 2 ) = μ ( K 1 ∪ K 2 ) .
现在证明原问题,如果μ ( E ) = ∞ \mu(E)=\infty μ ( E ) = ∞ 结合之前不等式另一边是显然的,否则设H n = ⋃ i = 1 n K i H_n=\bigcup_{i=1}^n K_i H n = ⋃ i = 1 n K i ,则:
μ ( E ) ≥ μ ( H n ) = ∑ i = 1 n μ ( K i ) > ∑ i = 1 n μ ( E i ) − ϵ \begin{gathered}
\mu(E)\ge \mu(H_n)=\sum _{i = 1} ^{n} \mu(K_i)>\sum _{i = 1} ^{n} \mu(E_i)-\epsilon
\end{gathered} μ ( E ) ≥ μ ( H n ) = i = 1 ∑ n μ ( K i ) > i = 1 ∑ n μ ( E i ) − ϵ
取极限(对n n n 和ϵ \epsilon ϵ )即证不等式的另一边,和前面结论一起就是可数可加性.
[think] 直接从有限可加到可数要用到测度的连续性,因为你在处理集合的测度(μ ( ⋃ A ) \mu(\bigcup A) μ ( ⋃ A ) ),而这种不等号的方式固定了μ ( E ) \mu(E) μ ( E ) ,所以一直在处理实数.
若A 1 ∈ M f , A 2 ∈ M f A_1\in M_f,A_2\in M_f A 1 ∈ M f , A 2 ∈ M f ,则A 1 − A 2 , A 1 ∪ A 2 , A 1 ∩ A 2 A_1-A_2,A_1\cup A_2,A_1\cap A_2 A 1 − A 2 , A 1 ∪ A 2 , A 1 ∩ A 2 都属于M f M_f M f
我们取K i ⊂ A i ⊂ V i K_i\subset A_i\subset V_i K i ⊂ A i ⊂ V i 且μ ( K i ) > μ ( A i ) − ϵ , μ ( V i ) < μ ( A i ) + ϵ \mu(K_i)>\mu(A_i)-\epsilon,\mu(V_i)<\mu(A_i)+\epsilon μ ( K i ) > μ ( A i ) − ϵ , μ ( V i ) < μ ( A i ) + ϵ ,那么K 1 − V 2 K_1-V_2 K 1 − V 2 是闭集交紧集是紧集且在A 1 − A 2 A_1-A_2 A 1 − A 2 里面.
那么要算这玩意的大小,你发现没法直接算,但是( K 1 − V 2 ) ∪ ( V 2 − K 2 ) ∪ ( V 1 − K 1 ) = V 1 − K 2 ⊃ A 1 − A 2 (K_1-V_2)\cup (V_2-K_2)\cup (V_1-K_1)=V_1-K_2\supset A_1-A_2 ( K 1 − V 2 ) ∪ ( V 2 − K 2 ) ∪ ( V 1 − K 1 ) = V 1 − K 2 ⊃ A 1 − A 2 ,而多的两项都小于ϵ \epsilon ϵ ,所以μ ( K 1 − V 2 ) \mu(K_1-V_2) μ ( K 1 − V 2 ) 和μ ( A 1 − A 2 ) \mu(A_1-A_2) μ ( A 1 − A 2 ) 差不到2 ϵ 2\epsilon 2 ϵ ,内正则性满足.
然后剩下两个只要接着用A 1 − A 2 A_1-A_2 A 1 − A 2 和前面加法的结论就好了.
只要验证补集和可数并集.注意这里M M M 是那个局部是M f M_f M f 的集合构成的集合.
对任意紧集K K K 和M M M 中的集合A A A ,首先有K ∈ M f K\in M_f K ∈ M f ,又因为A ∩ K ∈ M f A\cap K\in M_f A ∩ K ∈ M f ,而A C ∩ K = K − ( A ∩ K ) ∈ M f A^C\cap K=K-(A\cap K)\in M_f A C ∩ K = K − ( A ∩ K ) ∈ M f .
对可数并,我们需要想办法转化成加法,于是若A = ⋃ A i A=\bigcup A_i A = ⋃ A i 让B n = ( A n ∩ K ) − ( ⋃ i = 1 n − 1 B i ) B_n=(A_n\cap K)-(\bigcup_{i=1}^{n-1} B_i) B n = ( A n ∩ K ) − ( ⋃ i = 1 n − 1 B i ) ,就得到B i ∈ M f B_i\in M_f B i ∈ M f ,从而∑ B n = A ∩ K ∈ M f \sum B_n=A\cap K\in M_f ∑ B n = A ∩ K ∈ M f ,
M f M_f M f 恰好是所有M M M 中的有限测度集合.
也就是性质(d)
首先前面证了M f M_f M f 对交封闭,所以M ⊃ M f M\supset M_f M ⊃ M f .
而M M M 中的一个有限集合E E E ,因为它有限所以可以有V ⊃ E , μ ( V ) < μ ( E ) + ϵ V\supset E,\mu(V)<\mu(E)+\epsilon V ⊃ E , μ ( V ) < μ ( E ) + ϵ ,然后取K ⊂ V , μ ( K ) > μ ( V ) − ϵ K\subset V,\mu(K)>\mu(V)-\epsilon K ⊂ V , μ ( K ) > μ ( V ) − ϵ ,则E ∩ K ∈ M f E\cap K\in M_f E ∩ K ∈ M f ,从而∃ H ⊂ E ∩ K , μ ( E ∩ K ) < μ ( H ) + ϵ \exists H\subset E\cap K,\mu(E\cap K)<\mu(H)+\epsilon ∃ H ⊂ E ∩ K , μ ( E ∩ K ) < μ ( H ) + ϵ .
这样μ ( E ) ≤ μ ( E ∩ K ) + μ ( V − K ) < μ ( H ) + 2 ϵ \mu(E)\le \mu(E\cap K)+\mu(V-K)<\mu(H)+2\epsilon μ ( E ) ≤ μ ( E ∩ K ) + μ ( V − K ) < μ ( H ) + 2 ϵ ,内正则性得证.
由这些我们可以推出μ \mu μ 是Borel测度了.
最后:
∀ f ∈ C c ( X ) , Λ f = ∫ X f d μ \begin{gathered}
\forall f\in C_c(X),\Lambda f=\int_X fd\mu
\end{gathered} ∀ f ∈ C c ( X ) , Λ f = ∫ X f d μ
复的可以拆成两个实的证,只要考虑实的.
这里的思路是切割f f f 的值域,每段用特征函数逼近.
考虑 range f ⊂ [ a , b ] \operatorname{range} f\subset [a,b] range f ⊂ [ a , b ] ,对ϵ \epsilon ϵ ,设y 0 = a < y 1 < y 2 < … < b < y n y_0=a<y_1<y_2<\ldots<b<y_n y 0 = a < y 1 < y 2 < … < b < y n .考虑一段[ y i , y i + 1 ) [y_i,y_{i+1}) [ y i , y i + 1 )
那么定义supp f = K \operatorname{supp}f=K supp f = K ,考虑E i = f − 1 ( [ y i , y i + 1 ) ) ∩ K E_i=f^{-1}([y_i,y_{i+1}))\cap K E i = f − 1 ([ y i , y i + 1 )) ∩ K (连续映射把borel集拉回到borel集),于是E i E_i E i 是borel集.
于是可以找V i ⊃ E i , μ ( V i ) < μ ( E i ) + ϵ i V_i\supset E_i,\mu(V_i)<\mu(E_i)+\epsilon_i V i ⊃ E i , μ ( V i ) < μ ( E i ) + ϵ i ,然后我们可以找f i ≺ V i f_i\prec V_i f i ≺ V i 满足K K K 上∑ i f i = 1 \sum_i f_i=1 ∑ i f i = 1 .
于是:
Λ f = ∑ i = 1 n Λ ( h i f ) ≤ ∑ i = 1 n ( y i + ϵ ) Λ h i = ∑ i = 1 n ( y i + ϵ + ∣ a ∣ ) Λ h i − ∣ a ∣ ∑ i = 1 n Λ h i ≤ ∑ i = 1 n ( y i + ϵ + ∣ a ∣ ) μ ( V i ) − ∣ a ∣ μ ( K ) ≤ ∑ i = 1 n ( y i + ϵ + ∣ a ∣ ) ( μ ( E i ) + ϵ i ) − ∣ a ∣ ∑ i = 1 n μ ( E i ) = ∑ i = 1 n ( y i − ϵ ) μ ( E i ) + 2 ϵ μ ( K ) + ( ϵ + ∣ a ∣ + ∑ i = 1 n y i ) ( ∑ i ϵ i ) ⇒ ϵ i = ϵ n ≤ ∫ X f d μ + ϵ ( 2 μ ( K ) + ∣ a ∣ + b + ϵ ) \begin{gathered}
\Lambda f=\sum _{i = 1} ^{n} \Lambda(h_if) \\
\le \sum _{i = 1} ^{n} (y_i+\epsilon)\Lambda h_i \\
= \sum _{i = 1} ^{n} (y_i+\epsilon+\vert a \vert)\Lambda h_i-\vert a \vert \sum _{i = 1} ^{n} \Lambda h_i \\
\le \sum _{i = 1} ^{n} (y_i+\epsilon+\vert a \vert )\mu(V_i)-\vert a \vert \mu(K)\\
\le \sum _{i = 1} ^{n} (y_i+\epsilon+\vert a \vert )(\mu(E_i)+\epsilon_i)-\vert a \vert \sum _{i = 1} ^{n} \mu(E_i) \\
=\sum _{i = 1} ^{n} (y_i-\epsilon)\mu(E_i)+2\epsilon\mu(K)+(\epsilon+\vert a \vert +\sum_{i=1}^n y_i)(\sum_i \epsilon_i) \\
\xRightarrow{ \epsilon_i=\frac{\epsilon}{n} } \le \int_X fd\mu+\epsilon(2\mu(K)+\vert a \vert +b+\epsilon)
\end{gathered} Λ f = i = 1 ∑ n Λ ( h i f ) ≤ i = 1 ∑ n ( y i + ϵ ) Λ h i = i = 1 ∑ n ( y i + ϵ + ∣ a ∣ ) Λ h i − ∣ a ∣ i = 1 ∑ n Λ h i ≤ i = 1 ∑ n ( y i + ϵ + ∣ a ∣ ) μ ( V i ) − ∣ a ∣ μ ( K ) ≤ i = 1 ∑ n ( y i + ϵ + ∣ a ∣ ) ( μ ( E i ) + ϵ i ) − ∣ a ∣ i = 1 ∑ n μ ( E i ) = i = 1 ∑ n ( y i − ϵ ) μ ( E i ) + 2 ϵ μ ( K ) + ( ϵ + ∣ a ∣ + i = 1 ∑ n y i ) ( i ∑ ϵ i ) ϵ i = n ϵ ≤ ∫ X f d μ + ϵ ( 2 μ ( K ) + ∣ a ∣ + b + ϵ )
取ϵ \epsilon ϵ 极限,就是Λ f ≤ ∫ X f d μ \Lambda f\le \int_X fd\mu Λ f ≤ ∫ X f d μ .
然后注意到你只要代入− f -f − f 就是反向的不等式.于是得证.
