2025-12-08

Real And Complex Analysis

Real And Complex Analysis

Chapter 1 Abstract Integral

Basic Definitions

需要注意的是f1(A)=Bf^{-1}(A)=B意思是f(B)=Af(B)=A,{xf(x)B}=A\{ x \vert f(x)\in B \} =A

XX上的一个拓扑就是XX的幂集族的子集(XX的子集族)τ\tau满足

  • τ,Xτ\varnothing\in \tau,X\in \tau
  • XX中元素的任意有限交和无限并仍属于XX

定义了τ\tauXX是拓扑空间,τ\tau中元素为开集

f:XYf:X\to 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)满足

  • 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)=0    x=yd(x,y)=0 \iff x=y
  • d(x,y)[0,+)d(x,y)\in [0,+\infty)

B(x,r)={yd(x,y)<r}B(x,r)=\{ y \vert 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x0x_0,任意f(x0)f(x_0)的邻域VV存在x0x_0的邻域UU使得f(U)Vf(U)\subseteq V

左推右是容易的:f1(V)f^{-1}(V)一定是包含x0x_0的开集.

右推左考虑对开像集VV内的每个点xx找到了一个开邻域NxVN_x\in V,再找到f(Ux)Nxf(U_x)\subset N_x,则把所有的UxU_x并起来就是f1(V)f^{-1}(V)且是开集.

σ-algebra\sigma \text{-algebra}

XX的子集族mm满足

  • XmX\in m
  • Sm    SCmS\in m \implies S^C \in m
  • mm中元素任意可数交(并)在mm

定义了σ\sigma-algebra的集合XX为测度空间,mm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

  1. YYZZ 是拓扑空间,g:YZg: Y \to Z 连续。

    • (a) 若 XX 是拓扑空间,f:XYf: X \to Y 连续,则 h=gf:XZh = g \circ f: X \to Z 连续。
    • (b) 若 XX 是可测空间,f:XYf: X \to Y 可测,则 h=gf:XZh = g \circ f: X \to Z 可测。
  2. uuvv 是可测空间 XX 上的实可测函数,Φ\Phi 是平面到拓扑空间 YY 的连续映射,定义 h(x)=Φ(u(x),v(x))h(x) = \Phi(u(x), v(x))。则 h:XYh: X \to Y 是可测的。

  3. XX 是可测空间。

    • (a) 若 f=u+ivf = u + iv,其中 u,vu, v 是实可测函数,则 ff 是复可测函数。
    • (b) 若 f=u+ivf = u + iv 是复可测函数,则 u,vu, vf|f| 都是实可测函数。
    • (c) 若 f,gf, g 是复可测函数,则 f+gf+gfgfg 也是。
    • (d) 若 EE 是可测集,则特征函数 χE\chi_E 是可测函数。
    • (e) 若 ff 是复可测函数,则存在复可测函数 α\alpha 使得 α=1|\alpha|=1f=αff = \alpha |f|
  4. F\mathscr{F}XX 的任意子集族,则存在包含 F\mathscr{F} 的最小 σ\sigma-代数 M\mathfrak{M}^*。这称为由 F\mathscr{F} 生成的 σ\sigma-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))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]的原像是u1([a,b])v1([c,d])u^{-1}([a,b])\cap v^{-1}([c,d])是开集,于是h=Φ(f)h=\Phi(f)可测

第三条应用第二条的结论:

  • (a)是Φ(a,b)=a+bi\Phi(a,b)=a+bi
  • (b)是因为(z),(z),z\Re(z),\Im(z),\vert z\vert是连续函数(欧氏空间?)
  • (c)是Φ(a,b)=a+b,Φ(a,b)=ab\Phi(a,b)=a+b,\Phi(a,b)=ab
  • (d)直接用定义
  • (e)考虑ff=α\dfrac{f}{\vert f\vert}=\alpha,然后用1.和2.

第四条考虑取所有包含F\mathscr{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)

XX 是拓扑空间。由 XX 中所有开集生成的最小 σ\sigma-代数 B\mathscr{B} 中的元素称为 XX 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。
  • FσF_\sigma 集(闭集的可数并)和 GδG_\delta 集(开集的可数交)是 Borel 集。
  • 任何连续映射都是 Borel 可测的(Borel mapping)。
  • 显然
  • 显然
  • 显然

M\mathfrak{M}XX 上的 σ\sigma-代数,YY 是拓扑空间,ff 映射 XXYY

  • (a) 若 Ω={EY:f1(E)M}\Omega = \{E \subset Y: f^{-1}(E) \in \mathfrak{M}\},则 Ω\OmegaYY 上的 σ\sigma-代数。
  • (b) 若 ff 可测且 EEYY 中的 Borel 集,则 f1(E)Mf^{-1}(E) \in \mathfrak{M}
  • (c) 若 Y=[,]Y = [-\infty, \infty] 且对每个实数 α\alpha 都有 f1((α,])Mf^{-1}((\alpha, \infty]) \in \mathfrak{M},则 ff 可测。
  • (d) 若 ff 可测,ZZ 是拓扑空间,g:YZg: Y \to Z 是 Borel 映射,且 h=gfh = g \circ f,则 hh 可测。

(a)在说XX的sigma-algebra自然的引出了YY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EE是开集的时候定义显然,然后就得到Fσ,GδF_\sigma,G_\delta,然后Fσ,δF_{\sigma,\delta}Gδ,σG_{\delta,\sigma}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,则Ω\Omega包含EE中的所有开集(因为ff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包含所有Borel集,结束.

(c)是因为你可以由(a,](a,\infty]通过可数交得到[a,][a,\infty]然后[,a)[-\infty,a),于是可以得到任何(a,b)(a,b),就说明所有开集都成立.

(d)显然

上极限与下极限

{an}\{a_n\} 是扩展实数序列。

bk=sup{ak,ak+1,}b_k = \sup \{a_k, a_{k+1}, \dots\}β=inf{b1,b2,}\beta = \inf \{b_1, b_2, \dots\}β\beta 称为 {an}\{a_n\} 的上极限 (upper limit),记为 lim supnan\limsup_{n \to \infty} a_n

类似地定义下极限 (lower limit):lim infnan=lim supn(an)\liminf_{n \to \infty} a_n = -\limsup_{n \to \infty} (-a_n)

对于函数序列 {fn}\{f_n\}supfn\sup f_nlim supfn\limsup f_n 定义为逐点进行。 若 limnfn(x)\lim_{n \to \infty} f_n(x) 在每点存在,则称 ff 为序列 {fn}\{f_n\} 的逐点极限。

fn:X[,]f_n: X \to [-\infty, \infty] 可测 (n=1,2,n=1, 2, \dots),且 g=supn1fng = \sup_{n \ge 1} f_nh=lim supnfnh = \limsup_{n \to \infty} f_n,则 gghh 也是可测的。

由上一条,只要证明对所有的(a,+](a,+\infty]满足原像可测.

gg,g(x)>a    k,fk(x)>ag(x)>a \iff \exists k,f_k(x)>a,于是g1((a,+])=ifk1((a,+])g^{-1}((a,+\infty])=\cup_i f_k^{-1}((a,+\infty])可测.

h(x)=infisupj>ifj(x)h(x)=\inf_i \sup_{j>i} f_j(x),于是你用两次gg的结论即可.

Integral

简单函数

若复函数 ss 的值域仅包含有限个点,则称 ss 为简单函数 (simple function)。 形式为 s=i=1nαiχAis = \sum_{i=1}^n \alpha_i \chi_{A_i}

ss 可测当且仅当每个 AiA_i 可测。

显然

f:X[0,]f: X \to [0, \infty] 可测。存在可测简单函数序列 sns_n 使得:

  • (a) 0s1s2f0 \le s_1 \le s_2 \le \dots \le f
  • (b) 对每个 xXx \in Xsn(x)f(x)s_n(x) \to f(x) (nn \to \infty)。

考虑把值域按照2i2^{-i}分成若干段Ii,k=[k2i,(k+1)2i),k22iI_{i,k}=[k2^{-i},(k+1)2^{-i}),k\le 2^{2i}.然后让 fn(x)=i s.t. f(x)In,if_n(x)=i \ s.t.\ f(x)\in I_{n,i},不存在就是00.

测度

  • (a) 正测度 (positive measure) 是定义在 σ\sigma-代数 M\mathfrak{M} 上的函数 μ\mu,取值于 [0,][0, \infty],且具有可数可加性 (countably additive):对于互不相交的可测集族 {Ai}\{A_i\},有 μ(Ai)=μ(Ai)\mu(\bigcup A_i) = \sum \mu(A_i)。且假设至少有一个 AA 使 μ(A)<\mu(A) < \infty
  • (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-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

μ\muσ\sigma-代数 M\mathfrak{M} 上的正测度。则:

  • (a) μ()=0\mu(\varnothing) = 0
  • (b) μ(A1An)=μ(A1)++μ(An)\mu(A_1 \cup \dots \cup A_n) = \mu(A_1) + \dots + \mu(A_n)AiA_i 互不相交(有限可加性)。
  • (c) AB    μ(A)μ(B)A \subset B \implies \mu(A) \le \mu(B)(单调性)。
  • (d) 若 AnM,AnAn+1A_n \in \mathfrak{M}, A_n \subset A_{n+1}A=AnA = \bigcup A_n,则 μ(An)μ(A)\mu(A_n) \to \mu(A)
  • (e) 若 AnM,AnAn+1A_n \in \mathfrak{M}, A_n \supset A_{n+1}μ(A1)\mu(A_1) 有限,则 μ(An)μ(An)\mu(A_n) \to \mu(\bigcap A_n)

显然,显然(取后面的全是空),显然

对(d),考虑A=(An+1An)A=\sum (A_{n+1}-A_n),于是μ(A)=μ(An+1An)\mu(A)=\sum \mu(A_{n+1}-A_n),级数收敛显然部分和趋向μ(A)\mu(A).

对(e),考虑把AiA_i当全集然后对AkA_k的补集们用(d),要求μ(A1)\mu(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,A1=NA_1=N,然后 An=An1{n1}A_n=A_{n-1}-\{ n-1 \})

我们把RR扩充出+,+\infty,-\infty.