定义在局部紧 Hausdorff 空间 X X X 的所有 Borel 集构成的 σ \sigma σ -代数上的测度 μ \mu μ 称为 X X X 上的 Borel 测度 。
如果 μ \mu μ 是正测度,Borel 集 E ⊂ X E \subset X E ⊂ X 称为外正则 的,如果它具有定理 2.14 中的性质 (c);称为内正则 的,如果它具有定理 2.14 中的性质 (d)。如果 X X X 中的所有 Borel 集既是外正则又是内正则的,则称 μ \mu μ 是正则 的。
sigma-compact
拓扑空间中的集合 E E E 称为 σ \sigma σ -紧 的,如果 E E E 是可数个紧集的并。
测度空间中的集合 E E E (带有测度 μ \mu μ )称为具有 σ \sigma σ -有限测度 ,如果 E E E 是可数个满足 μ ( E i ) < ∞ \mu(E_i) < \infty μ ( E i ) < ∞ 的集合 E i E_i E i 的并。
设 X X X 是局部紧、σ \sigma σ -紧的 Hausdorff 空间。如果 M \mathfrak{M} M 和 μ \mu μ 如定理 2.14 中所述,则 M \mathfrak{M} M 和 μ \mu μ 具有以下性质:
(a) 如果 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M 且 ϵ > 0 \epsilon > 0 ϵ > 0 ,则存在闭集 F F F 和开集 V V V 使得 F ⊂ E ⊂ V F \subset E \subset V F ⊂ E ⊂ V 且 μ ( V − F ) < ϵ \mu(V-F) < \epsilon μ ( V − F ) < ϵ 。
(b) μ \mu μ 是 X X X 上的正则 Borel 测度。
(c) 如果 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M ,则存在集合 A A A 和 B B B 使得 A A A 是 F σ F_\sigma F σ 集,B B B 是 G δ G_\delta G δ 集,A ⊂ E ⊂ B A \subset E \subset B A ⊂ E ⊂ B ,且 μ ( B − A ) = 0 \mu(B-A)=0 μ ( B − A ) = 0 。
(a):
E E E 有限的时候结论显然成立,无限的时候问题在于内正则只对开集和有限可测集成立.而现在多了个sigma-compact
考虑整个空间被⋃ i K i \bigcup_i K_i ⋃ i K i 覆盖,那么E ∩ K i E\cap K_i E ∩ K i 都是有内外正则性的,于是可以对每个E ∩ K i E\cap K_i E ∩ K i 找到V i , F i V_i,F_i V i , F i 满足μ ( V i − F i ) < ϵ i , F i ⊂ E ∩ K i ⊂ V i \mu(V_i-F_i)<\epsilon_i,F_i\subset E\cap K_i\subset V_i μ ( V i − F i ) < ϵ i , F i ⊂ E ∩ K i ⊂ V i .
对开集取可数并还是开集,所以这里外侧是好做的:你取ϵ i = 2 − i \epsilon_i=2^{-i} ϵ i = 2 − i 然后把V i V_i V i 并起来就能得到所求的V V V .但是F F F 不能直接把K i K_i K i 并起来做.
于是它的做法是用开集从外部逼近E C E^C E C ,然后把得到的V ′ V' V ′ 做F = V ′ C F=V'^C F = V ′ C ,问题就解决了.
(a)成立就直接推出(b)成立
对(c),考虑对(a)取极限,让ϵ = 1 n \epsilon=\dfrac{1}{n} ϵ = n 1 得到一串V n V_n V n 和F n F_n F n ,然后取极限B = ⋂ V i , A = ⋃ F j B=\bigcap V_i,A=\bigcup F_j B = ⋂ V i , A = ⋃ F j ,即证
设 X X X 是局部紧 Hausdorff 空间,且其中每个开集都是 σ \sigma σ -紧的。设 λ \lambda λ 是 X X X 上的任意正 Borel 测度,且对每个紧集 K K K 都有 λ ( K ) < ∞ \lambda(K) < \infty λ ( K ) < ∞ 。则 λ \lambda λ 是正则的。
紧集测度有界所以对任何C c ( X ) C_c(X) C c ( X ) 函数积分∫ X f d λ \int_X fd\lambda ∫ X f d λ 都是有限的,可以定义
f → ∫ X f d λ \begin{gathered}
f\to \int_X fd\lambda
\end{gathered} f → ∫ X f d λ
是一个线性泛函,那么应用前面的Riesz就有存在μ \mu μ 构成Borel测度,且
∫ X f d λ = ∫ X f d μ \begin{gathered}
\int_X fd\lambda=\int_X fd\mu
\end{gathered} ∫ X f d λ = ∫ X f d μ
只要说明μ = λ \mu=\lambda μ = λ .
因为有所有开集都是sigma紧的条件,考虑一个开集V V V 和可数个紧集K i K_i K i ,我们可以找到K i ≺ f i ≺ V K_i\prec f_i\prec V K i ≺ f i ≺ V ,设g n = max i = 1 n f i g_n=\max_{i=1}^n f_i g n = max i = 1 n f i ,则它单调递增且逐点收敛到χ V \chi_V χ V ,可以用单调收敛,有
λ ( V ) = ∫ X lim n → ∞ g n d λ = lim n → ∞ ∫ X g n d λ = lim n → ∞ ∫ X g n d μ = ∫ X lim n → ∞ g n d μ = μ ( V ) \begin{gathered}
\lambda(V)=\int_X \lim_{n \to \infty} g_nd\lambda \\
=\lim_{n \to \infty} \int_X g_nd\lambda \\
=\lim_{n \to \infty} \int_X g_nd\mu \\
=\int_X\lim_{n \to \infty} g_nd\mu \\
=\mu(V)
\end{gathered} λ ( V ) = ∫ X n → ∞ lim g n d λ = n → ∞ lim ∫ X g n d λ = n → ∞ lim ∫ X g n d μ = ∫ X n → ∞ lim g n d μ = μ ( V )
于是所有开集相等.
然后对剩下的集合,考虑对任意集合E E E 找到K K K 和V V V 以μ ( V − K ) < ϵ \mu(V-K)<\epsilon μ ( V − K ) < ϵ 夹住它,那么因为V − K V-K V − K 是开集所以λ ( V − K ) = μ ( V − K ) < ϵ \lambda(V-K)=\mu(V-K)<\epsilon λ ( V − K ) = μ ( V − K ) < ϵ ,同时μ ( V ) = λ ( V ) \mu(V)=\lambda(V) μ ( V ) = λ ( V ) ,所以λ ( E ) ∈ ( λ ( K ) , λ ( V ) ) = ( λ ( V ) − ϵ , λ ( V ) ) = ( μ ( V ) − ϵ , μ ( V ) ) \lambda(E)\in (\lambda(K),\lambda(V))=(\lambda(V)-\epsilon,\lambda(V))=(\mu(V)-\epsilon,\mu(V)) λ ( E ) ∈ ( λ ( K ) , λ ( V )) = ( λ ( V ) − ϵ , λ ( V )) = ( μ ( V ) − ϵ , μ ( V )) 然后这个区间里有μ ( E ) \mu(E) μ ( E ) ,所以λ ( E ) = μ ( E ) \lambda(E)=\mu(E) λ ( E ) = μ ( E )
[think] 其实g g g 就是对χ \chi χ 的连续逼近啊.构造这样的逼近然后用单调收敛解决问题.
Lesbeige Measure
Euclidean Spaces
欧几里得 k k k 维空间 R k R^k R k 是所有坐标 ξ i \xi_i ξ i 为实数的点 x = ( ξ 1 , … , ξ k ) x=(\xi_1, \dots, \xi_k) x = ( ξ 1 , … , ξ k ) 的集合。
定义 x + y x+y x + y 和 α x \alpha x α x 。定义内积 x ⋅ y = ∑ ξ i η i x \cdot y = \sum \xi_i \eta_i x ⋅ y = ∑ ξ i η i 和范数 ∣ x ∣ = ( x ⋅ x ) 1 / 2 |x|=(x \cdot x)^{1/2} ∣ x ∣ = ( x ⋅ x ) 1/2 。度量定义为 ρ ( x , y ) = ∣ x − y ∣ \rho(x,y)=|x-y| ρ ( x , y ) = ∣ x − y ∣ 。
R k R^k R k 中的开集是可数个不相交盒子的并。
首先前面这些是好说的,重点看这最后一条:我们定义P p P_p P p 为所有坐标是2 − p 2^{-p} 2 − p 整数倍的点的集合,为格点,Ω p \Omega_p Ω p 为所有坐标是2 − p 2^{-p} 2 − p 的整数倍的点为一个顶点,边长为2 − p 2^{-p} 2 − p 的立方体的集合,而Ω \Omega Ω 为⋃ i Ω i \bigcup_i \Omega_i ⋃ i Ω i ,其中的元素就是所有的格子.
那么可以定义一个格子的体积就是2 − p k 2^{-pk} 2 − p k .
对于一个开集,每个点可以取开球邻域,那么在对应的球内一定可以取一个格子.然后你发现两个格子只有不交和包含两种关系,所以把包含去掉就是不交并了.从而可以定义开集的体积.
在 R k R^k R k 的某个 σ \sigma σ -代数 M \mathfrak{M} M 上存在唯一的正完备测度 m m m ,具有以下性质:
(a) 对每个 k k k -维胞腔 (box/cell) W W W ,m ( W ) = vol ( W ) m(W) = \text{vol}(W) m ( W ) = vol ( W ) 。
(b) M \mathfrak{M} M 包含 R k R^k R k 中的所有 Borel 集;更确切地说,E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M 当且仅当存在 A , B ⊂ R k A, B \subset R^k A , B ⊂ R k 使得 A ⊂ E ⊂ B A \subset E \subset B A ⊂ E ⊂ B ,A A A 是 F σ F_\sigma F σ ,B B B 是 G δ G_\delta G δ ,且 m ( B − A ) = 0 m(B-A)=0 m ( B − A ) = 0 。此外,m m m 是正则的。
(c) m m m 是平移不变的,即对每个 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M 和每个 x ∈ R k x \in R^k x ∈ R k ,有 m ( E + x ) = m ( E ) m(E+x) = m(E) m ( E + x ) = m ( E ) 。
(d) 如果 μ \mu μ 是 R k R^k R k 上任意正的平移不变 Borel 测度,且对每个紧集 K K K 都有 μ ( K ) < ∞ \mu(K) < \infty μ ( K ) < ∞ ,则存在常数 c c c 使得对所有 Borel 集 E ⊂ R k E \subset R^k E ⊂ R k 有 μ ( E ) = c m ( E ) \mu(E) = c m(E) μ ( E ) = c m ( E ) 。
(e) 对每一个 R k R^k R k 到 R k R^k R k 的线性变换 T T T ,对应一个实数 Δ ( T ) \Delta(T) Δ ( T ) ,使得对每个 E ∈ M E \in \mathfrak{M} E ∈ M ,有 m ( T ( E ) ) = Δ ( T ) m ( E ) m(T(E)) = \Delta(T)m(E) m ( T ( E )) = Δ ( T ) m ( E ) 。
我们要定义一个测度和一个代数,但你发现直接做是很麻烦的.
考虑Λ n f = 2 − k p ∑ x ∈ P p f ( x ) \Lambda_n f=2^{-kp} \sum_{x\in P_p} f(x) Λ n f = 2 − k p ∑ x ∈ P p f ( x )
你看这个就是黎曼积分啊,然后它走了一遍连续函数推黎曼可积的路,说明了 lim n → ∞ Λ n f \lim_{n \to \infty} \Lambda_n f lim n → ∞ Λ n f 存在,定义为Λ f \Lambda f Λ f .
然后Riesz说明存在一个测度m m m .且自然的推出(b).
为了证明(a),你可以用和上个定理一样的办法逼近χ \chi χ ,只不过构造的时候改成用邻域的紧闭包.
证明(c)用的方法是构造λ ( E ) = m ( E + x ) \lambda(E)=m(E+x) λ ( E ) = m ( E + x ) ,从而会有λ = m \lambda=m λ = m 对所有格子成立(由(a)),从而对所有开集成立,从而对任意集合成立(也和上一个定理很像).
证明(d),只要考虑那个新测度对某个格子的值,然后发现等式对所有格子成立再推到任意集合成立.
证明(e):如果Δ ≠ 0 \Delta\ne 0 Δ = 0 则T T T 是可逆且线性的,于是你可以定义μ ( E ) = m ( T ( e ) ) \mu(E)=m(T(e)) μ ( E ) = m ( T ( e )) ,然后用(d).
并非每个 Lebesgue 可测集都是 Borel 集。并非 R k R^k R k 的每个子集都是 Lebesgue 可测的。
第一条只要考虑Borel集的拓扑基是所有的开球,开球的数量是R k × R R^k\times R R k × R 仍然是连续统,但考虑一个测度为0 0 0 的可测集康托尔集且不可数,所以它的势有2 cardinality of the continuum 2^\text{cardinality of the continuum} 2 cardinality of the continuum .
对于第二条:
如果 A ⊂ R 1 A \subset R^1 A ⊂ R 1 且 A A A 的每个子集都是 Lebesgue 可测的,则 m ( A ) = 0 m(A)=0 m ( A ) = 0 。
考虑一个等价关系 x ∼ y ⟺ x − y ∈ Q x\sim y \iff x-y\in Q x ∼ y ⟺ x − y ∈ Q ,则令E = R / ∼ E=R/\sim E = R / ∼ ,你发现E E E 有E + p ∩ E + q = ∅ , p , q ∈ Q E+p\cap E+q=\emptyset,p,q\in Q E + p ∩ E + q = ∅ , p , q ∈ Q ,且任意r ∈ R , ∃ p , r ∈ ( E + p ) r\in R,\exists p,r\in (E+p) r ∈ R , ∃ p , r ∈ ( E + p )
然后令A p = A ∩ ( E + p ) A_p=A\cap (E+p) A p = A ∩ ( E + p ) ,显然A p A_p A p 不交且⋃ p ∈ Q A p = A \bigcup_{p\in Q} A_p=A ⋃ p ∈ Q A p = A .
对任意一个A p A_p A p ,因为它可测并且R k R^k R k sigma紧,所以有内正则性,于是你取一个紧集K K K ,再取H = ⋃ p ∈ ( Q ∩ [ 0 , 1 ] ) ( K + p ) H=\bigcup_{p\in (Q\cap [0,1])} (K+p) H = ⋃ p ∈ ( Q ∩ [ 0 , 1 ]) ( K + p ) ,那么H H H 是有限测度的,但是μ ( H ) = ∑ μ ( K + p ) = ∑ μ ( K ) \mu(H)=\sum \mu(K+p)=\sum\mu(K) μ ( H ) = ∑ μ ( K + p ) = ∑ μ ( K ) ,所以μ ( K ) = 0 \mu(K)=0 μ ( K ) = 0 .任意紧集测度都是0 0 0 所以A p A_p A p 是0 0 0 ,所以A A A 是0 0 0 .
Corollary
每一个正测度集合都有不可测子集。
Countinuity Properties of Measurable Functions
注意这两个定理是局部紧hausdorff空间的
Lusin's Theorem
设 f f f 是 X X X 上的复可测函数,μ ( A ) < ∞ \mu(A) < \infty μ ( A ) < ∞ ,若 x ∉ A x \notin A x ∈ / A 则 f ( x ) = 0 f(x)=0 f ( x ) = 0 ,且 ϵ > 0 \epsilon > 0 ϵ > 0 。则存在 g ∈ C c ( X ) g \in C_c(X) g ∈ C c ( X ) 使得
μ ( { x : f ( x ) ≠ g ( x ) } ) < ϵ . \mu(\{x: f(x) \neq g(x)\}) < \epsilon. μ ({ x : f ( x ) = g ( x )}) < ϵ .
此外,我们可以安排使得 sup x ∈ X ∣ g ( x ) ∣ ≤ sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ \sup_{x \in X} |g(x)| \le \sup_{x \in X} |f(x)| sup x ∈ X ∣ g ( x ) ∣ ≤ sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ 。
如果A A A 是紧的,f ∈ [ 0 , 1 ) f\in [0,1) f ∈ [ 0 , 1 )
首先你可以找到简单函数列单调逼近f f f :lim n → ∞ s n = f \lim_{n \to \infty} s_n=f lim n → ∞ s n = f ,且你使用第一章把函数值域按2 − k 2^{-k} 2 − k 切割取整的方式,那么t n = ( s n − s n − 1 ) t_n=(s_n-s_{n-1}) t n = ( s n − s n − 1 ) ,则t n t_n t n 的值要么是0 0 0 要么是2 − n 2^{-n} 2 − n ,所以t n = χ T n 2 − n t_n=\chi_{T_n}2^{-n} t n = χ T n 2 − n .而f = ∑ i = 1 ∞ t n f=\sum_{i=1}^\infty t_n f = ∑ i = 1 ∞ t n .
那么去逼近t n t_n t n 只要逼近χ T n \chi_{T_n} χ T n ,显然对每个T n T_n T n 是可测集可以用正则性,于是可以找到K n ⊂ T n ⊂ V n K_n\subset T_n\subset V_n K n ⊂ T n ⊂ V n 且μ ( V n − T n ) < ϵ 2 − n \mu(V_n-T_n)<\epsilon2^{-n} μ ( V n − T n ) < ϵ 2 − n ,于是Urysohn有K n ≺ h n ≺ V n K_n\prec h_n\prec V_n K n ≺ h n ≺ V n .
然后让g = ∑ i = 1 ∞ h i g=\sum_{i=1}^\infty h_i g = ∑ i = 1 ∞ h i ,我们看到每个 μ ( { h n ≠ χ n } ) ≤ 2 − n ϵ \mu(\{ h_n\ne \chi_n \} )\le 2^{-n}\epsilon μ ({ h n = χ n }) ≤ 2 − n ϵ ,于是加起来和f f f 至多在ϵ \epsilon ϵ 大小的地方不相等.
注意要求g ∈ C c ( X ) g\in C_c(X) g ∈ C c ( X ) 所以它的支集是紧,所以你可以先找A ⊂ V A\subset V A ⊂ V 满足V ‾ \overline{V} V 是紧的,之后找V n V_n V n 的时候要求V n ⊂ V V_n\subset V V n ⊂ V .
然后如果A A A 不是紧的,那么A A A 可测且有限有内正则,所以你可以用一个逼近A A A 的紧集代替A A A .
如果f ∉ [ 0 , 1 ) f\notin [0,1) f ∈ / [ 0 , 1 ) ,首先只要拆实部和虚部再乘个值域就对有界复函数成立,只要考虑无界的问题:
设 B n = { x ∣ f ( x ) > n } B_n=\{ x \vert f(x)>n \} B n = { x ∣ f ( x ) > n } ,则⋂ B n = ∅ \bigcap B_n=\emptyset ⋂ B n = ∅ 且μ ( B 1 ) < μ ( A ) < ∞ \mu(B_1)<\mu(A)<\infty μ ( B 1 ) < μ ( A ) < ∞ ,所以μ ( B n ) → 0 \mu(B_n)\to 0 μ ( B n ) → 0 ,所以可以找一个足够大的B n B_n B n 转化成有界函数,忽略掉外面的小测度.(有界集合上的函数无穷大的测度总是很小的)
最后那个额外条件只要把多的值抹平就好了,设
ϕ ( x ) = { x , ∣ x ∣ ≤ R x ∣ x ∣ R , x > R , R = sup ∣ f ( x ) ∣ \begin{gathered}
\phi(x)=\begin{cases}
x,\vert x \vert \le R \\
\dfrac{x}{\vert x \vert } R,x>R
\end{cases}, \\
R=\sup \vert f(x) \vert
\end{gathered} ϕ ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ x , ∣ x ∣ ≤ R ∣ x ∣ x R , x > R , R = sup ∣ f ( x ) ∣
然后用ϕ ( g ) \phi(g) ϕ ( g ) 代替g g g 即可.因为你这些值本来也不等于f f f 了.
Corollary
假设 Lusin 定理的条件满足且 ∣ f ∣ ≤ 1 |f| \le 1 ∣ f ∣ ≤ 1 。则存在序列 { g n } \{g_n\} { g n } 使得 g n ∈ C c ( X ) g_n \in C_c(X) g n ∈ C c ( X ) ,∣ g n ∣ ≤ 1 |g_n| \le 1 ∣ g n ∣ ≤ 1 ,且
f ( x ) = lim n → ∞ g n ( x ) a.e. f(x) = \lim_{n \to \infty} g_n(x) \quad \text{a.e.} f ( x ) = lim n → ∞ g n ( x ) a.e.
Vitali-Carathéodory Theorem
设 f ∈ L 1 ( μ ) f \in L^1(\mu) f ∈ L 1 ( μ ) ,f f f 是实值函数,且 ϵ > 0 \epsilon > 0 ϵ > 0 。则在 X X X 上存在函数 u u u 和 v v v 使得 u ≤ f ≤ v u \le f \le v u ≤ f ≤ v ,u u u 是上半连续且上有界的,v v v 是下半连续且下有界的,并且
∫ X ( v − u ) d μ < ϵ . \int_X (v-u) d\mu < \epsilon. ∫ X ( v − u ) d μ < ϵ .
我们知道开集的特征函数是下半连续,闭集对应上半连续.所以还是像着特征函数逼近.
那么仍然用前面定理那种构造的简单函数逼近 lim n → ∞ s n = f \lim_{n \to \infty} s_n=f lim n → ∞ s n = f ,它保证了 ∃ T n , t n = s n − s n − 1 = c n χ T n \exists T_n,t_n=s_n-s_{n-1}=c_n \chi_{T_n} ∃ T n , t n = s n − s n − 1 = c n χ T n .
那么我们只要改造T n T_n T n ,对每个T n T_n T n 可以找到K n ≺ T n ≺ V n K_n\prec T_n\prec V_n K n ≺ T n ≺ V n 且μ ( T n − K n ) < ϵ n \mu(T_n-K_n)<\epsilon_n μ ( T n − K n ) < ϵ n .
那么直接∑ n c n χ V n \sum_n c_n\chi_{V_n} ∑ n c n χ V n 就可以是v v v ,但直接∑ n c n χ K n \sum_n c_n\chi_{K_n} ∑ n c n χ K n 不能是u u u ,因为上半连续的级数不一定上半连续.