无穷有一些未定义行为.但定义0=00\cdot \infty=0

正函数的勒贝格积分

s:X[0,)s: X \to [0, \infty) 是可测简单函数,s=i=1nαiχAis = \sum_{i=1}^n \alpha_i \chi_{A_i},定义 Esdμ=i=1nαiμ(AiE)\int_E s d\mu = \sum_{i=1}^n \alpha_i \mu(A_i \cap E)

f:X[0,]f: X \to [0, \infty] 可测,定义 Efdμ=supEsdμ\int_E f d\mu = \sup \int_E s d\mu,上确界取遍所有满足 0sf0 \le s \le f 的可测简单函数 ss

这称为 ff 关于测度 μ\muEE 上的Lebesgue 积分。

积分的基本性质:

  • (a) 若 0fg0 \le f \le g,则 EfdμEgdμ\int_E f d\mu \le \int_E g d\mu
  • (b) 若 ABA \subset Bf0f \ge 0,则 AfdμBfdμ\int_A f d\mu \le \int_B f d\mu
  • (c) 若 f0f \ge 0cc 为常数 (0c<0 \le c < \infty),则 Ecfdμ=cEfdμ\int_E cf d\mu = c \int_E f d\mu
  • (d) 若对所有 xEx \in Ef(x)=0f(x)=0,则 Efdμ=0\int_E f d\mu = 0
  • (e) 若 μ(E)=0\mu(E)=0,则 Efdμ=0\int_E f d\mu = 0
  • (f) 若 f0f \ge 0,则 Efdμ=XχEfdμ\int_E f d\mu = \int_X \chi_E f d\mu

对(a),sf    sgs\le f \implies s\le g,显然.

对(b),对每个sfs\le f,都有Asdμbsdμ\int_A sd\mu\le \int_b sd\mu,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0sf    s=00\le s\le f \implies s=0.

s,ts, t 为非负可测简单函数。定义 ϕ(E)=Esdμ\phi(E) = \int_E s d\mu。 则 ϕ\phiM\mathfrak{M} 上的测度。且 X(s+t)dμ=Xsdμ+Xtdμ\int_X (s+t) d\mu = \int_X s d\mu + \int_X t d\mu

先证是测度,就要证可数可加性,则

iϕ(Ei)=iEisdμ=ijαjμ(EiAj)=jαjiμ(EiAj)=jαjμ(EAj)=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}

然后对s+ts+t,考虑就是

X(s+t)dμ=ij(αi+βj)μ(AiBj)=iαijμ(AiBj)+jβjiμ(AiBj)=Xsdμ+Xtdμ\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}

Lebesgue 单调收敛定理 (Lebesgue's Monotone Convergence Theorem)

{fn}\{f_n\}XX 上的可测函数序列,满足:

  • (a) 0f1(x)f2(x)0 \le f_1(x) \le f_2(x) \le \dots \le \infty 对每点 xx 成立,
  • (b) fn(x)f(x)f_n(x) \to f(x) (nn \to \infty) 对每点 xx 成立。

ff 可测,且 XfndμXfdμ\int_X f_n d\mu \to \int_X f d\mu (nn \to \infty)。

由前面结论,那么f=lim supnfnf=\limsup_n f_n可测.

α=limnXfndμ\alpha=\lim_{n \to \infty} \int_X f_nd\mu,显然αfXfdμ\alpha\le f_Xfd\mu.只要证另一边.

s<fs<f,En={xfn(x)cs(x)},c(0,1)E_n=\{ x\vert f_n(x)\ge cs(x) \},c\in (0,1),则

XfndμEnfndμcEnsdμ\begin{gathered} \int_X f_nd\mu\ge \int_{E_n} f_nd\mu\ge c\int_{E_n} sd\mu \end{gathered}

那么对nn取极限,EnE_n会变成XX

αcXsdμ\begin{gathered} \alpha \ge c\int_{X} sd\mu \end{gathered}

再对cc取极限就是

αXsdμ\begin{gathered} \alpha \ge \int_X sd\mu \end{gathered}

再对ss取上确界就能得到右边是Xfdμ\int_X fd\mu.

[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fnf_n可能始终不大于某个简单函数(否则你直接取那个fnf_n,它的积分比简单函数大),所以你只能先证明cscs最后再取极限干回来.AI说这是常见套路.

[think] 这个定理在EnE_n缩小积分值时用到了非负性.

fn:X[0,]f_n: X \to [0, \infty] 可测,且 f(x)=n=1fn(x)f(x) = \sum_{n=1}^\infty f_n(x),则 Xfdμ=n=1Xfndμ\int_X f d\mu = \sum_{n=1}^\infty \int_X f_n d\mu

对部分和数列FnF_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)

fn:X[0,]f_n: X \to [0, \infty] 可测,则 X(lim infnfn)dμlim infnXfndμ\int_X (\liminf_{n \to \infty} f_n) d\mu \le \liminf_{n \to \infty} \int_X f_n d\mu

gk(x)=infnkfn(x)\begin{gathered} g_k(x)=\inf_{n\ge k} f_n(x) \end{gathered}

gkg_k是单调递增的,于是对它用单调收敛定理就有

limk+Xgk(x)dμ=Xlimk+gk(x)dμ=Xlim inffn(x)dμ\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}

又因为

nkgkfn    Xgk(x)dμXfn(x)dμ    Xgk(x)dμinfnkfn(x)dμ\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}

带入上式左边即证.

[think] 其中使用单调收敛那一步依赖非负.

f:X[0,]f: X \to [0, \infty] 可测,定义 ϕ(E)=Efdμ\phi(E) = \int_E f d\mu。则 ϕ\phiM\mathfrak{M} 上的测度,且对于任意值域在 [0,][0, \infty] 的可测函数 gg,有 Xgdϕ=Xgfdμ\int_X g d\phi = \int_X gf d\mu(注:有时记作 dϕ=fdμd\phi = f d\mu)

先证ϕ\phi是测度.只要证

ϕ(En)=nsups<fEnsdμsupnEnsdμ=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}

那么要证反过来的,

ϕ(En)=nsups<fEnsdμnEnsdμ,(s>cf,c<1)cϕ(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}

然后取极限让c=1c=1,于是ϕ\phi是测度.

Xgdϕ=sups<giαiAifdμ=sups<giAisfdμ=sups<gXsfdμ\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}

然后显然这个不大于Xgfdμ\int_X gfd\mu.

又因为一定存在s>cg(c<1)s>cg(c<1),就能取cc极限的证明不小于,于是得证.

Complex Integral

L1(μ)L^1(\mu)

L1(μ)L^1(\mu) 是所有满足 Xfdμ<\int_X |f| d\mu < \infty 的复可测函数 ff 的集合。成员称为 Lebesgue 可积函数 或 可和函数。

复函数的积分

f=u+ivL1(μ)f = u + iv \in L^1(\mu),定义 Efdμ=Eu+dμEudμ+iEv+dμiEvdμ\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

f,gL1(μ)f, g \in L^1(\mu)α,β\alpha, \beta 为复数。则 αf+βgL1(μ)\alpha f + \beta g \in L^1(\mu),且 X(αf+βg)dμ=αXfdμ+βXgdμ\int_X (\alpha f + \beta g) d\mu = \alpha \int_X f d\mu + \beta \int_X g d\mu

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Xadμ+Xbdμ=supXs1dμ+supXs2dμsupX(s1+s2)dμ=X(a+b)dμ\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.

另一边还是取cc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.

fL1(μ)f \in L^1(\mu),则 XfdμXfdμ|\int_X f d\mu| \le \int_X |f| d\mu

存在α=1,αXfdμR\vert \alpha\vert=1,\alpha \int_X fd\mu\in R

Xfdμ=Xαfdμ=X(αf)dμXfdμ\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}

取实部是因为和是实数,虚部加起来一定是00.

Lebesgue 控制收敛定理 (Lebesgue's Dominated Convergence Theorem)

{fn}\{f_n\} 是复可测函数序列,使得 f(x)=limnfn(x)f(x) = \lim_{n \to \infty} f_n(x) 对每点 xx 存在。

若存在 gL1(μ)g \in L^1(\mu) 使得对所有 nnxx 都有 fn(x)g(x)|f_n(x)| \le g(x)

fL1(μ)f \in L^1(\mu)limnXfnfdμ=0\lim_{n \to \infty} \int_X |f_n - f| d\mu = 0, 且 limnXfndμ=Xfdμ\lim_{n \to \infty} \int_X f_n d\mu = \int_X f d\mu

首先我们可以看出有了模长积分为00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xxf(x)=limnfn(x)g(x)\vert f(x)\vert=\lim_{n\to \infty} \vert f_n(x)\vert \le g(x),于是fnf2g\vert f_n-f\vert \le 2g.

X2gdμFatou’s lemmalim infnX(2gfnf)dμ=X2gdμ+lim infXfnfdμ    lim supXfnfdμ0\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}

[think] 就是你其实想直接用Fatou的结论反一下说明lim supXfnfXlim supfnf\limsup \int_X \vert f_n-f\vert\le \int_X \limsup \vert f_n-f\vert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gg.

Almost Everywhere

几乎处处

若性质 PPEE 中除去一个测度为 0 的集合 NN 外处处成立,则称 PPEE 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,写作 fgf \sim g。若 fgf \sim g,则对任意 EEEfdμ=Egdμ\int_E f d\mu = \int_E g d\mu

完备化

(X,M,μ)(X, \mathfrak{M}, \mu) 是测度空间。令 M\mathfrak{M}^* 为所有满足存在 A,BMA, B \in \mathfrak{M} 使得 AEBA \subset E \subset Bμ(BA)=0\mu(B-A)=0 的集合 EE 的族。定义 μ(E)=μ(A)\mu(E) = \mu(A)

M\mathfrak{M}^*σ\sigma-代数,μ\muM\mathfrak{M}^* 上的测度。

这个扩展测度称为完备的 (complete),M\mathfrak{M}^* 称为 M\mathfrak{M}μ\mu-完备化。

要证明新的测度和sigma algebra.

显然μ(BA)+μ(A)=μ(B)\mu(B-A)+\mu(A)=\mu(B)所以μ(A)=μ(B)\mu(A)=\mu(B).

那么对先添加的集合,发现ECE^C一定也同时存在.若AiEiBiA_i\subset E_i\subset B_i,则AiEiBi\bigcap A_i\subset \bigcap E_i\subset \bigcap 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(BE)=0\mu(B-E)=0变成μ(B)\mu(B)所以是对的.