那怎么办呢?考虑因为f ∈ L 1 f\in L^1 f ∈ L 1 可积,所以∫ X f = ∫ X ∑ c n χ T n = ∫ X c n μ ( T n ) \int_X f=\int_X \sum c_n\chi_{T_n}=\int_X c_n\mu(T_n) ∫ X f = ∫ X ∑ c n χ T n = ∫ X c n μ ( T n ) 收敛,所以存在N N N 使得后面的求和小于ϵ ′ \epsilon' ϵ ′ ,
所以我们如果把级数只截断到N N N ,最后的积分误差就是∑ ϵ n + ϵ ′ \sum \epsilon_n+\epsilon' ∑ ϵ n + ϵ ′ .然后你ϵ n = 2 − n + 1 ϵ , ϵ ′ = 2 − 1 ϵ \epsilon_n=2^{-n+1}\epsilon,\epsilon'=2^{-1}\epsilon ϵ n = 2 − n + 1 ϵ , ϵ ′ = 2 − 1 ϵ 即可.
哦最后,上面是正函数,但对任意实值函数只要正部负部分开然后把uv对应拼起来即可.
Chapter 3
Inequality Preparation
若 φ \varphi φ 在 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 上是凸的,则 φ \varphi φ 在 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 上连续。
Jensen's Inequality
设 μ \mu μ 是集合 Ω \Omega Ω 上 σ \sigma σ -代数 M \mathfrak{M} M 上的正测度,且 μ ( Ω ) = 1 \mu(\Omega) = 1 μ ( Ω ) = 1 。如果 f f f 是 L 1 ( μ ) L^1(\mu) L 1 ( μ ) 中的实函数,满足 a < f ( x ) < b a < f(x) < b a < f ( x ) < b 对所有 x ∈ Ω x \in \Omega x ∈ Ω 成立,且 φ \varphi φ 在 ( a , b ) (a, b) ( a , b ) 上是下凸的,则
φ ( ∫ Ω f d μ ) ≤ ∫ Ω ( φ ∘ f ) d μ \varphi\left( \int_{\Omega} f \, d\mu \right) \le \int_{\Omega} (\varphi \circ f) \, d\mu φ ( ∫ Ω f d μ ) ≤ ∫ Ω ( φ ∘ f ) d μ
这种φ \varphi φ 里面的积分是绝对消不掉的,你设它是t t t .
那么因为φ \varphi φ 是下凸,所以x = t x=t x = t 处有一条支撑线满足:
φ ( x ) ≥ φ ( t ) + k ( x − t ) ⟹ φ ( f ( x ) ) ≥ φ ( t ) + k ( f ( x ) − t ) \begin{gathered}
\varphi(x)\ge \varphi(t)+k(x-t) \\
\implies \varphi(f(x))\ge \varphi(t)+k(f(x)-t)
\end{gathered} φ ( x ) ≥ φ ( t ) + k ( x − t ) ⟹ φ ( f ( x )) ≥ φ ( t ) + k ( f ( x ) − t )
然后同时积分就结束了.
[think] 为什么利用凸函数只要利用一条支撑线?观察琴声的图发现真的是这样!
共轭指数
指满足 1 p + 1 q = 1 \dfrac{1}{p} +\dfrac{1}{q} =1 p 1 + q 1 = 1 的( p , q ) (p,q) ( p , q ) 对.包括无穷.
Hölder Inequality and Minkowski Inequality
设 p p p 和 q q q 是共轭指数,1 < p < ∞ 1 < p < \infty 1 < p < ∞ 。设 X X X 是测度空间,测度为 μ \mu μ 。设 f f f 和 g g g 是 X X X 上的可测函数,取值在 [ 0 , ∞ ] [0, \infty] [ 0 , ∞ ] 。则
∫ X f g d μ ≤ { ∫ X f p d μ } 1 / p { ∫ X g q d μ } 1 / q \int_X fg \, d\mu \le \left\{ \int_X f^p \, d\mu \right\}^{1/p} \left\{ \int_X g^q \, d\mu \right\}^{1/q} ∫ X f g d μ ≤ { ∫ X f p d μ } 1/ p { ∫ X g q d μ } 1/ q
以及
{ ∫ X ( f + g ) p d μ } 1 / p ≤ { ∫ X f p d μ } 1 / p + { ∫ X g p d μ } 1 / p \left\{ \int_X (f + g)^p \, d\mu \right\}^{1/p} \le \left\{ \int_X f^p \, d\mu \right\}^{1/p} + \left\{ \int_X g^p \, d\mu \right\}^{1/p} { ∫ X ( f + g ) p d μ } 1/ p ≤ { ∫ X f p d μ } 1/ p + { ∫ X g p d μ } 1/ p
第一个翻数分笔记就好了是证过的,用Young's Inequality.
第二个:
( f + g ) p = f ( f + p ) p − 1 + g ( f + p ) p − 1 ∫ f ( f + g ) p − 1 ≤ ( ∫ f p ) 1 p ( ∫ ( f + g ) ( p − 1 ) q ) 1 q = ( ∫ f p ) 1 p ( ∫ ( f + g ) p ) 1 q ∫ ( f + g ) p = ∫ f ( f + g ) p − 1 + ∫ g ( f + g ) p − 1 ≤ ( ( ∫ f p ) 1 p + ( ∫ g p ) 1 p ) ( ∫ ( f + g ) p ) 1 q ⟹ ( ∫ ( f + g ) p ) 1 p = ( ∫ ( f + g ) p ) 1 − 1 q ≤ ( ∫ f p ) 1 p + ( ∫ g p ) 1 p \begin{gathered}
(f+g)^p=f(f+p)^{p-1}+g(f+p)^{p-1} \\
\int f(f+g)^{p-1}\le (\int f^p)^\frac1p (\int (f+g)^{(p-1)q})^\frac1q \\
=(\int f^p)^\frac1p (\int (f+g)^p )^\frac1q \\
\int (f+g)^p =\int f(f+g)^{p-1}+\int g(f+g)^{p-1} \\
\le ((\int f^p)^\frac1p+(\int g^p)^\frac1p) (\int (f+g)^p )^\frac1q \\
\implies (\int (f+g)^p )^{\frac1p}=(\int (f+g)^p )^{1-\frac1q}\le (\int f^p)^\frac1p+(\int g^p)^\frac1p
\end{gathered} ( f + g ) p = f ( f + p ) p − 1 + g ( f + p ) p − 1 ∫ f ( f + g ) p − 1 ≤ ( ∫ f p ) p 1 ( ∫ ( f + g ) ( p − 1 ) q ) q 1 = ( ∫ f p ) p 1 ( ∫ ( f + g ) p ) q 1 ∫ ( f + g ) p = ∫ f ( f + g ) p − 1 + ∫ g ( f + g ) p − 1 ≤ (( ∫ f p ) p 1 + ( ∫ g p ) p 1 ) ( ∫ ( f + g ) p ) q 1 ⟹ ( ∫ ( f + g ) p ) p 1 = ( ∫ ( f + g ) p ) 1 − q 1 ≤ ( ∫ f p ) p 1 + ( ∫ g p ) p 1
然后要处理∫ ( f + g ) p \int (f+g)^p ∫ ( f + g ) p 是0 0 0 或无穷的情况.0 0 0 的情况元原不等式显然成立,而因为x p x^p x p 是下凸的,所以
( f + g 2 ) p ≤ f p + g p 2 \begin{gathered}
(\dfrac{f+g}{2} )^p\le \dfrac{f^p+g^p }{2}
\end{gathered} ( 2 f + g ) p ≤ 2 f p + g p
从而不会是无穷.
于是得证.
[think] 这个证明拆( f + g ) ( f + g ) 1 p − 1 (f+g)(f+g)^{\frac1p-1} ( f + g ) ( f + g ) p 1 − 1 是难以想到的,但Gemini说你考虑L p L^p L p 的对偶空间,有个定理说 ∥ f ∥ p = sup ∥ g ∥ q = 1 ∫ f g \Vert f \Vert_p = \sup_{\Vert g\Vert_q =1} \int fg ∥ f ∥ p = sup ∥ g ∥ q = 1 ∫ f g .然后这里用Holder,然后去对偶空间找g g g 使得Holder取等整出来的.所以最后他说处理L p L^p L p 的时候构造一个含L q L^q L q 的乘积是场景trick.
L p L^p L p 空间与L p L^p L p 范数
若 0 < p < ∞ 0 < p < \infty 0 < p < ∞ 且 f f f 是 X X X 上的复可测函数,定义
∥ f ∥ p = { ∫ X ∣ f ∣ p d μ } 1 / p \|f\|_p = \left\{ \int_X |f|^p \, d\mu \right\}^{1/p} ∥ f ∥ p = { ∫ X ∣ f ∣ p d μ } 1/ p
并令 L p ( μ ) L^p(\mu) L p ( μ ) 由所有满足
∥ f ∥ p < ∞ \|f\|_p < \infty ∥ f ∥ p < ∞
的 f f f 组成。我们称 ∥ f ∥ p \|f\|_p ∥ f ∥ p 为 f f f 的 L p L^p L p -范数 。
L ∞ L^\infty L ∞ 空间
设 g : X → [ 0 , ∞ ] g: X \to [0, \infty] g : X → [ 0 , ∞ ] 可测。令 S S S 为所有满足
μ ( g − 1 ( ( α , ∞ ] ) ) = 0 \mu(g^{-1}((\alpha, \infty])) = 0 μ ( g − 1 (( α , ∞ ])) = 0
的实数 α \alpha α 的集合。若 S = ∅ S = \varnothing S = ∅ ,令 β = ∞ \beta = \infty β = ∞ 。若 S ≠ ∅ S \neq \varnothing S = ∅ ,令 β = inf S \beta = \inf S β = inf S 。
我们称 β \beta β 为 g g g 的本性上确界 (essential supremum )。
如果 f f f 是 X X X 上的复可测函数,我们定义 ∥ f ∥ ∞ \|f\|_\infty ∥ f ∥ ∞ 为 ∣ f ∣ |f| ∣ f ∣ 的本性上确界,并令 L ∞ ( μ ) L^\infty(\mu) L ∞ ( μ ) 由所有满足 ∥ f ∥ ∞ < ∞ \|f\|_\infty < \infty ∥ f ∥ ∞ < ∞ 的 f f f 组成。L ∞ ( μ ) L^\infty(\mu) L ∞ ( μ ) 的成员有时被称为 X X X 上的本性有界 可测函数。
根据定义,不等式 ∣ f ( x ) ∣ ≤ λ |f(x)| \le \lambda ∣ f ( x ) ∣ ≤ λ 几乎处处成立当且仅当 λ ≥ ∥ f ∥ ∞ \lambda \ge \|f\|_\infty λ ≥ ∥ f ∥ ∞ 。
(几乎处处有界)
若 p p p 和 q q q 是共轭指数,1 ≤ p ≤ ∞ 1 \le p \le \infty 1 ≤ p ≤ ∞ ,且若 f ∈ L p ( μ ) f \in L^p(\mu) f ∈ L p ( μ ) 且 g ∈ L q ( μ ) g \in L^q(\mu) g ∈ L q ( μ ) ,则 f g ∈ L 1 ( μ ) fg \in L^1(\mu) f g ∈ L 1 ( μ ) ,且
∥ f g ∥ 1 ≤ ∥ f ∥ p ∥ g ∥ q \|fg\|_1 \le \|f\|_p \|g\|_q ∥ f g ∥ 1 ≤ ∥ f ∥ p ∥ g ∥ q
设 1 ≤ p ≤ ∞ 1 \le p \le \infty 1 ≤ p ≤ ∞ ,且 f ∈ L p ( μ ) f \in L^p(\mu) f ∈ L p ( μ ) ,g ∈ L p ( μ ) g \in L^p(\mu) g ∈ L p ( μ ) 。则 f + g ∈ L p ( μ ) f + g \in L^p(\mu) f + g ∈ L p ( μ ) ,且
∥ f + g ∥ p ≤ ∥ f ∥ p + ∥ g ∥ p \|f + g\|_p \le \|f\|_p + \|g\|_p ∥ f + g ∥ p ≤ ∥ f ∥ p + ∥ g ∥ p
首先p ∈ ( 1 , ∞ ) p\in (1,\infty) p ∈ ( 1 , ∞ ) 的情况就是前面那两个不等式,只需证p = 1 , q = ∞ p=1,q=\infty p = 1 , q = ∞ 的情况.