关于扩展可测函数的定义:如果 ff 定义在 EME \in \mathfrak{M} 上且 μ(Ec)=0\mu(E^c)=0,且对任意开集 VVf1(V)Ef^{-1}(V) \cap E 可测,则可以称 ffXX 上可测(通过在 EcE^c 上令 f=0f=0)。

{fn}\{f_n\} 是几乎处处定义的复可测函数序列,且 n=1Xfndμ<\sum_{n=1}^\infty \int_X |f_n| d\mu < \infty。 则级数 f(x)=n=1fn(x)f(x) = \sum_{n=1}^\infty f_n(x) 对几乎所有 xx 收敛,fL1(μ)f \in L^1(\mu),且 Xfdμ=n=1Xfndμ\int_X f d\mu = \sum_{n=1}^\infty \int_X f_n d\mu

先设SiS_ifif_i的定义域,S=SiS=\bigcap S_i,μ(SC)=0\mu(S^C)=0

g(x)=i=1fi(x)g(x)=\sum_{i=1}^\infty \vert f_i(x)\vert,则单调收敛定理说

Xg(x)=limnXi=1nfn(x)=limni=1nXfn(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}

g(x)g(x)几乎处处收敛可以推出f(x)f(x)几乎处处收敛.gg可积也可以推出ff可积.

然后考虑用gg控制收敛,

ffg\begin{gathered} f\le \vert f \vert \le g \end{gathered}

于是可交换.

  • (a) 设 f:X[0,]f: X \to [0, \infty] 可测,EME \in \mathfrak{M},且 Efdμ=0\int_E f d\mu = 0。则在 EE 上几乎处处 f=0f=0
  • (b) 设 fL1(μ)f \in L^1(\mu) 且对所有 EME \in \mathfrak{M}Efdμ=0\int_E f d\mu = 0。则在 XX 上几乎处处 f=0f=0
  • (c) 设 fL1(μ)f \in L^1(\mu)Xfdμ=Xfdμ|\int_X f d\mu| = \int_X |f| d\mu。则存在常数 α\alpha 使得几乎处处 αf=f\alpha f = |f|

(a)

scf,c(0,1)s\ge cf,c\in (0,1),cEfdμEsdμ=iαiμ(Ai)c\int_E fd\mu\le \int_E sd\mu=\sum_i \alpha_i \mu(A_i).

αi0    μ(Ai)=0\alpha_i\ne 0 \implies \mu(A_i)=0,于是ss几乎处处为00.然后ss00的地方ff一定为00.

(b)

把大于00的原像和小于00的分别用(a)

(c)

αXfdμ=Xfdμ    Xαfdμ=X(αf)dμ=Xfdμ    X(f(αf))dμ=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}

对最后一行用(a).

μ(X)<,fL1(μ)\mu(X) < \infty, f \in L^1(\mu), SS 是复平面上的闭集。若对于每个满足 μ(E)>0\mu(E)>0EME \in \mathfrak{M},平均值 AE(f)=1μ(E)EfdμA_E(f) = \frac{1}{\mu(E)} \int_E f d\mu 都在 SS 中,则几乎对所有 xXx \in X,有 f(x)Sf(x) \in S

SS是闭集所以SCS^C是开集,所以对SCS^C的每个点存在一个小圆盘D(x,r)SCD(x,r)\subset S^C,SCS^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00.

而对一个小圆盘D(x,r)D(x,r),设f1(D(x,r))=Ef^{-1}(D(x,r))=E,则

AE(f)x=1μ(E)E(fx)dμ1μ(E)Efxdμr\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}

但着代表了AE(f)A_E(f)在圆盘内部,与题目条件矛盾.

{Ek}\{E_k\} 是可测集序列,使得 k=1μ(Ek)<\sum_{k=1}^\infty \mu(E_k) < \infty。则几乎所有 xXx \in X 只属于有限个 EkE_k

要利用我们的新工具.

k=1μ(Ek)=Xk=1χEkdμ=Xgdμ<\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}

从而μ(g1())=0\mu(g^{-1}(\infty))=0,而g1()g^{-1}(\infty)恰好就是属于无穷个EExx的集合.

Chapter 2 Borel Measure

复向量空间

然后他说,f(x)Xf(x)dμf(x)\to \int_X f(x)d\mu是线性泛函,f(x)Xg(x)f(x)dμf(x) \to \int_X g(x)f(x)d\mugg有界时是线性泛函.

拓扑学基础

XX 是一个拓扑空间。

  • (a) 集合 EXE \subset X 称为闭集,如果其补集 EcE^c 是开集。
  • (b) 集合 EXE \subset X闭包 Eˉ\bar{E} 是包含 EEXX 中最小的闭集
  • (c) 集合 KXK \subset X 称为紧集,如果 KK 的每一个开覆盖都包含一个有限子覆盖。特别地,如果 XX 本身是紧的,则称 XX 为紧空间。
  • (d) 点 pXp \in X邻域是包含 ppXX 的任意开子集。
  • (e) XX 称为 Hausdorff 空间,如果满足:若 pX,qXp \in X, q \in Xpqp \neq q,则存在 pp 的邻域 UUqq 的邻域 VV 使得 UV=U \cap V = \varnothing
  • (f) XX 称为局部紧的,如果 XX 的每一点都有一个闭包为紧集的邻域。

KK 是拓扑空间 XX 中的紧集,FF 是闭集。如果 FKF \subset K,则 FF 是紧集。

考虑任意包含FF的无限开覆盖,加入FCF^C后一定覆盖KK,而它有有限子覆盖.此时如果FCF^C在里面你把它去掉,得到的就是FF的有限覆盖.

Corollary 如果 ABA \subset BBB 具有紧闭包,则 AA 也具有紧闭包。

显然

XX 是 Hausdorff 空间,KXK \subset XKK 是紧集,且 pKcp \in K^c

则存在开集 UUWW 使得 pUp \in UKWK \subset W,且 UW=U \cap W = \varnothing

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KK内的每个点kik_i取一个邻域SiS_i,与pp的一个邻域TiT_i不交(SiTi=S_i\cap T_i=\varnothing),则SnS_n构成KK的开覆盖,于是取它的有限覆盖是覆盖KK的,则把它们并起来作为WW,把对应的TiT_i的交作为UU即可.

Corollary

(a) Hausdorff 空间的紧子集是闭集。

(b) 如果 FF 是 Hausdorff 空间中的闭集,KK 是紧集,则 FKF \cap 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 {Kα}\{K_\alpha\} 是 Hausdorff 空间中紧子集的集合,且 αKα=\bigcap_\alpha K_\alpha = \varnothing,则 {Kα}\{K_\alpha\} 的某个有限子集也有空交集。

第一反应是考虑KαCK_\alpha^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K0K_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K0K_0本身一定是空.

UU 是局部紧 Hausdorff 空间 XX 中的开集,KUK \subset U,且 KK 是紧集。则存在一个闭包为紧集的开集 VV,使得 KVVˉU.K \subset V \subset \bar{V} \subset U.

KK内每个点kik_i先取一个闭包是紧的邻域SiS_i,那么这个邻域内一定有一个在UU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KK的有限覆盖为 {Vn}\{ V_n \}.令G=ViG=\bigcup V_i

如果UU是全集问题就解决了,但问题是GU\overline G\subset U不满足.

此时考虑UCU^C,对UCU^C中的任何一个点uiu_i可以找一个邻域UiU_i和包含KK的开集WiW_i不交,UiWi=    uiWiU_i\cap W_i=\varnothing \implies u_i\notin \overline {W_i}(这是因为uiu_i如果在边界上那么它的邻域UiU_i需要与WiW_i相交).

此时考虑 {GWiUC}\{ \overline{G}\cap \overline{W_i}\cap 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GWi\overline{G}\cap \bigcap \overline{W_i}UCU^C交为空,于是取V=GWiV=G\cap \bigcap W_i即可.

[think] 你先想到GG是容易的,然后你考虑UCU^C得到WW也是可以想到的,然后你会想把WW交起来交GG当构造,但直接交就不是开集了.你考虑你其实就是希望((Wi)G)UC=((\bigcap \overline {W_i})\cap \overline G)\cap U^C=\varnothing,所以取有限的就够用.

要会用这个 紧集族的有限交 性质

ff 是拓扑空间上的实(或广义实)函数。

如果对于每个实数 α\alpha,集合 {x:f(x)>α}\{x: f(x) > \alpha\} 是开集,则称 ff下半连续的。

如果对于每个实数 α\alpha,集合 {x:f(x)<α}\{x: f(x) < \alpha\} 是开集,则称 ff上半连续的。

拓扑空间 XX 上的复函数 ff支集 (support) 是集合 {x:f(x)0}\{x: f(x) \neq 0\} 的闭包。

XX 上所有支集为紧集连续复函数的集合记为 Cc(X)C_c(X)

XXYY 是拓扑空间,且 f:XYf: X \to Y 是连续的。如果 KKXX 的紧子集,则 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)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)的原像f1(f(K))Kf^{-1}(f(K))\supset K,于是它们的原像覆盖KK,那么取KK的有限覆盖再映射回来就有限覆盖f(K)f(K).

Corollary

任意 fCc(X)f \in C_c(X) 的值域是复平面的紧子集。

紧子集并了一个单点00当然还是紧的.

[think] 注意这个实际上实际还告诉你CcC_c中的函数都是有界的.

记号 KfK \prec f 表示 KKXX 的紧子集,fCc(X)f \in C_c(X),对所有 xXx \in X0f(x)10 \le f(x) \le 1,且对所有 xKx \in Kf(x)=1f(x)=1

记号 fVf \prec V 表示 VV 是开集,fCc(X)f \in C_c(X)0f10 \le f \le 1,且 ff 的支集包含于 VV

记号 KfVK \prec f \prec V 表示同时满足上述两个条件。

Urysohn's Lemma

XX 是局部紧 Hausdorff 空间,VVXX 中的开集,KVK \subset V,且 KK 是紧集。则存在 fCc(X)f \in C_c(X) 使得 KfV.K \prec f \prec 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KVK\subset V,我们知道可以找到KV1V1VK\subset V_1\subset \overline{V_1}\subset V.然后你又可以分成KV1K\subset V_1V1V\overline{V_1}\subset 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ii层的集合对(K,V)(K,V)赋值,如果它是左儿子赋值2i2^{-i},是右儿子赋值00,对一个点pp把所有满足pVKp\in V-K(K,V)(K,V)对的权值加起来作为函数值.(自然还要单独赋值KKVCV^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')作为根建二叉树即可,其中KVVVK\subset V'\subset \overline{V'}\subset V即可.

V1,,VnV_1, \dots, V_n 是局部紧 Hausdorff 空间 XX 的开子集,KK 是紧集,且 KV1Vn.K \subset V_1 \cup \dots \cup V_n. 则存在函数 hiVih_i \prec V_i (i=1,,ni=1, \dots, n) 使得 h1(x)++hn(x)=1(xK).h_1(x) + \dots + h_n(x) = 1 \quad (x \in K). 集合 {h1,,hn}\{h_1, \dots, h_n\} 称为 KK 上从属于覆盖 {V1,,Vn}\{V_1, \dots, V_n\} 的单位分解。

KK内每个点pp存在pNpNpVipp\in N_p\subset \overline{N_p}\subset V_{i_p},然后它们之中有一个KK的有限覆盖,我们令Hk=ip=kNpH_k=\bigcup_{i_p=k} \overline{N_p}.

这样我们找到一些紧集被VV包含且覆盖KK.

则可以找到HigiViH_i\prec g_i\prec V_i,然后令

hi=gij=1i1(1gj)\begin{gathered} h_i=g_i\prod_{j=1}^{i-1} (1-g_j) \end{gathered}

Reize Representation Theorem

The Riesz Representation Theorem

XX 是局部紧 Hausdorff 空间,Λ\LambdaCc(X)C_c(X) 上的正线性泛函。则在 XX 中存在一个包含所有 Borel 集的 σ\sigma-代数 M\mathfrak{M},并且在 M\mathfrak{M} 上存在唯一的正测度 μ\mu,它在下述意义下表示 Λ\Lambda

  • (a) 对每一个 fCc(X)f \in C_c(X)Λf=Xfdμ\Lambda f = \int_X f d\mu
  • (b) 对每一个紧集 KXK \subset Xμ(K)<\mu(K) < \infty
  • (c) 对每一个 EME \in \mathfrak{M}μ(E)=inf{μ(V):EV,V is open}\mu(E) = \inf\{\mu(V): E \subset V, V \text{ is open}\}.(外正则)
  • (d) 对每一个开集 EE 以及每一个满足 μ(E)<\mu(E) < \inftyEME \in \mathfrak{M},关系 μ(E)=sup{μ(K):KE,K is compact}\mu(E) = \sup\{\mu(K): K \subset E, K \text{ is compact}\} 成立。(内正则)
  • (e) 如果 EME \in \mathfrak{M}AEA \subset E,且 μ(E)=0\mu(E)=0,则 AMA \in \mathfrak{M}

首先,如果Λ\Lambda可以对不连续函数那就直接用μ(S)=ΛχS\mu(S)=\Lambda \chi_S就行了,所以你考虑逼近.同时因为MM必须包含所有开集,定义μ(V)=infVfΛf\mu(V)=\inf_{V\prec f} \Lambda fμ(V)=supfV\mu(V)=\sup_{f\prec V}.

但这两种里只有第二种是可以的,注意fVf\prec V是一定可行的而f\prec 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MM,剩余集合的值不要了)的值是μ(E)=infVEμ(V)\mu(E)=\inf_{V\subset E} \mu(V).

然后为了构造Borel代数MM,我们取所有满足内外正则性的有限集合,即满足μ(E)=supKEμ(K)\mu(E)=\sup_{K\subset E} \mu(K)μ(E)<\mu(E)<\infty的构成MfM_f,所有满足,对任意MfM_f中的集合AA,有AEMfA\cap E\in M_f中的集合EE组成最终所求的代数MM.

[think] 这个构造还是很难想到.不过MfM_fMM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)iμ(Ei),Ei=E,EiEj=\mu(E)\le \sum_i \mu(E_i),\bigcup E_i=E,E_i\cap E_j=\emptyset

先证明μ(V1V2)μ(V1)+μ(V2)\mu(V_1\cup V_2)\le \mu(V_1)+\mu(V_2),对任意gV1V2g\prec V_1\cup V_2,存在f1V1,f2V2f_1\prec V_1,f_2\prec V_2,且对 suppg\operatorname{supp} gf1+f2=1f_1+f_2=1.那么g=gf1+gf2g=gf_1+gf_2,于是Λg=Λ(gf1+gf2)Λf1+Λf2=μ(V1)+μ(V2)\Lambda g=\Lambda (gf_1+gf_2)\le \Lambda f_1+\Lambda f_2=\mu(V_1)+\mu(V_2)对任意gg成立,取上确界后成立.

考虑一组ViEi,VE,fVV_i\supset E_i,V\supset E,f\prec V,那么ff的支集一定可以被有限集CC中的Vi,iCV_i,i\in C覆盖,于是

Λfμ(iCVi)iCμ(Vi)i=1μ(Ei)+ϵ    μ(E)i=1μ(Ei)+ϵ    μ(E)i=1μ(Ei)\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}

紧集KMfK\in M_f,且μ(K)=supKfΛf\mu(K)=\sup_{K\prec f} \Lambda f

测度有界是因为Λ\Lambda的值域是不包含无穷的.所以对一个紧集只要找到开集VKV\supset KV\overline V是紧的,则由刚才的Urysohn,fV\exists f\prec V,又一定Vg\exists \overline{V}\prec g,则显然

fg    ΛfΛg    supΛfinfΛg    μ(K)μ(V)infΛg<\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}

然后是考虑一个开集,VKV\supset K满足μ(V)μ(K)+ϵ\mu(V)\le \mu(K)+\epsilon(根据KK的测度的定义),那么我们一定可以找到KfVK\prec f\prec V,于是μ(K)Λfμ(V)<μ(K)+ϵ\mu(K)\le \Lambda f\le \mu(V)<\mu(K)+\epsilon,对ϵ\epsilon取极限得证.

测度有限的开集都在MfM_f中(满足内正则)

考虑取一个fV,Λf>μ(V)ϵf\prec V,\Lambda f>\mu(V)-\epsilon,考虑ff的支集KK,那么μ(K)=infWKμ(W)\mu(K)=\inf_{W\supset K} \mu(W),而对任意这样的WWfWf\prec W,所以Λfμ(W)\Lambda f\le \mu(W),所以Λfμ(K)\Lambda f\le \mu(K),μ(K)>μ(V)ϵ\mu(K)>\mu(V)-\epsilon.于是得证

这样我们证明了MfM_f包含了有限开集和所有紧集.

MfM_f中的元素满足测度的可数可加性:

E=Ei,EiEj=    μ(E)=i=1μ(Ei)\begin{gathered} E=\bigcup E_i,E_i\cap E_j=\emptyset \\ \implies \mu(E)=\sum _{i = 1} ^{\infty} \mu(E_i) \end{gathered}

以及若μ(E)<,EMf\mu(E)<\infty,E\in M_f(内正则性).

首先我们已经知道了μ(E)iμ(Ei)\mu(E)\le \sum_i \mu(E_i),只需要证明另一边.

因为MfM_f中的集合有内外正则性,我们可以找KiEi,μ(Ki)>μ(Ei)ϵiK_i\subset E_i,\mu(K_i)>\mu(E_i)-\epsilon_iViEi,μ(Vi)<μ(Ei)+ϵiV_i\supset E_i,\mu(V_i)<\mu(E_i)+\epsilon_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K1,K2K_1,K_2.

那么因为两个紧集不交,我们可以找到V1V2=,V1K1,V2V2V_1\cap V_2=\emptyset,V_1\supset K_1,V_2\supset 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K1f1V1,K2f2V2K_1\prec f_1\prec V_1,K_2\prec f_2\prec 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ViV_i使得μ(Vi)<μ(Ki)+ϵ\mu(V_i)<\mu(K_i)+\epsilon,那么Λfiμ(Vi)<μ(Ki)+ϵ\Lambda f_i\le \mu(V_i)<\mu(K_i)+\epsilon

μ(K1)+μ(K2)+2ϵ>Λf1+Λf2=Λ(f1+f2)>μ(K1K2)\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}

ϵ\epsilon取极限就是μ(K1)+μ(K2)μ(K1K2)\mu(K_1)+\mu(K_2)\ge \mu(K_1\cup K_2).因为我们之前证过反过来的所以μ(K1)+μ(K2)=μ(K1K2)\mu(K_1)+\mu(K_2)=\mu(K_1\cup K_2).

现在证明原问题,如果μ(E)=\mu(E)=\infty结合之前不等式另一边是显然的,否则设Hn=i=1nKiH_n=\bigcup_{i=1}^n K_i,则:

μ(E)μ(Hn)=i=1nμ(Ki)>i=1nμ(Ei)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}

取极限(对nnϵ\epsilon)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)),而这种不等号的方式固定了μ(E)\mu(E),所以一直在处理实数.

A1Mf,A2MfA_1\in M_f,A_2\in M_f,则A1A2,A1A2,A1A2A_1-A_2,A_1\cup A_2,A_1\cap A_2都属于MfM_f

我们取KiAiViK_i\subset A_i\subset V_iμ(Ki)>μ(Ai)ϵ,μ(Vi)<μ(Ai)+ϵ\mu(K_i)>\mu(A_i)-\epsilon,\mu(V_i)<\mu(A_i)+\epsilon,那么K1V2K_1-V_2是闭集交紧集是紧集且在A1A2A_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(K1V2)(V2K2)(V1K1)=V1K2A1A2(K_1-V_2)\cup (V_2-K_2)\cup (V_1-K_1)=V_1-K_2\supset A_1-A_2,而多的两项都小于ϵ\epsilon,所以μ(K1V2)\mu(K_1-V_2)μ(A1A2)\mu(A_1-A_2)差不到2ϵ2\epsilon,内正则性满足.

然后剩下两个只要接着用A1A2A_1-A_2和前面加法的结论就好了.

MM是一个sigma-algebra

只要验证补集和可数并集.注意这里MM是那个局部是MfM_f的集合构成的集合.