设β = ∥ g ∥ ∞ \beta=\|g\|_\infty β = ∥ g ∥ ∞ ,则对任意ϵ \epsilon ϵ ,存在x < β + ϵ x<\beta+\epsilon x < β + ϵ 使得μ ( g − 1 ( ( x , ∞ ] ) ) = 0 \mu(g^{-1}((x,\infty]))=0 μ ( g − 1 (( x , ∞ ])) = 0 ,于是忽略这些地方的积分就是 ∥ f g ∥ 1 = ∫ X f g = ∫ X − g − 1 ( ( x , ∞ ] ) f g ≤ x ∫ X f < ( β + ϵ ) ∫ X f \Vert fg \Vert_1=\int_X fg=\int_{X-g^{-1}((x,\infty])}fg\le x\int_X f<(\beta+\epsilon)\int_X f ∥ f g ∥ 1 = ∫ X f g = ∫ X − g − 1 (( x , ∞ ]) f g ≤ x ∫ X f < ( β + ϵ ) ∫ X f ,然后对ϵ \epsilon ϵ 取极限.
第二个道理一样吧.
固定 p , 1 ≤ p ≤ ∞ p, 1 \le p \le \infty p , 1 ≤ p ≤ ∞ 。若 f ∈ L p ( μ ) f \in L^p(\mu) f ∈ L p ( μ ) 且 α \alpha α 是复数,显然 α f ∈ L p ( μ ) \alpha f \in L^p(\mu) α f ∈ L p ( μ ) 。事实上,
∥ α f ∥ p = ∣ α ∣ ∥ f ∥ p \|\alpha f\|_p = |\alpha| \|f\|_p ∥ α f ∥ p = ∣ α ∣∥ f ∥ p
结合定理 3.9,这表明 L p ( μ ) L^p(\mu) L p ( μ ) 是一个复向量空间。
而如果你把 ∥ f − g ∥ p \Vert f-g \Vert_p ∥ f − g ∥ p 定义为距离,就得到度量空间.但注意度量空间要求距离是0 0 0 当前仅当f = g f=g f = g ,所以你应该把几乎处处相等的函数看成一个等价类,而L p L^p L p 空间是关于这个等价类的空间.
对于 1 ≤ p ≤ ∞ 1 \le p \le \infty 1 ≤ p ≤ ∞ 和任意正测度 μ \mu μ ,L p ( μ ) L^p(\mu) L p ( μ ) 是完备度量空间。
首先,完备指的是极限在空间里,且∥ f − f n ∥ p \|f-f_n\|_p ∥ f − f n ∥ p 收敛到0 .或者说是在空间里定义的极限而不是外面的逐点极限之类的.
怎么又是我想不到的东西
首先你可以在柯西列中取一个子列a i a_i a i 使得 ∥ f a i − f a i − 1 ∥ p < 1 2 i \Vert f_{a_i}-f_{a_{i-1}} \Vert_p<\dfrac{1}{2^i} ∥ f a i − f a i − 1 ∥ p < 2 i 1
那么令g n = ∑ i = 2 n ∣ f a i − f a i − 1 ∣ g_n=\sum _{i = 2} ^{n} \vert f_{a_i}-f_{a_{i-1}} \vert g n = ∑ i = 2 n ∣ f a i − f a i − 1 ∣ ,那么对每一项来说,都有 ∥ f a i − f a i − 1 ∥ p < 1 2 i \Vert f_{a_i}-f_{a_{i-1}} \Vert_p<\dfrac1{2^i} ∥ f a i − f a i − 1 ∥ p < 2 i 1 ,于是能推出 ∥ g n ∥ ≤ 1 \Vert g_n \Vert \le 1 ∥ g n ∥ ≤ 1 ,显然g n g_n g n 是单增的,设g n g_n g n 的极限是g g g ,由单调收敛知 ∥ g ∥ p ≤ 1 \Vert g \Vert_p \le 1 ∥ g ∥ p ≤ 1 .所以g g g 几乎处处有界,也就是说g n g_n g n 几乎处处收敛.
这样的好处是说明了 f a i − f a i − 1 f_{a_i}-f_{a_{i-1}} f a i − f a i − 1 几乎处处绝对收敛,于是f a i f_{a_i} f a i 就收敛了,设收敛到f f f .
然后我们最后要证明∥ f − f a n ∥ p \|f-f_{a_n}\|_p ∥ f − f a n ∥ p 的,你学的定理都是积分的所以你考虑∫ X ∣ f − f a n ∣ p \int_X \vert f-f_{a_n}\vert^p ∫ X ∣ f − f a n ∣ p ,所以你想交换积分号,然后 ∣ f − f a n ∣ ≤ ∣ f ∣ + ∣ f a n ∣ ≤ 2 ( ∣ f a 1 ∣ + g ) \vert f-f_{a_n} \vert \le \vert f \vert +\vert f_{a_n} \vert \le 2(\vert f_{a_1} \vert +g) ∣ f − f a n ∣ ≤ ∣ f ∣ + ∣ f a n ∣ ≤ 2 ( ∣ f a 1 ∣ + g ) 所以你找到一个控制函数可以用控制收敛定理交换,就证出来了f a n f_{a_n} f a n 在L p L^p L p 下收敛到f f f .
对其他的部分,用柯西转化到f a n f_{a_n} f a n 上是显然的.
上面因为要用交换积分的收敛定理,所以对L ∞ L^\infty L ∞ 不成立
对L ∞ L^\infty L ∞ ,我们仍然用取一个快速收敛的子列,此时∥ f a n − f a n − 1 ∥ ≤ 1 2 n \|f_{a_n}-f_{a_{n-1}}\|\le \dfrac1{2^n} ∥ f a n − f a n − 1 ∥ ≤ 2 n 1 几乎处处,于是∣ f − f a n ∣ ≤ g − g n ≤ 1 2 n \vert f-f_{a_n}\vert\le g-g_n\le \dfrac{1}{2^n} ∣ f − f a n ∣ ≤ g − g n ≤ 2 n 1 几乎处处,于是就能推出子列和f f f 的距离是趋近0 0 0 的,其他的部分转化到子列上是显然的.
若 1 ≤ p ≤ ∞ 1 \le p \le \infty 1 ≤ p ≤ ∞ 且 { f n } \{f_n\} { f n } 是 L p ( μ ) L^p(\mu) L p ( μ ) 中的柯西序列,其极限为 f f f ,则 { f n } \{f_n\} { f n } 有一个子序列几乎处处逐点收敛于 f ( x ) f(x) f ( x ) 。
这就是上一条证明里构造的f a n f_{a_n} f a n .我们已经证明了这件事.
设 S S S 为 X X X 上所有满足
μ ( { x : s ( x ) ≠ 0 } ) < ∞ \mu(\{x: s(x) \neq 0\}) < \infty μ ({ x : s ( x ) = 0 }) < ∞
的复可测简单函数的集合。
若 1 ≤ p < ∞ 1 \le p < \infty 1 ≤ p < ∞ ,则 S S S 在 L p ( μ ) L^p(\mu) L p ( μ ) 中稠密。
复可测函数就先拆成实部虚部再拆成正负.现在考虑正函数.
如果我们就取那个用二进制构造逐点收敛到f f f ,同时非0 0 0 区域越来越大(二进制构造的s n s_n s n 在f < 1 2 n f<\dfrac1{2^n} f < 2 n 1 时为0 0 0 ,所以越来越大).
因为处处s n < f s_n<f s n < f ,所以s n ∈ L p ( μ ) s_n\in L^p(\mu) s n ∈ L p ( μ ) .
要证明
lim n → ∞ ∫ X ∣ f − s n ∣ p = 0 \begin{gathered}
\lim_{n \to \infty} \int_X \vert f-s_n \vert^p=0
\end{gathered} n → ∞ lim ∫ X ∣ f − s n ∣ p = 0
因为 ∣ f − s n ∣ p < ( ∣ f ∣ + ∣ s n ∣ ) p < 2 p ∣ f ∣ p \vert f-s_n \vert^p<(\vert f \vert +\vert s_n \vert)^p<2^p \vert f \vert^p ∣ f − s n ∣ p < ( ∣ f ∣ + ∣ s n ∣ ) p < 2 p ∣ f ∣ p ,有控制函数,且 lim n → ∞ f − s n = 0 \lim_{n \to \infty} f-s_n=0 lim n → ∞ f − s n = 0 ,于是控制收敛定理,交换积分和极限即证.
对于 1 ≤ p < ∞ 1 \le p < \infty 1 ≤ p < ∞ ,C c ( X ) C_c(X) C c ( X ) 在 L p ( μ ) L^p(\mu) L p ( μ ) 中稠密。
(注:此处 X X X 为局部紧 Hausdorff 空间,μ \mu μ 为 Borel 测度,满足定理 2.14 中的性质)。
考虑首先可以用简单函数逼近f ∈ L p f\in L^p f ∈ L p 得到列s n s_n s n .
对s n s_n s n 用Lusin得到g n g_n g n 满足 μ ( { g n ≠ s n } ) < ϵ n \mu(\{ g_n\ne s_n \})<\epsilon_n μ ({ g n = s n }) < ϵ n 且sup ∣ g n ∣ ≤ sup ∣ f n ∣ \sup |g_n|\le \sup |f_n| sup ∣ g n ∣ ≤ sup ∣ f n ∣ ,于是 ∫ X ∣ f − g n ∣ p < ϵ n 2 p ∣ f ∣ p \int_X \vert f-g_n \vert^p<\epsilon_n2^p|f|^p ∫ X ∣ f − g n ∣ p < ϵ n 2 p ∣ f ∣ p .
于是 ∣ f − g n ∣ p < ( 2 ∣ f ∣ ) p |f-g_n|^p<(2|f|)^p ∣ f − g n ∣ p < ( 2∣ f ∣ ) p ,有控制函数,控制收敛即证.
在C c ( R k ) C_c(R^k) C c ( R k ) 上∥ f − g ∥ p \|f-g\|_p ∥ f − g ∥ p 是度量(不需要等价类)
因为勒贝格空间下非空开集测度不为0 0 0 .(至少包含一个小格子).所以如果一点处不为0 0 0 积分一定不为0 0 0 .
于是L p ( R k ) L^p(R^k) L p ( R k ) 是C c ( R k ) C_c(R^k) C c ( R k ) 赋予L p L^p L p 范数的完备化.