对任意紧集KKMM中的集合AA,首先有KMfK\in M_f,又因为AKMfA\cap K\in M_f,而ACK=K(AK)MfA^C\cap K=K-(A\cap K)\in M_f.

对可数并,我们需要想办法转化成加法,于是若A=AiA=\bigcup A_iBn=(AnK)(i=1n1Bi)B_n=(A_n\cap K)-(\bigcup_{i=1}^{n-1} B_i),就得到BiMfB_i\in M_f,从而Bn=AKMf\sum B_n=A\cap K\in M_f,

MfM_f恰好是所有MM中的有限测度集合.

也就是性质(d)

首先前面证了MfM_f对交封闭,所以MMfM\supset M_f.

MM中的一个有限集合EE,因为它有限所以可以有VE,μ(V)<μ(E)+ϵV\supset E,\mu(V)<\mu(E)+\epsilon,然后取KV,μ(K)>μ(V)ϵK\subset V,\mu(K)>\mu(V)-\epsilon,则EKMfE\cap K\in M_f,从而HEK,μ(EK)<μ(H)+ϵ\exists H\subset E\cap K,\mu(E\cap K)<\mu(H)+\epsilon.

这样μ(E)μ(EK)+μ(VK)<μ(H)+2ϵ\mu(E)\le \mu(E\cap K)+\mu(V-K)<\mu(H)+2\epsilon,内正则性得证.

由这些我们可以推出μ\mu是Borel测度了.

最后:

fCc(X),Λf=Xfdμ\begin{gathered} \forall f\in C_c(X),\Lambda f=\int_X fd\mu \end{gathered}

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ff的值域,每段用特征函数逼近.

考虑 rangef[a,b]\operatorname{range} f\subset [a,b],对ϵ\epsilon,设y0=a<y1<y2<<b<yny_0=a<y_1<y_2<\ldots<b<y_n.考虑一段[yi,yi+1)[y_i,y_{i+1})

那么定义suppf=K\operatorname{supp}f=K,考虑Ei=f1([yi,yi+1))KE_i=f^{-1}([y_i,y_{i+1}))\cap K(连续映射把borel集拉回到borel集),于是EiE_i是borel集.

于是可以找ViEi,μ(Vi)<μ(Ei)+ϵiV_i\supset E_i,\mu(V_i)<\mu(E_i)+\epsilon_i,然后我们可以找fiVif_i\prec V_i满足KKifi=1\sum_i f_i=1.

于是:

Λf=i=1nΛ(hif)i=1n(yi+ϵ)Λhi=i=1n(yi+ϵ+a)Λhiai=1nΛhii=1n(yi+ϵ+a)μ(Vi)aμ(K)i=1n(yi+ϵ+a)(μ(Ei)+ϵi)ai=1nμ(Ei)=i=1n(yiϵ)μ(Ei)+2ϵμ(K)+(ϵ+a+i=1nyi)(iϵi)ϵi=ϵnXfdμ+ϵ(2μ(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}

ϵ\epsilon极限,就是ΛfXfdμ\Lambda f\le \int_X fd\mu.

然后注意到你只要代入f-f就是反向的不等式.于是得证.

定义在局部紧 Hausdorff 空间 XX 的所有 Borel 集构成的 σ\sigma-代数上的测度 μ\mu 称为 XX 上的 Borel 测度

如果 μ\mu 是正测度,Borel 集 EXE \subset 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 XX 中的所有 Borel 集既是外正则又是内正则的,则称 μ\mu正则的。

sigma-compact

拓扑空间中的集合 EE 称为 σ\sigma-紧的,如果 EE 是可数个紧集的并。

测度空间中的集合 EE(带有测度 μ\mu)称为具有 σ\sigma-有限测度,如果 EE 是可数个满足 μ(Ei)<\mu(E_i) < \infty 的集合 EiE_i 的并。

XX 是局部紧、σ\sigma-紧的 Hausdorff 空间。如果 M\mathfrak{M}μ\mu 如定理 2.14 中所述,则 M\mathfrak{M}μ\mu 具有以下性质:

  • (a) 如果 EME \in \mathfrak{M}ϵ>0\epsilon > 0,则存在闭集 FF 和开集 VV 使得 FEVF \subset E \subset Vμ(VF)<ϵ\mu(V-F) < \epsilon
  • (b) μ\muXX 上的正则 Borel 测度。
  • (c) 如果 EME \in \mathfrak{M},则存在集合 AABB 使得 AAFσF_\sigma 集,BBGδG_\delta 集,AEBA \subset E \subset B,且 μ(BA)=0\mu(B-A)=0

(a):

EE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iKi\bigcup_i K_i覆盖,那么EKiE\cap K_i都是有内外正则性的,于是可以对每个EKiE\cap K_i找到Vi,FiV_i,F_i满足μ(ViFi)<ϵi,FiEKiVi\mu(V_i-F_i)<\epsilon_i,F_i\subset E\cap K_i\subset 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ϵi=2i\epsilon_i=2^{-i}然后把ViV_i并起来就能得到所求的VV.但是FF不能直接把KiK_i并起来做.

于是它的做法是用开集从外部逼近ECE^C,然后把得到的VV'F=VCF=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=1n\epsilon=\dfrac{1}{n}得到一串VnV_nFnF_n,然后取极限B=Vi,A=FjB=\bigcap V_i,A=\bigcup F_j,即证

XX 是局部紧 Hausdorff 空间,且其中每个开集都是 σ\sigma-紧的。设 λ\lambdaXX 上的任意正 Borel 测度,且对每个紧集 KK 都有 λ(K)<\lambda(K) < \infty。则 λ\lambda 是正则的。

紧集测度有界所以对任何Cc(X)C_c(X)函数积分Xfdλ\int_X fd\lambda都是有限的,可以定义

fXfdλ\begin{gathered} f\to \int_X fd\lambda \end{gathered}

是一个线性泛函,那么应用前面的Riesz就有存在μ\mu构成Borel测度,且

Xfdλ=Xfdμ\begin{gathered} \int_X fd\lambda=\int_X fd\mu \end{gathered}

只要说明μ=λ\mu=\lambda.

因为有所有开集都是sigma紧的条件,考虑一个开集VV和可数个紧集KiK_i,我们可以找到KifiVK_i\prec f_i\prec V,设gn=maxi=1nfig_n=\max_{i=1}^n f_i,则它单调递增且逐点收敛到χV\chi_V,可以用单调收敛,有

λ(V)=Xlimngndλ=limnXgndλ=limnXgndμ=Xlimngndμ=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}

于是所有开集相等.

然后对剩下的集合,考虑对任意集合EE找到KKVVμ(VK)<ϵ\mu(V-K)<\epsilon夹住它,那么因为VKV-K是开集所以λ(VK)=μ(VK)<ϵ\lambda(V-K)=\mu(V-K)<\epsilon,同时μ(V)=λ(V)\mu(V)=\lambda(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))然后这个区间里有μ(E)\mu(E),所以λ(E)=μ(E)\lambda(E)=\mu(E)

[think] 其实gg就是对χ\chi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 kk 维空间 RkR^k 是所有坐标 ξi\xi_i 为实数的点 x=(ξ1,,ξk)x=(\xi_1, \dots, \xi_k) 的集合。

定义 x+yx+yαx\alpha x。定义内积 xy=ξiηix \cdot y = \sum \xi_i \eta_i 和范数 x=(xx)1/2|x|=(x \cdot x)^{1/2}。度量定义为 ρ(x,y)=xy\rho(x,y)=|x-y|

RkR^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PpP_p为所有坐标是2p2^{-p}整数倍的点的集合,为格点,Ωp\Omega_p为所有坐标是2p2^{-p}的整数倍的点为一个顶点,边长为2p2^{-p}的立方体的集合,而Ω\OmegaiΩi\bigcup_i \Omega_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2pk2^{-pk}.

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.

RkR^k 的某个 σ\sigma-代数 M\mathfrak{M} 上存在唯一的正完备测度 mm,具有以下性质:

  • (a) 对每个 kk-维胞腔 (box/cell) WWm(W)=vol(W)m(W) = \text{vol}(W)
  • (b) M\mathfrak{M} 包含 RkR^k 中的所有 Borel 集;更确切地说,EME \in \mathfrak{M} 当且仅当存在 A,BRkA, B \subset R^k 使得 AEBA \subset E \subset BAAFσF_\sigmaBBGδG_\delta,且 m(BA)=0m(B-A)=0。此外,mm 是正则的。
  • (c) mm 是平移不变的,即对每个 EME \in \mathfrak{M} 和每个 xRkx \in R^k,有 m(E+x)=m(E)m(E+x) = m(E)
  • (d) 如果 μ\muRkR^k 上任意正的平移不变 Borel 测度,且对每个紧集 KK 都有 μ(K)<\mu(K) < \infty,则存在常数 cc 使得对所有 Borel 集 ERkE \subset R^kμ(E)=cm(E)\mu(E) = c m(E)
  • (e) 对每一个 RkR^kRkR^k 的线性变换 TT,对应一个实数 Δ(T)\Delta(T),使得对每个 EME \in \mathfrak{M},有 m(T(E))=Δ(T)m(E)m(T(E)) = \Delta(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Λnf=2kpxPpf(x)\Lambda_n f=2^{-kp} \sum_{x\in 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 limnΛnf\lim_{n \to \infty} \Lambda_n f存在,定义为Λf\Lambda f.

然后Riesz说明存在一个测度mm.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,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),从而会有λ=m\lambda=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Δ0\Delta\ne 0TT是可逆且线性的,于是你可以定义μ(E)=m(T(e))\mu(E)=m(T(e)),然后用(d).

并非每个 Lebesgue 可测集都是 Borel 集。并非 RkR^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Rk×RR^k\times R仍然是连续统,但考虑一个测度为00的可测集康托尔集且不可数,所以它的势有2cardinality of the continuum2^\text{cardinality of the continuum}.

对于第二条:

如果 AR1A \subset R^1AA 的每个子集都是 Lebesgue 可测的,则 m(A)=0m(A)=0

考虑一个等价关系 xy    xyQx\sim y \iff x-y\in Q,则令E=R/E=R/\sim,你发现EEE+pE+q=,p,qQE+p\cap E+q=\emptyset,p,q\in Q,且任意rR,p,r(E+p)r\in R,\exists p,r\in (E+p)

然后令Ap=A(E+p)A_p=A\cap (E+p),显然ApA_p不交且pQAp=A\bigcup_{p\in Q} A_p=A.