局部紧 Hausdorff 空间 X X X 上的复函数 f f f 称为在无穷远处消失 (vanish at infinity),如果对于任意 ϵ > 0 \epsilon > 0 ϵ > 0 ,存在紧集 K ⊂ X K \subset X K ⊂ X 使得对所有 x ∉ K x \notin K x ∈ / K 有 ∣ f ( x ) ∣ < ϵ |f(x)| < \epsilon ∣ f ( x ) ∣ < ϵ 。
X X X 上所有在无穷远处消失的连续函数 f f f 的类称为 C 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) 。
显然 C c ( X ) ⊂ C 0 ( X ) C_c(X) \subset C_0(X) C c ( X ) ⊂ C 0 ( X ) ,且若 X X X 是紧的,则这两个类重合。在这种情况下我们写作 C ( X ) C(X) C ( X ) 。
若 X X X 是局部紧 Hausdorff 空间,则 C 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) 是 C c ( X ) C_c(X) C c ( X ) 相对于由上确界范数
∥ f ∥ = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣ \|f\| = \sup_{x \in X} |f(x)| ∥ f ∥ = sup x ∈ X ∣ f ( x ) ∣
定义的度量的完备化。
首先要证明C 0 ( X ) C_0(X) C 0 ( X ) 是完备的.
你发现这个范数下的柯西列f n f_n f n 一定一致收敛到某个函数f f f .那么从一致收敛可以推连续性.
显然如果你取一个ϵ \epsilon ϵ ,柯西列条件存在一个N N N ,于是能得到n > N ⟹ ∣ f n − f ∣ < ϵ n>N \implies |f_n-f|<\epsilon n > N ⟹ ∣ f n − f ∣ < ϵ ,于是,∀ 2 ϵ \forall 2\epsilon ∀2 ϵ ,因为f n f_n f n 在一个紧集外小于ϵ \epsilon ϵ ,于是这外面∣ f ∣ < 2 ϵ |f|<2\epsilon ∣ f ∣ < 2 ϵ .
于是f ∈ C 0 f\in C_0 f ∈ C 0 ,且从一致收敛容易知道∥ f − f n ∥ → 0 \|f-f_n\| \to 0 ∥ f − f n ∥ → 0
再证明C c C_c C c 稠密.显然任何一个f ∈ C 0 f\in C_0 f ∈ C 0 ,找一个ϵ n → 0 \epsilon_n\to 0 ϵ n → 0 取出一个紧集K K K ,再找一个K ⊂ V K\subset V K ⊂ V 满足V ‾ \overline{V} V 紧,可以找到K ≺ g ≺ V K\prec g\prec V K ≺ g ≺ V ,则f g fg f g 是C c C_c C c 中的函数,这样就能构造出收敛到f f f 的列.
Chapter 4
复向量空间 H H H 被称为内积空间 (inner product space)或酉空间 (unitary space),如果在 H H H 中每一对有序向量 x x x 和 y y y 都对应一个复数 ( x , y ) (x, y) ( x , y ) ,称为 x x x 和 y y y 的内积 (或标量积 ),且满足以下规则:
(a) ( y , x ) = ( x , y ) ‾ (y, x) = \overline{(x, y)} ( y , x ) = ( x , y ) 。(横线表示复共轭)
(b) ( x + y , z ) = ( x , z ) + ( y , z ) (x + y, z) = (x, z) + (y, z) ( x + y , z ) = ( x , z ) + ( y , z ) 对所有 x , y , z ∈ H x, y, z \in H x , y , z ∈ H 成立。
(c) ( α x , y ) = α ( x , y ) (\alpha x, y) = \alpha(x, y) ( α x , y ) = α ( x , y ) 对所有 x , y ∈ H x, y \in H x , y ∈ H 和标量 α \alpha α 成立。
(d) ( x , x ) ≥ 0 (x, x) \ge 0 ( x , x ) ≥ 0 对所有 x ∈ H x \in H x ∈ H 成立。
(e) ( x , x ) = 0 (x, x) = 0 ( x , x ) = 0 当且仅当 x = 0 x = 0 x = 0 。
施瓦茨不等式 (The Schwarz Inequality)
对于 H H H 中的所有 x x x 和 y y y ,有
∣ ( x , y ) ∣ ≤ ∥ x ∥ ∥ y ∥ |(x, y)| \le \|x\| \|y\| ∣ ( x , y ) ∣ ≤ ∥ x ∥∥ y ∥
其中 ∥ x ∥ = ( x , x ) 1 / 2 \|x\| = (x, x)^{1/2} ∥ x ∥ = ( x , x ) 1/2 。
我以前居然不知道这是能证的啊
⟺ ( x , y ) ( y , x ) ≤ ( x , x ) ( y , y ) let z = ( x − r a y ) , a ∈ R , ∣ a ∣ = 1 , r ∈ R , r > 0 ∀ a , r , ( z , z ) > 0 ⟹ ( x , x ) + r a ( y , x ) + r ‾ a ( x , y ) + r 2 ( y , y ) ≥ 0 ⟹ ( y , y ) r 2 + 2 r ( x , y ) + ( x , x ) ≥ r 2 ( y , y ) + r a ( y , x ) + r ‾ a ( x , y ) + ( x , x ) ≥ 0 ⟹ 4 ( x , y ) 2 < 4 ( x , x ) ( y , y ) \begin{gathered}
\iff (x,y)(y,x)\le (x,x)(y,y) \\
\text{let } z=(x-ray),a\in R,|a|=1,r\in R,r>0 \\
\forall a,r,(z,z)>0 \\
\implies (x,x)+ra(y,x)+\overline{r}a(x,y)+r^2(y,y)\ge 0\\
\implies (y,y)r^2+2r(x,y)+(x,x)\ge r^2(y,y)+ra(y,x)+\overline ra(x,y)+(x,x)\ge 0 \\
\implies 4(x,y)^2<4(x,x)(y,y) \\
\end{gathered} ⟺ ( x , y ) ( y , x ) ≤ ( x , x ) ( y , y ) let z = ( x − r a y ) , a ∈ R , ∣ a ∣ = 1 , r ∈ R , r > 0 ∀ a , r , ( z , z ) > 0 ⟹ ( x , x ) + r a ( y , x ) + r a ( x , y ) + r 2 ( y , y ) ≥ 0 ⟹ ( y , y ) r 2 + 2 r ( x , y ) + ( x , x ) ≥ r 2 ( y , y ) + r a ( y , x ) + r a ( x , y ) + ( x , x ) ≥ 0 ⟹ 4 ( x , y ) 2 < 4 ( x , x ) ( y , y )
[think] 我们要用( x , y ) (x,y) ( x , y ) 构造一个负向量触发矛盾,看起来也只能是线性组合?也许这是动机.
Corollary: 对于 H H H 中的 x x x 和 y y y ,有
∥ x + y ∥ ≤ ∥ x ∥ + ∥ y ∥ \|x + y\| \le \|x\| + \|y\| ∥ x + y ∥ ≤ ∥ x ∥ + ∥ y ∥
两边用内积展开用上面的定理即可.
由三角不等式可得 ∥ x − z ∥ ≤ ∥ x − y ∥ + ∥ y − z ∥ \|x - z\| \le \|x - y\| + \|y - z\| ∥ x − z ∥ ≤ ∥ x − y ∥ + ∥ y − z ∥ 。如果我们定义 x x x 和 y y y 之间的距离为 ∥ x − y ∥ \|x - y\| ∥ x − y ∥ ,则满足度量空间的所有公理。
如果这个度量空间是完备的(即每个柯西序列都在 H H H 中收敛),则称 H H H 为希尔伯特空间 (Hilbert space)。
对于 H H H 中任意固定的 y y y ,映射 x → ( x , y ) x \to (x, y) x → ( x , y ) ,x → ( y , x ) x \to (y, x) x → ( y , x ) ,x → ∥ x ∥ x \to \|x\| x → ∥ x ∥ 在 H H H 上是连续函数。
这里用对点定义的连续显然更好证:
∣ ( x 1 , y ) − ( x 2 , y ) ∣ = ∣ ( x 1 − x 2 , y ) ∣ < ∥ x 1 − x 2 ∥ ∥ y ∥ \begin{gathered}
|(x_1,y)-(x_2,y)|=|(x_1-x_2,y)|<\|x_1-x_2\|\|y\|
\end{gathered} ∣ ( x 1 , y ) − ( x 2 , y ) ∣ = ∣ ( x 1 − x 2 , y ) ∣ < ∥ x 1 − x 2 ∥∥ y ∥
所以一致连续,显然也连续.x → ( y , x ) x\to (y,x) x → ( y , x ) 同理.
∣ ∥ x 1 ∥ − ∥ x 2 ∥ ∣ < ∥ x 1 − x 2 ∥ \begin{gathered}
|\|x_1\|-\|x_2\||<\|x_1-x_2\|
\end{gathered} ∣∥ x 1 ∥ − ∥ x 2 ∥∣ < ∥ x 1 − x 2 ∥
是三角不等式啊.所以也一致连续.
子空间 (Subspaces)
向量空间 V V V 的子集 M M M 称为 V V V 的子空间 ,如果 M M M 本身相对于 V V V 中定义的加法和标量乘法构成一个向量空间。V V V 的子集 M M M 成为子空间的充要条件是:只要 x , y ∈ M x, y \in M x , y ∈ M 且 α \alpha α 是标量,就有 x + y ∈ M x + y \in M x + y ∈ M 和 α x ∈ M \alpha x \in M α x ∈ M 。
H H H 的闭子空间 是指相对于 H H H 的度量诱导的拓扑而言是闭集的子空间。
凸集 (Convex Sets)
向量空间 V V V 中的集合 E E E 称为凸集 ,如果它具有以下几何性质:只要 x ∈ E , y ∈ E x \in E, y \in E x ∈ E , y ∈ E ,且 0 < t < 1 0 < t < 1 0 < t < 1 ,则点 z t = ( 1 − t ) x + t y z_t = (1 - t)x + ty z t = ( 1 − t ) x + t y 也属于 E E E 。
注:每个子空间都是凸集;如果 E E E 是凸集,其平移也是凸集。
就是包含任意两点连线.
如果对于 H H H 中的 x x x 和 y y y 有 ( x , y ) = 0 (x, y) = 0 ( x , y ) = 0 ,我们称 x x x 与 y y y 正交 (orthogonal),记为 x ⊥ y x \perp y x ⊥ y 。
令 x ⊥ x^\perp x ⊥ 表示 H H H 中所有与 x x x 正交的 y y y 的集合;如果 M M M 是 H H H 的子空间,令 M ⊥ M^\perp M ⊥ 表示 H H H 中所有与 M M M 中每个 x x x 都正交的 y y y 的集合。
注:x ⊥ x^\perp x ⊥ 和 M ⊥ M^\perp M ⊥ 都是 H H H 的闭子空间。
4.10 定理 (Theorem)
希尔伯特空间 H H H 中的每个非空闭凸集 E E E 都包含唯一的范数最小的元素。
首先显然唯一,因为如果x , y x,y x , y 都是范数最小的元素且x ≠ y x\ne y x = y ,则x , y x,y x , y 不共线,那么:
let m = x + y 2 ∥ x ∥ = ∥ y ∥ ⟹ ( m , m ) = 1 4 ( ( x , x ) + ( y , y ) + ( x , y ) + ( y , x ) ) ≤ 1 4 ( ( x , x ) + ( y , y ) + 2 ( x , x ) ) ⟹ ∥ m ∥ < ∥ x ∥ \begin{gathered}
\text{let } m=\dfrac{x+y}{2} \\
\|x\|=\|y\| \implies
(m,m)=\dfrac{1}{4} ((x,x)+(y,y)+(x,y)+(y,x)) \\
\le \dfrac{1}{4} ((x,x)+(y,y)+2(x,x)) \\
\implies \|m\|<\|x\|
\end{gathered} let m = 2 x + y ∥ x ∥ = ∥ y ∥ ⟹ ( m , m ) = 4 1 (( x , x ) + ( y , y ) + ( x , y ) + ( y , x )) ≤ 4 1 (( x , x ) + ( y , y ) + 2 ( x , x )) ⟹ ∥ m ∥ < ∥ x ∥
那有没有可能不存在呢?那只能是取不到下确界,但是因为范数是连续函数,所以取范数收敛到下确界的点列一定有子列收敛到某个点x x x 使得∥ x ∥ \|x\| ∥ x ∥ 为最小范数.一定能取到.