对任意一个ApA_p,因为它可测并且RkR^ksigma紧,所以有内正则性,于是你取一个紧集KK,再取H=p(Q[0,1])(K+p)H=\bigcup_{p\in (Q\cap [0,1])} (K+p),那么HH是有限测度的,但是μ(H)=μ(K+p)=μ(K)\mu(H)=\sum \mu(K+p)=\sum\mu(K),所以μ(K)=0\mu(K)=0.任意紧集测度都是00所以ApA_p00,所以AA00.

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

ffXX 上的复可测函数,μ(A)<\mu(A) < \infty,若 xAx \notin Af(x)=0f(x)=0,且 ϵ>0\epsilon > 0。则存在 gCc(X)g \in C_c(X) 使得 μ({x:f(x)g(x)})<ϵ.\mu(\{x: f(x) \neq g(x)\}) < \epsilon. 此外,我们可以安排使得 supxXg(x)supxXf(x)\sup_{x \in X} |g(x)| \le \sup_{x \in X} |f(x)|

如果AA是紧的,f[0,1)f\in [0,1)

首先你可以找到简单函数列单调逼近ff:limnsn=f\lim_{n \to \infty} s_n=f,且你使用第一章把函数值域按2k2^{-k}切割取整的方式,那么tn=(snsn1)t_n=(s_n-s_{n-1}),则tnt_n的值要么是00要么是2n2^{-n},所以tn=χTn2nt_n=\chi_{T_n}2^{-n}.而f=i=1tnf=\sum_{i=1}^\infty t_n.

那么去逼近tnt_n只要逼近χTn\chi_{T_n},显然对每个TnT_n是可测集可以用正则性,于是可以找到KnTnVnK_n\subset T_n\subset V_nμ(VnTn)<ϵ2n\mu(V_n-T_n)<\epsilon2^{-n},于是Urysohn有KnhnVnK_n\prec h_n\prec V_n.

然后让g=i=1hig=\sum_{i=1}^\infty h_i,我们看到每个 μ({hnχn})2nϵ\mu(\{ h_n\ne \chi_n \} )\le 2^{-n}\epsilon,于是加起来和ff至多在ϵ\epsilon大小的地方不相等.

注意要求gCc(X)g\in C_c(X)所以它的支集是紧,所以你可以先找AVA\subset V满足V\overline{V}是紧的,之后找VnV_n的时候要求VnVV_n\subset V.

然后如果AA不是紧的,那么AA可测且有限有内正则,所以你可以用一个逼近AA的紧集代替AA.

如果f[0,1)f\notin [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:

Bn={xf(x)>n}B_n=\{ x \vert f(x)>n \},则Bn=\bigcap B_n=\emptysetμ(B1)<μ(A)<\mu(B_1)<\mu(A)<\infty,所以μ(Bn)0\mu(B_n)\to 0,所以可以找一个足够大的BnB_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,xRxxR,x>R,R=supf(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}

然后用ϕ(g)\phi(g)代替gg即可.因为你这些值本来也不等于ff了.

Corollary 假设 Lusin 定理的条件满足且 f1|f| \le 1。则存在序列 {gn}\{g_n\} 使得 gnCc(X)g_n \in C_c(X)gn1|g_n| \le 1,且 f(x)=limngn(x)a.e.f(x) = \lim_{n \to \infty} g_n(x) \quad \text{a.e.}

Vitali-Carathéodory Theorem

fL1(μ)f \in L^1(\mu)ff 是实值函数,且 ϵ>0\epsilon > 0。则在 XX 上存在函数 uuvv 使得 ufvu \le f \le vuu 是上半连续且上有界的,vv 是下半连续且下有界的,并且 X(vu)dμ<ϵ.\int_X (v-u) d\mu < \epsilon.

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 limnsn=f\lim_{n \to \infty} s_n=f,它保证了 Tn,tn=snsn1=cnχTn\exists T_n,t_n=s_n-s_{n-1}=c_n \chi_{T_n}.

那么我们只要改造TnT_n,对每个TnT_n可以找到KnTnVnK_n\prec T_n\prec V_nμ(TnKn)<ϵn\mu(T_n-K_n)<\epsilon_n.

那么直接ncnχVn\sum_n c_n\chi_{V_n}就可以是vv,但直接ncnχKn\sum_n c_n\chi_{K_n}不能是uu,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fL1f\in L^1可积,所以Xf=XcnχTn=Xcnμ(Tn)\int_X f=\int_X \sum c_n\chi_{T_n}=\int_X c_n\mu(T_n)收敛,所以存在NN使得后面的求和小于ϵ\epsilon',

所以我们如果把级数只截断到NN,最后的积分误差就是ϵn+ϵ\sum \epsilon_n+\epsilon'.然后你ϵn=2n+1ϵ,ϵ=21ϵ\epsilon_n=2^{-n+1}\epsilon,\epsilon'=2^{-1}\epsilon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

凸函数

略,和分析一样定义在RR上的

φ\varphi(a,b)(a, b) 上是凸的,则 φ\varphi(a,b)(a, b) 上连续。

直接用单调有界证明割线斜率极限存在

Jensen's Inequality

μ\mu 是集合 Ω\Omegaσ\sigma-代数 M\mathfrak{M} 上的正测度,且 μ(Ω)=1\mu(\Omega) = 1。如果 ffL1(μ)L^1(\mu) 中的实函数,满足 a<f(x)<ba < f(x) < b 对所有 xΩx \in \Omega 成立,且 φ\varphi(a,b)(a, b) 上是下凸的,则 φ(Ωfdμ)Ω(φf)dμ\varphi\left( \int_{\Omega} f \, d\mu \right) \le \int_{\Omega} (\varphi \circ f) \, d\mu

这种φ\varphi里面的积分是绝对消不掉的,你设它是tt.

那么因为φ\varphi是下凸,所以x=tx=t处有一条支撑线满足:

φ(x)φ(t)+k(xt)    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}

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 1p+1q=1\dfrac{1}{p} +\dfrac{1}{q} =1(p,q)(p,q)对.包括无穷.

Hölder Inequality and Minkowski Inequality

ppqq 是共轭指数,1<p<1 < p < \infty。设 XX 是测度空间,测度为 μ\mu。设 ffggXX 上的可测函数,取值在 [0,][0, \infty]。则 Xfgdμ{Xfpdμ}1/p{Xgqdμ}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} 以及 {X(f+g)pdμ}1/p{Xfpdμ}1/p+{Xgpdμ}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}

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)p1+g(f+p)p1f(f+g)p1(fp)1p((f+g)(p1)q)1q=(fp)1p((f+g)p)1q(f+g)p=f(f+g)p1+g(f+g)p1((fp)1p+(gp)1p)((f+g)p)1q    ((f+g)p)1p=((f+g)p)11q(fp)1p+(gp)1p\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}

然后要处理(f+g)p\int (f+g)^p00或无穷的情况.00的情况元原不等式显然成立,而因为xpx^p是下凸的,所以

(f+g2)pfp+gp2\begin{gathered} (\dfrac{f+g}{2} )^p\le \dfrac{f^p+g^p }{2} \end{gathered}

从而不会是无穷.

于是得证.

[think] 这个证明拆(f+g)(f+g)1p1(f+g)(f+g)^{\frac1p-1}是难以想到的,但Gemini说你考虑LpL^p的对偶空间,有个定理说 fp=supgq=1fg\Vert f \Vert_p = \sup_{\Vert g\Vert_q =1} \int fg.然后这里用Holder,然后去对偶空间找gg使得Holder取等整出来的.所以最后他说处理LpL^p的时候构造一个含LqL^q的乘积是场景trick.

LpL^p空间与LpL^p范数

0<p<0 < p < \inftyffXX 上的复可测函数,定义 fp={Xfpdμ}1/p\|f\|_p = \left\{ \int_X |f|^p \, d\mu \right\}^{1/p} 并令 Lp(μ)L^p(\mu) 由所有满足 fp<\|f\|_p < \inftyff 组成。我们称 fp\|f\|_pffLpL^p-范数

LL^\infty空间

g:X[0,]g: X \to [0, \infty] 可测。令 SS 为所有满足 μ(g1((α,]))=0\mu(g^{-1}((\alpha, \infty])) = 0 的实数 α\alpha 的集合。若 S=S = \varnothing,令 β=\beta = \infty。若 SS \neq \varnothing,令 β=infS\beta = \inf S。 我们称 β\betagg本性上确界essential supremum)。 如果 ffXX 上的复可测函数,我们定义 f\|f\|_\inftyf|f| 的本性上确界,并令 L(μ)L^\infty(\mu) 由所有满足 f<\|f\|_\infty < \inftyff 组成。L(μ)L^\infty(\mu) 的成员有时被称为 XX 上的本性有界可测函数。 根据定义,不等式 f(x)λ|f(x)| \le \lambda 几乎处处成立当且仅当 λf\lambda \ge \|f\|_\infty

(几乎处处有界)

ppqq 是共轭指数,1p1 \le p \le \infty,且若 fLp(μ)f \in L^p(\mu)gLq(μ)g \in L^q(\mu),则 fgL1(μ)fg \in L^1(\mu),且 fg1fpgq\|fg\|_1 \le \|f\|_p \|g\|_q

1p1 \le p \le \infty,且 fLp(μ)f \in L^p(\mu)gLp(μ)g \in L^p(\mu)。则 f+gLp(μ)f + g \in L^p(\mu),且 f+gpfp+gp\|f + g\|_p \le \|f\|_p + \|g\|_p

首先p(1,)p\in (1,\infty)的情况就是前面那两个不等式,只需证p=1,q=p=1,q=\infty的情况.

β=g\beta=\|g\|_\infty,则对任意ϵ\epsilon,存在x<β+ϵx<\beta+\epsilon使得μ(g1((x,]))=0\mu(g^{-1}((x,\infty]))=0,于是忽略这些地方的积分就是 fg1=Xfg=Xg1((x,])fgxXf<(β+ϵ)Xf\Vert fg \Vert_1=\int_X fg=\int_{X-g^{-1}((x,\infty])}fg\le x\int_X f<(\beta+\epsilon)\int_X f,然后对ϵ\epsilon取极限.

第二个道理一样吧.

固定 p,1pp, 1 \le p \le \infty。若 fLp(μ)f \in L^p(\mu)α\alpha 是复数,显然 αfLp(μ)\alpha f \in L^p(\mu)。事实上, αfp=αfp\|\alpha f\|_p = |\alpha| \|f\|_p 结合定理 3.9,这表明 Lp(μ)L^p(\mu) 是一个复向量空间。

而如果你把 fgp\Vert f-g \Vert_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00当前仅当f=gf=g,所以你应该把几乎处处相等的函数看成一个等价类,而LpL^p空间是关于这个等价类的空间.

对于 1p1 \le p \le \infty 和任意正测度 μ\muLp(μ)L^p(\mu) 是完备度量空间。

首先,完备指的是极限在空间里,且ffnp\|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aia_i使得 faifai1p<12i\Vert f_{a_i}-f_{a_{i-1}} \Vert_p<\dfrac{1}{2^i}

那么令gn=i=2nfaifai1g_n=\sum _{i = 2} ^{n} \vert f_{a_i}-f_{a_{i-1}} \vert,那么对每一项来说,都有 faifai1p<12i\Vert f_{a_i}-f_{a_{i-1}} \Vert_p<\dfrac1{2^i},于是能推出 gn1\Vert g_n \Vert \le 1,显然gng_n是单增的,设gng_n的极限是gg,由单调收敛知 gp1\Vert g \Vert_p \le 1.所以gg几乎处处有界,也就是说gng_n几乎处处收敛.

这样的好处是说明了 faifai1f_{a_i}-f_{a_{i-1}} 几乎处处绝对收敛,于是faif_{a_i}就收敛了,设收敛到ff.

然后我们最后要证明ffanp\|f-f_{a_n}\|_p的,你学的定理都是积分的所以你考虑Xffanp\int_X \vert f-f_{a_n}\vert^p,所以你想交换积分号,然后 ffanf+fan2(fa1+g)\vert f-f_{a_n} \vert \le \vert f \vert +\vert f_{a_n} \vert \le 2(\vert f_{a_1} \vert +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fanf_{a_n}LpL^p下收敛到ff.

对其他的部分,用柯西转化到fanf_{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LL^\infty不成立

LL^\infty,我们仍然用取一个快速收敛的子列,此时fanfan112n\|f_{a_n}-f_{a_{n-1}}\|\le \dfrac1{2^n}几乎处处,于是ffanggn12n\vert f-f_{a_n}\vert\le g-g_n\le \dfrac{1}{2^n}几乎处处,于是就能推出子列和ff的距离是趋近00的,其他的部分转化到子列上是显然的.

1p1 \le p \le \infty{fn}\{f_n\}Lp(μ)L^p(\mu) 中的柯西序列,其极限为 ff,则 {fn}\{f_n\} 有一个子序列几乎处处逐点收敛于 f(x)f(x)

这就是上一条证明里构造的fanf_{a_n}.我们已经证明了这件事.

SSXX 上所有满足 μ({x:s(x)0})<\mu(\{x: s(x) \neq 0\}) < \infty 的复可测简单函数的集合。 若 1p<1 \le p < \infty,则 SSLp(μ)L^p(\mu) 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ff,同时非00区域越来越大(二进制构造的sns_nf<12nf<\dfrac1{2^n}时为00,所以越来越大).

因为处处sn<fs_n<f,所以snLp(μ)s_n\in L^p(\mu).

要证明

limnXfsnp=0\begin{gathered} \lim_{n \to \infty} \int_X \vert f-s_n \vert^p=0 \end{gathered}

因为 fsnp<(f+sn)p<2pfp\vert f-s_n \vert^p<(\vert f \vert +\vert s_n \vert)^p<2^p \vert f \vert^p,有控制函数,且 limnfsn=0\lim_{n \to \infty} f-s_n=0,于是控制收敛定理,交换积分和极限即证.

对于 1p<1 \le p < \inftyCc(X)C_c(X)Lp(μ)L^p(\mu) 中稠密。 (注:此处 XX 为局部紧 Hausdorff 空间,μ\mu 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fLpf\in L^p得到列sns_n.

sns_n用Lusin得到gng_n满足 μ({gnsn})<ϵn\mu(\{ g_n\ne s_n \})<\epsilon_nsupgnsupfn\sup |g_n|\le \sup |f_n|,于是 Xfgnp<ϵn2pfp\int_X \vert f-g_n \vert^p<\epsilon_n2^p|f|^p.

于是 fgnp<(2f)p|f-g_n|^p<(2|f|)^p,有控制函数,控制收敛即证.

Cc(Rk)C_c(R^k)fgp\|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00.(至少包含一个小格子).所以如果一点处不为00积分一定不为00.

于是Lp(Rk)L^p(R^k)Cc(Rk)C_c(R^k)赋予LpL^p范数的完备化.

局部紧 Hausdorff 空间 XX 上的复函数 ff 称为在无穷远处消失(vanish at infinity),如果对于任意 ϵ>0\epsilon > 0,存在紧集 KXK \subset X 使得对所有 xKx \notin Kf(x)<ϵ|f(x)| < \epsilonXX 上所有在无穷远处消失的连续函数 ff 的类称为 C0(X)C_0(X)。 显然 Cc(X)C0(X)C_c(X) \subset C_0(X),且若 XX 是紧的,则这两个类重合。在这种情况下我们写作 C(X)C(X)

XX 是局部紧 Hausdorff 空间,则 C0(X)C_0(X)Cc(X)C_c(X) 相对于由上确界范数 f=supxXf(x)\|f\| = \sup_{x \in X} |f(x)| 定义的度量的完备化。

首先要证明C0(X)C_0(X)是完备的.

你发现这个范数下的柯西列fnf_n一定一致收敛到某个函数ff.那么从一致收敛可以推连续性.

显然如果你取一个ϵ\epsilon,柯西列条件存在一个NN,于是能得到n>N    fnf<ϵn>N \implies |f_n-f|<\epsilon,于是,2ϵ\forall 2\epsilon,因为fnf_n在一个紧集外小于ϵ\epsilon,于是这外面f<2ϵ|f|<2\epsilon.

于是fC0f\in C_0,且从一致收敛容易知道ffn0\|f-f_n\| \to 0

再证明CcC_c稠密.显然任何一个fC0f\in C_0,找一个ϵn0\epsilon_n\to 0取出一个紧集KK,再找一个KVK\subset V满足V\overline{V}紧,可以找到KgVK\prec g\prec V,则fgfgCcC_c中的函数,这样就能构造出收敛到ff的列.

Chapter 4

复向量空间 HH 被称为内积空间(inner product space)或酉空间(unitary space),如果在 HH 中每一对有序向量 xxyy 都对应一个复数 (x,y)(x, y),称为 xxyy内积(或标量积),且满足以下规则:

  • (a) (y,x)=(x,y)(y, x) = \overline{(x, y)}。(横线表示复共轭)
  • (b) (x+y,z)=(x,z)+(y,z)(x + y, z) = (x, z) + (y, z) 对所有 x,y,zHx, y, z \in H 成立。
  • (c) (αx,y)=α(x,y)(\alpha x, y) = \alpha(x, y) 对所有 x,yHx, y \in H 和标量 α\alpha 成立。
  • (d) (x,x)0(x, x) \ge 0 对所有 xHx \in H 成立。
  • (e) (x,x)=0(x, x) = 0 当且仅当 x=0x = 0

施瓦茨不等式 (The Schwarz Inequality) 对于 HH 中的所有 xxyy,有 (x,y)xy|(x, y)| \le \|x\| \|y\| 其中 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=(xray),aR,a=1,rR,r>0a,r,(z,z)>0    (x,x)+ra(y,x)+ra(x,y)+r2(y,y)0    (y,y)r2+2r(x,y)+(x,x)r2(y,y)+ra(y,x)+ra(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}

[think] 我们要用(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 HH 中的 xxyy,有 x+yx+y\|x + y\| \le \|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 xzxy+yz\|x - z\| \le \|x - y\| + \|y - z\|。如果我们定义 xxyy 之间的距离为 xy\|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 HH 中收敛),则称 HH希尔伯特空间(Hilbert space)。

对于 HH 中任意固定的 yy,映射 x(x,y)x \to (x, y)x(y,x)x \to (y, x)xxx \to \|x\|HH 上是连续函数。

这里用对点定义的连续显然更好证:

(x1,y)(x2,y)=(x1x2,y)<x1x2y\begin{gathered} |(x_1,y)-(x_2,y)|=|(x_1-x_2,y)|<\|x_1-x_2\|\|y\| \end{gathered}

所以一致连续,显然也连续.x(y,x)x\to (y,x)同理.

x1x2<x1x2\begin{gathered} |\|x_1\|-\|x_2\||<\|x_1-x_2\| \end{gathered}

是三角不等式啊.所以也一致连续.

子空间 (Subspaces) 向量空间 VV 的子集 MM 称为 VV子空间,如果 MM 本身相对于 VV 中定义的加法和标量乘法构成一个向量空间。VV 的子集 MM 成为子空间的充要条件是:只要 x,yMx, y \in Mα\alpha 是标量,就有 x+yMx + y \in MαxM\alpha x \in MHH闭子空间是指相对于 HH 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 VV 中的集合 EE 称为凸集,如果它具有以下几何性质:只要 xE,yEx \in E, y \in E,且 0<t<10 < t < 1,则点 zt=(1t)x+tyz_t = (1 - t)x + ty 也属于 EE

注:每个子空间都是凸集;如果 EE 是凸集,其平移也是凸集。

就是包含任意两点连线.

如果对于 HH 中的 xxyy(x,y)=0(x, y) = 0,我们称 xxyy 正交(orthogonal),记为 xyx \perp y

xx^\perp 表示 HH 中所有与 xx 正交的 yy 的集合;如果 MMHH 的子空间,令 MM^\perp 表示 HH 中所有与 MM 中每个 xx 都正交的 yy 的集合。

注:xx^\perpMM^\perp 都是 HH 的闭子空间。

4.10 定理 (Theorem) 希尔伯特空间 HH 中的每个非空闭凸集 EE 都包含唯一的范数最小的元素。

首先显然唯一,因为如果x,yx,y都是范数最小的元素且xyx\ne y,则x,yx,y不共线,那么:

let m=x+y2x=y    (m,m)=14((x,x)+(y,y)+(x,y)+(y,x))14((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}

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xx使得x\|x\|为最小范数.一定能取到.