设 M M M 是希尔伯特空间 H H H 的闭子空间。
(a) 每个 x ∈ H x \in H x ∈ H 都有唯一的分解 x = P x + Q x x = Px + Qx x = P x + Q x ,其中 P x ∈ M Px \in M P x ∈ M 且 Q x ∈ M ⊥ Qx \in M^\perp Q x ∈ M ⊥ .
(b) P x Px P x 和 Q x Qx Q x 分别是 M M M 和 M ⊥ M^\perp M ⊥ 中距离 x x x 最近的点.
(c) 映射 P : H → M P: H \to M P : H → M 和 Q : H → M ⊥ Q: H \to M^\perp Q : H → M ⊥ 是线性的.
(d) ∥ x ∥ 2 = ∥ P x ∥ 2 + ∥ Q x ∥ 2 \|x\|^2 = \|Px\|^2 + \|Qx\|^2 ∥ x ∥ 2 = ∥ P x ∥ 2 + ∥ Q x ∥ 2 .
分解是唯一的:若x = P 1 x + Q 1 x = P 2 x + Q 2 x x=P_1x+Q_1x=P_2x+Q_2x x = P 1 x + Q 1 x = P 2 x + Q 2 x ,则P 1 x − P 2 x = Q 2 x − Q 1 x P_1x-P_2x=Q_2x-Q_1x P 1 x − P 2 x = Q 2 x − Q 1 x ,左边是M M M 的右边是M ⊥ M^\perp M ⊥ 的,只能分别为0 0 0 .
定义P x = arg min y ∈ M ∥ x − y ∥ , Q x = x − P x Px=\argmin_{y\in M} \|x-y\|,Qx=x-Px P x = arg min y ∈ M ∥ x − y ∥ , Q x = x − P x .
∀ m ∈ M , ∥ m ∥ = 1 \forall m\in M,\|m\|=1 ∀ m ∈ M , ∥ m ∥ = 1 ,必然有∥ P x + r m − x ∥ ≤ ∥ P x − x ∥ \|Px+rm-x\|\le \|Px-x\| ∥ P x + r m − x ∥ ≤ ∥ P x − x ∥ ,则
( P x + r m − x , P x + r m − x ) = ( P x − x , P x − x ) + r ( m , P x − x ) + r ( m , P x − x ) ‾ + r 2 ≥ ( P x − x , P x − x ) ⟹ r ( r + ( m , P x − x ) + ( m , P x − x ) ‾ ) > 0 \begin{gathered}
(Px+rm-x,Px+rm-x) \\
=(Px-x,Px-x)+r(m,Px-x)+\overline{r(m,Px-x)}+r^2 \\
\ge (Px-x,Px-x) \\
\implies r(r+(m,Px-x)+\overline{(m,Px-x)})>0
\end{gathered} ( P x + r m − x , P x + r m − x ) = ( P x − x , P x − x ) + r ( m , P x − x ) + r ( m , P x − x ) + r 2 ≥ ( P x − x , P x − x ) ⟹ r ( r + ( m , P x − x ) + ( m , P x − x ) ) > 0
但显然如哦( m , P x − x ) = A ≠ 0 (m,Px-x)=A\ne 0 ( m , P x − x ) = A = 0 ,则r ( r + 2 A ) r(r+2A) r ( r + 2 A ) 可以为负,矛盾.所以一定有( m , P x − x ) = 0 (m,Px-x)=0 ( m , P x − x ) = 0 ,于是Q ∈ M ⊥ Q\in M^\perp Q ∈ M ⊥ ,(a)得证.
我们已经证明了P x Px P x 是M M M 中最近的,那么只要把P P P 和Q Q Q 反过来就得到一个新的分解其中Q x Qx Q x 是最近的,而因为唯一性两个分解相同.于是(b)得证.
(c):考虑x = P x + Q x , y = P y + Q y x=Px+Qx,y=Py+Qy x = P x + Q x , y = P y + Q y ,则a x + b y ax+by a x + b y 显然就是a P x + b P y + a Q x + b Q y aPx+bPy+aQx+bQy a P x + b P y + a Q x + b Q y ,于是线性是显然的.
(d)是显然的.
推论 (Corollary)
如果 M ≠ H M \neq H M = H ,则存在 y ∈ H , y ≠ 0 y \in H, y \neq 0 y ∈ H , y = 0 使得 y ⊥ M y \perp M y ⊥ M 。
(P P P 和 Q Q Q 称为 H H H 到 M M M 和 M ⊥ M^\perp M ⊥ 上的正交投影 )。
如果 L L L 是 H H H 上的连续线性泛函,则存在唯一的 y ∈ H y \in H y ∈ H 使得
L x = ( x , y ) ( x ∈ H ) Lx = (x, y) \quad (x \in H) Lx = ( x , y ) ( x ∈ H )
如果L = 0 L=0 L = 0 令y = 0 y=0 y = 0 .
考虑 N = { x ∣ L x = 0 } N=\{ x|Lx=0 \} N = { x ∣ Lx = 0 } ,你发现只需要证dim V / N = 1 \dim V/N=1 dim V / N = 1 .但这里不能用维数因为可能是无穷维.因为连续,所以N N N 是闭集,外面是开集一定
那么考虑任取z ∈ N ⊥ , ∀ x , let u = ( L x ) z − ( L z ) x z\in N^\perp,\forall x,\text{let }u=(Lx)z-(Lz)x z ∈ N ⊥ , ∀ x , let u = ( Lx ) z − ( L z ) x ,则显然L u = 0 Lu=0 Lu = 0 ,于是( u , z ) = 0 (u,z)=0 ( u , z ) = 0 ,于是L x = ( L x ) ( z , z ) = ( L z ) ( x , z ) Lx=(Lx)(z,z)=(Lz)(x,z) Lx = ( Lx ) ( z , z ) = ( L z ) ( x , z ) .所以只要取y = L z ‾ z y=\overline{Lz}z y = L z z 即可.
[think] 为什么有这么神秘的u u u ?需要你换一个视角,考虑x − L x L z z x-\dfrac{Lx}{Lz}z x − L z Lx z ,如果我们把L L L 看成某种方向的分量,那么L x L z z \dfrac{Lx}{Lz}z L z Lx z 就是一个投影,从而u u u 是另一边的投影.
线性组合 :形如 c 1 x 1 + ⋯ + c k x k c_1 x_1 + \dots + c_k x_k c 1 x 1 + ⋯ + c k x k 的向量。
独立集 :集合 S S S 是独立的,如果 S S S 的每个有限子集都是线性无关的。
张成空间 [ S ] [S] [ S ] :S S S 的所有有限线性组合的集合(即包含 S S S 的最小子空间)。
正交归一集 :希尔伯特空间 H H H 中的一组向量 u α u_\alpha u α (其中 α \alpha α 属于索引集 A A A )称为正交归一集 (orthonormal set),如果对于所有 α ≠ β \alpha \neq \beta α = β 有 ( u α , u β ) = 0 (u_\alpha, u_\beta) = 0 ( u α , u β ) = 0 ,且对于每个 α \alpha α 有 ∥ u α ∥ = 1 \|u_\alpha\| = 1 ∥ u α ∥ = 1 。
傅里叶系数 :如果 { u α : α ∈ A } \{u_\alpha: \alpha \in A\} { u α : α ∈ A } 是正交归一集,我们将每个 x ∈ H x \in H x ∈ H 与定义在索引集 A A A 上的复函数 x ^ \hat{x} x ^ 关联起来,定义为
x ^ ( α ) = ( x , u α ) ( α ∈ A ) \hat{x}(\alpha) = (x, u_\alpha) \quad (\alpha \in A) x ^ ( α ) = ( x , u α ) ( α ∈ A )
假设 { u α : α ∈ A } \{u_\alpha: \alpha \in A\} { u α : α ∈ A } 是 H H H 中的正交归一集,且 F F F 是 A A A 的有限子集。设 M F M_F M F 为 { u α : α ∈ F } \{u_\alpha: \alpha \in F\} { u α : α ∈ F } 张成的空间。
(a)如果 φ \varphi φ 是 A A A 上的复函数且在 F F F 之外为 0,则存在向量 y = ∑ α ∈ F φ ( α ) u α ∈ M F y = \sum_{\alpha \in F} \varphi(\alpha)u_\alpha \in M_F y = ∑ α ∈ F φ ( α ) u α ∈ M F ,使得 y ^ ( α ) = φ ( α ) \hat{y}(\alpha) = \varphi(\alpha) y ^ ( α ) = φ ( α ) 对所有 α ∈ A \alpha \in A α ∈ A 成立。此外,
∥ y ∥ 2 = ∑ α ∈ F ∣ φ ( α ) ∣ 2 \|y\|^2 = \sum_{\alpha \in F} |\varphi(\alpha)|^2 ∥ y ∥ 2 = ∑ α ∈ F ∣ φ ( α ) ∣ 2
(b)如果 x ∈ H x \in H x ∈ H 且 s F ( x ) = ∑ α ∈ F x ^ ( α ) u α s_F(x) = \sum_{\alpha \in F} \hat{x}(\alpha)u_\alpha s F ( x ) = ∑ α ∈ F x ^ ( α ) u α ,则
∥ x − s F ( x ) ∥ < ∥ x − s ∥ \|x - s_F(x)\| < \|x - s\| ∥ x − s F ( x ) ∥ < ∥ x − s ∥
对于 M F M_F M F 中除 s = s F ( x ) s = s_F(x) s = s F ( x ) 以外的所有 s s s 成立,并且
∑ α ∈ F ∣ x ^ ( α ) ∣ 2 ≤ ∥ x ∥ 2 \sum_{\alpha \in F} |\hat{x}(\alpha)|^2 \le \|x\|^2 ∑ α ∈ F ∣ x ^ ( α ) ∣ 2 ≤ ∥ x ∥ 2
4.15 符号说明 (Notation)
假设对每个 α ∈ A \alpha \in A α ∈ A 有 0 ≤ φ ( α ) ≤ ∞ 0 \le \varphi(\alpha) \le \infty 0 ≤ φ ( α ) ≤ ∞ 。符号 ∑ α ∈ A φ ( α ) \sum_{\alpha \in A} \varphi(\alpha) ∑ α ∈ A φ ( α ) 表示集合中所有有限和 φ ( α 1 ) + ⋯ + φ ( α n ) \varphi(\alpha_1) + \dots + \varphi(\alpha_n) φ ( α 1 ) + ⋯ + φ ( α n ) 的最小上界(即 φ \varphi φ 关于 A A A 上计数测度的勒贝格积分)。L 2 ( μ ) L^2(\mu) L 2 ( μ ) 在此语境下通常写作 ℓ 2 ( A ) \ell^2(A) ℓ 2 ( A ) 。
4.16 引理 (Lemma)
假设
(a) X X X and Y Y Y 是度量空间,X X X 是完备的,
(b) f : X → Y f: X \to Y f : X → Y 是连续的,
(c) X X X 有一个稠密子集 X 0 X_0 X 0 ,且 f f f 在其上是等距映射,
(d) f ( X 0 ) f(X_0) f ( X 0 ) 在 Y Y Y 中稠密。
那么 f f f 是 X X X 到 Y Y Y 上的等距映射。
4.17 定理 (Theorem)
设 { u α : α ∈ A } \{u_\alpha: \alpha \in A\} { u α : α ∈ A } 是 H H H 中的正交归一集,P P P 是向量 u α u_\alpha u α 的所有有限线性组合构成的空间。
不等式
∑ α ∈ A ∣ x ^ ( α ) ∣ 2 ≤ ∥ x ∥ 2 \sum_{\alpha \in A} |\hat{x}(\alpha)|^2 \le \|x\|^2 ∑ α ∈ A ∣ x ^ ( α ) ∣ 2 ≤ ∥ x ∥ 2
对所有 x ∈ H x \in H x ∈ H 成立(贝塞尔不等式 Bessel inequality),并且映射 x → x ^ x \to \hat{x} x → x ^ 是 H H H 到 ℓ 2 ( A ) \ell^2(A) ℓ 2 ( A ) 上的连续线性映射,其在 P P P 的闭包 P ˉ \bar{P} P ˉ 上的限制是 P ˉ \bar{P} P ˉ 到 ℓ 2 ( A ) \ell^2(A) ℓ 2 ( A ) 上的等距映射。(此即 里斯-费舍尔定理 Riesz-Fischer theorem)。
4.18 定理 (Theorem)
设 { u α : α ∈ A } \{u_\alpha: \alpha \in A\} { u α : α ∈ A } 是 H H H 中的正交归一集。关于 { u α } \{u_\alpha\} { u α } 的以下四个条件中,每一个都蕴含其他三个:
(i) { u α } \{u_\alpha\} { u α } 是 H H H 中的极大 正交归一集。
(ii) 集合 P P P (所有有限线性组合)在 H H H 中稠密。
(iii) 对每个 x ∈ H x \in H x ∈ H ,有
∑ α ∈ A ∣ x ^ ( α ) ∣ 2 = ∥ x ∥ 2 \sum_{\alpha \in A} |\hat{x}(\alpha)|^2 = \|x\|^2 ∑ α ∈ A ∣ x ^ ( α ) ∣ 2 = ∥ x ∥ 2
(iv) 对所有 x , y ∈ H x, y \in H x , y ∈ H ,有
∑ α ∈ A x ^ ( α ) y ^ ( α ) ‾ = ( x , y ) \sum_{\alpha \in A} \hat{x}(\alpha)\overline{\hat{y}(\alpha)} = (x, y) ∑ α ∈ A x ^ ( α ) y ^ ( α ) = ( x , y )
(最后这个公式称为 帕塞瓦尔恒等式 Parseval's identity。极大正交归一集常被称为完备正交归一集 或正交归一基 )。
4.19 同构 (Isomorphisms)
两个希尔伯特空间 H 1 H_1 H 1 和 H 2 H_2 H 2 称为同构的 (isomorphic),如果存在一个 H 1 H_1 H 1 到 H 2 H_2 H 2 上的双射线性映射 Λ \Lambda Λ ,且保持内积不变:( Λ x , Λ y ) = ( x , y ) (\Lambda x, \Lambda y) = (x, y) ( Λ x , Λ y ) = ( x , y ) 。
如果 { u α : α ∈ A } \{u_\alpha: \alpha \in A\} { u α : α ∈ A } 是希尔伯特空间 H H H 中的极大正交归一集,且定义 x ^ ( α ) = ( x , u α ) \hat{x}(\alpha) = (x, u_\alpha) x ^ ( α ) = ( x , u α ) ,则映射 x → x ^ x \to \hat{x} x → x ^ 是 H H H 到 ℓ 2 ( A ) \ell^2(A) ℓ 2 ( A ) 上的希尔伯特空间同构。
4.20 偏序集 (Partially Ordered Sets)
集合 P \mathscr{P} P 称为由二元关系 ≤ \le ≤ 构成的偏序集 ,如果满足:
(a) a ≤ b a \le b a ≤ b 且 b ≤ c b \le c b ≤ c 蕴含 a ≤ c a \le c a ≤ c 。
(b) 对所有 α ∈ P \alpha \in \mathscr{P} α ∈ P ,α ≤ α \alpha \le \alpha α ≤ α 。
(c) a ≤ b a \le b a ≤ b 且 b ≤ a b \le a b ≤ a 蕴含 a = b a = b a = b 。
子集 2 \mathscr{2} 2 称为全序集 (或线性序集),如果 2 \mathscr{2} 2 中任意一对元素 a , b a, b a , b 都满足 a ≤ b a \le b a ≤ b 或 b ≤ a b \le a b ≤ a 。
4.21 豪斯多夫极大性定理 (The Hausdorff Maximality Theorem)
每个非空偏序集都包含一个极大的全序子集。
4.22 定理 (Theorem)
希尔伯特空间 H H H 中的每个正交归一集 B B B 都包含在 H H H 的某个极大正交归一集中。
4.23 定义 (Definitions)
设 T T T 为复平面上的单位圆。如果 f f f 是 T T T 上的函数,且在 R 1 R^1 R 1 上定义为 f ( t ) = F ( e i t ) f(t) = F(e^{it}) f ( t ) = F ( e i t ) ,则 f f f 是周期为 2 π 2\pi 2 π 的周期函数。
L p ( T ) L^p(T) L p ( T ) (1 ≤ p < ∞ 1 \le p < \infty 1 ≤ p < ∞ ) 是 R 1 R^1 R 1 上所有复值、勒贝格可测、周期为 2 π 2\pi 2 π 的函数的类,其范数定义为
∥ f ∥ p = { 1 2 π ∫ − π π ∣ f ( t ) ∣ p d t } 1 / p \|f\|_p = \left\{ \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi |f(t)|^p dt \right\}^{1/p} ∥ f ∥ p = { 2 π 1 ∫ − π π ∣ f ( t ) ∣ p d t } 1/ p
L ∞ ( T ) L^\infty(T) L ∞ ( T ) 是 L ∞ ( R 1 ) L^\infty(R^1) L ∞ ( R 1 ) 中所有 2 π 2\pi 2 π 周期函数的类,C ( T ) C(T) C ( T ) 是 T T T 上所有连续复函数的类。
三角多项式 是形如 f ( t ) = ∑ n = − N N c n e i n t f(t) = \sum_{n=-N}^N c_n e^{int} f ( t ) = ∑ n = − N N c n e in t 的有限和。
4.24 三角系统的完备性 (The Completeness of the Trigonometric System)
令 Z \mathbb{Z} Z 为所有整数的集合,且令 u n ( t ) = e i n t ( n ∈ Z ) u_n(t) = e^{int} (n \in \mathbb{Z}) u n ( t ) = e in t ( n ∈ Z ) 。
如果在 L 2 ( T ) L^2(T) L 2 ( T ) 中定义内积为 ( f , g ) = 1 2 π ∫ − π π f ( t ) g ( t ) ‾ d t (f, g) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)\overline{g(t)} dt ( f , g ) = 2 π 1 ∫ − π π f ( t ) g ( t ) d t ,则 { u n : n ∈ Z } \{u_n : n \in \mathbb{Z}\} { u n : n ∈ Z } 是 L 2 ( T ) L^2(T) L 2 ( T ) 中的正交归一集,通常称为三角系统 。该系统是极大的。
4.25 定理 (Theorem)
如果 f ∈ C ( T ) f \in C(T) f ∈ C ( T ) 且 ϵ > 0 \epsilon > 0 ϵ > 0 ,则存在一个三角多项式 P P P 使得
∣ f ( t ) − P ( t ) ∣ < ϵ |f(t) - P(t)| < \epsilon ∣ f ( t ) − P ( t ) ∣ < ϵ
对于所有实数 t t t 成立。
4.26 傅里叶级数 (Fourier Series)
对于任意 f ∈ L 1 ( T ) f \in L^1(T) f ∈ L 1 ( T ) ,我们通过以下公式定义 f f f 的傅里叶系数 :
f ^ ( n ) = 1 2 π ∫ − π π f ( t ) e − i n t d t ( n ∈ Z ) \hat{f}(n) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)e^{-int} dt \quad (n \in \mathbb{Z}) f ^ ( n ) = 2 π 1 ∫ − π π f ( t ) e − in t d t ( n ∈ Z )
f f f 的傅里叶级数 为 ∑ − ∞ ∞ f ^ ( n ) e i n t \sum_{-\infty}^\infty \hat{f}(n)e^{int} ∑ − ∞ ∞ f ^ ( n ) e in t ,其部分和为 s N ( t ) = ∑ − N N f ^ ( n ) e i n t s_N(t) = \sum_{-N}^N \hat{f}(n)e^{int} s N ( t ) = ∑ − N N f ^ ( n ) e in t 。
在此具体背景下重述定理 4.17 和 4.18:
里斯-费舍尔定理 (Riesz-Fischer theorem):如果 { c n } \{c_n\} { c n } 是复数序列且 ∑ n = − ∞ ∞ ∣ c n ∣ 2 < ∞ \sum_{n=-\infty}^\infty |c_n|^2 < \infty ∑ n = − ∞ ∞ ∣ c n ∣ 2 < ∞ ,则存在 f ∈ L 2 ( T ) f \in L^2(T) f ∈ L 2 ( T ) 使得 c n = 1 2 π ∫ − π π f ( t ) e − i n t d t c_n = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)e^{-int} dt c n = 2 π 1 ∫ − π π f ( t ) e − in t d t 。
帕塞瓦尔定理 (Parseval theorem):
∑ n = − ∞ ∞ f ^ ( n ) g ^ ( n ) ‾ = 1 2 π ∫ − π π f ( t ) g ( t ) ‾ d t \sum_{n=-\infty}^\infty \hat{f}(n)\overline{\hat{g}(n)} = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)\overline{g(t)} dt ∑ n = − ∞ ∞ f ^ ( n ) g ^ ( n ) = 2 π 1 ∫ − π π f ( t ) g ( t ) d t
只要 f ∈ L 2 ( T ) f \in L^2(T) f ∈ L 2 ( T ) 且 g ∈ L 2 ( T ) g \in L^2(T) g ∈ L 2 ( T ) ;(6) 左边的级数绝对收敛;且如果 s N s_N s N 如上定义,则 lim N → ∞ ∥ f − s N ∥ 2 = 0 \lim_{N \to \infty} \|f - s_N\|_2 = 0 lim N → ∞ ∥ f − s N ∥ 2 = 0 。