MM 是希尔伯特空间 HH 的闭子空间。

  • (a) 每个 xHx \in H 都有唯一的分解 x=Px+Qxx = Px + Qx,其中 PxMPx \in MQxMQx \in M^\perp.
  • (b) PxPxQxQx 分别是 MMMM^\perp 中距离 xx 最近的点.
  • (c) 映射 P:HMP: H \to MQ:HMQ: H \to M^\perp 是线性的.
  • (d) x2=Px2+Qx2\|x\|^2 = \|Px\|^2 + \|Qx\|^2.

分解是唯一的:若x=P1x+Q1x=P2x+Q2xx=P_1x+Q_1x=P_2x+Q_2x,则P1xP2x=Q2xQ1xP_1x-P_2x=Q_2x-Q_1x,左边是MM的右边是MM^\perp的,只能分别为00.

定义Px=arg minyMxy,Qx=xPxPx=\argmin_{y\in M} \|x-y\|,Qx=x-Px.

mM,m=1\forall m\in M,\|m\|=1,必然有Px+rmxPxx\|Px+rm-x\|\le \|Px-x\|,则

(Px+rmx,Px+rmx)=(Pxx,Pxx)+r(m,Pxx)+r(m,Pxx)+r2(Pxx,Pxx)    r(r+(m,Pxx)+(m,Pxx))>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}

但显然如哦(m,Pxx)=A0(m,Px-x)=A\ne 0,则r(r+2A)r(r+2A)可以为负,矛盾.所以一定有(m,Pxx)=0(m,Px-x)=0,于是QMQ\in M^\perp,(a)得证.

我们已经证明了PxPxMM中最近的,那么只要把PPQQ反过来就得到一个新的分解其中QxQx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=Px+Qx,y=Py+Qyx=Px+Qx,y=Py+Qy,则ax+byax+by显然就是aPx+bPy+aQx+bQyaPx+bPy+aQx+bQy,于是线性是显然的.

(d)是显然的.

推论 (Corollary) 如果 MHM \neq H,则存在 yH,y0y \in H, y \neq 0 使得 yMy \perp M。 (PPQQ 称为 HHMMMM^\perp 上的正交投影)。

如果 LLHH 上的连续线性泛函,则存在唯一的 yHy \in H 使得 Lx=(x,y)(xH)Lx = (x, y) \quad (x \in H)

如果L=0L=0y=0y=0.

考虑 N={xLx=0}N=\{ x|Lx=0 \},你发现只需要证dimV/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NN是闭集,外面是开集一定

那么考虑任取zN,x,let u=(Lx)z(Lz)xz\in N^\perp,\forall x,\text{let }u=(Lx)z-(Lz)x,则显然Lu=0Lu=0,于是(u,z)=0(u,z)=0,于是Lx=(Lx)(z,z)=(Lz)(x,z)Lx=(Lx)(z,z)=(Lz)(x,z).所以只要取y=Lzzy=\overline{Lz}z即可.

[think] 为什么有这么神秘的uu?需要你换一个视角,考虑xLxLzzx-\dfrac{Lx}{Lz}z,如果我们把LL看成某种方向的分量,那么LxLzz\dfrac{Lx}{Lz}z就是一个投影,从而uu是另一边的投影.

  • 线性组合:形如 c1x1++ckxkc_1 x_1 + \dots + c_k x_k 的向量。
  • 独立集:集合 SS 是独立的,如果 SS 的每个有限子集都是线性无关的。
  • 张成空间 [S][S]SS 的所有有限线性组合的集合(即包含 SS 的最小子空间)。
  • 正交归一集:希尔伯特空间 HH 中的一组向量 uαu_\alpha(其中 α\alpha 属于索引集 AA)称为正交归一集(orthonormal set),如果对于所有 αβ\alpha \neq \beta(uα,uβ)=0(u_\alpha, u_\beta) = 0,且对于每个 α\alphauα=1\|u_\alpha\| = 1
  • 傅里叶系数:如果 {uα:αA}\{u_\alpha: \alpha \in A\} 是正交归一集,我们将每个 xHx \in H 与定义在索引集 AA 上的复函数 x^\hat{x} 关联起来,定义为 x^(α)=(x,uα)(αA)\hat{x}(\alpha) = (x, u_\alpha) \quad (\alpha \in A)

假设 {uα:αA}\{u_\alpha: \alpha \in A\}HH 中的正交归一集,且 FFAA 的有限子集。设 MFM_F{uα:αF}\{u_\alpha: \alpha \in F\} 张成的空间。

(a)如果 φ\varphiAA 上的复函数且在 FF 之外为 0,则存在向量 y=αFφ(α)uαMFy = \sum_{\alpha \in F} \varphi(\alpha)u_\alpha \in M_F,使得 y^(α)=φ(α)\hat{y}(\alpha) = \varphi(\alpha) 对所有 αA\alpha \in A 成立。此外,

y2=αFφ(α)2\|y\|^2 = \sum_{\alpha \in F} |\varphi(\alpha)|^2

(b)如果 xHx \in HsF(x)=αFx^(α)uαs_F(x) = \sum_{\alpha \in F} \hat{x}(\alpha)u_\alpha,则 xsF(x)<xs\|x - s_F(x)\| < \|x - s\| 对于 MFM_F 中除 s=sF(x)s = s_F(x) 以外的所有 ss 成立,并且 αFx^(α)2x2\sum_{\alpha \in F} |\hat{x}(\alpha)|^2 \le \|x\|^2

4.15 符号说明 (Notation) 假设对每个 αA\alpha \in A0φ(α)0 \le \varphi(\alpha) \le \infty。符号 αAφ(α)\sum_{\alpha \in A} \varphi(\alpha) 表示集合中所有有限和 φ(α1)++φ(αn)\varphi(\alpha_1) + \dots + \varphi(\alpha_n) 的最小上界(即 φ\varphi 关于 AA 上计数测度的勒贝格积分)。L2(μ)L^2(\mu) 在此语境下通常写作 2(A)\ell^2(A)

4.16 引理 (Lemma) 假设 (a) XX and YY 是度量空间,XX 是完备的, (b) f:XYf: X \to Y 是连续的, (c) XX 有一个稠密子集 X0X_0,且 ff 在其上是等距映射, (d) f(X0)f(X_0)YY 中稠密。 那么 ffXXYY 上的等距映射。

4.17 定理 (Theorem){uα:αA}\{u_\alpha: \alpha \in A\}HH 中的正交归一集,PP 是向量 uαu_\alpha 的所有有限线性组合构成的空间。 不等式 αAx^(α)2x2\sum_{\alpha \in A} |\hat{x}(\alpha)|^2 \le \|x\|^2 对所有 xHx \in H 成立(贝塞尔不等式 Bessel inequality),并且映射 xx^x \to \hat{x}HH2(A)\ell^2(A) 上的连续线性映射,其在 PP 的闭包 Pˉ\bar{P} 上的限制是 Pˉ\bar{P}2(A)\ell^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){uα:αA}\{u_\alpha: \alpha \in A\}HH 中的正交归一集。关于 {uα}\{u_\alpha\} 的以下四个条件中,每一个都蕴含其他三个: (i) {uα}\{u_\alpha\}HH 中的极大正交归一集。 (ii) 集合 PP(所有有限线性组合)在 HH 中稠密。 (iii) 对每个 xHx \in H,有 αAx^(α)2=x2\sum_{\alpha \in A} |\hat{x}(\alpha)|^2 = \|x\|^2 (iv) 对所有 x,yHx, y \in H,有 αAx^(α)y^(α)=(x,y)\sum_{\alpha \in A} \hat{x}(\alpha)\overline{\hat{y}(\alpha)} = (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正交归一基)。

4.19 同构 (Isomorphisms) 两个希尔伯特空间 H1H_1H2H_2 称为同构的(isomorphic),如果存在一个 H1H_1H2H_2 上的双射线性映射 Λ\Lambda,且保持内积不变:(Λx,Λy)=(x,y)(\Lambda x, \Lambda y) = (x, y)。 如果 {uα:αA}\{u_\alpha: \alpha \in A\} 是希尔伯特空间 HH 中的极大正交归一集,且定义 x^(α)=(x,uα)\hat{x}(\alpha) = (x, u_\alpha),则映射 xx^x \to \hat{x}HH2(A)\ell^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} 称为由二元关系 \le 构成的偏序集,如果满足: (a) aba \le bbcb \le c 蕴含 aca \le c。 (b) 对所有 αP\alpha \in \mathscr{P}αα\alpha \le \alpha。 (c) aba \le bbab \le a 蕴含 a=ba = b。 子集 2\mathscr{2} 称为全序集(或线性序集),如果 2\mathscr{2} 中任意一对元素 a,ba, b 都满足 aba \le bbab \le 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 HH 中的每个正交归一集 BB 都包含在 HH 的某个极大正交归一集中。

4.23 定义 (Definitions)TT 为复平面上的单位圆。如果 ffTT 上的函数,且在 R1R^1 上定义为 f(t)=F(eit)f(t) = F(e^{it}),则 ff 是周期为 2π2\pi 的周期函数。 Lp(T)L^p(T) (1p<1 \le p < \infty) 是 R1R^1 上所有复值、勒贝格可测、周期为 2π2\pi 的函数的类,其范数定义为 fp={12πππf(t)pdt}1/p\|f\|_p = \left\{ \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi |f(t)|^p dt \right\}^{1/p} L(T)L^\infty(T)L(R1)L^\infty(R^1) 中所有 2π2\pi 周期函数的类,C(T)C(T)TT 上所有连续复函数的类。 三角多项式是形如 f(t)=n=NNcneintf(t) = \sum_{n=-N}^N c_n e^{int} 的有限和。

4.24 三角系统的完备性 (The Completeness of the Trigonometric System)Z\mathbb{Z} 为所有整数的集合,且令 un(t)=eint(nZ)u_n(t) = e^{int} (n \in \mathbb{Z})。 如果在 L2(T)L^2(T) 中定义内积为 (f,g)=12πππf(t)g(t)dt(f, g) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)\overline{g(t)} dt,则 {un:nZ}\{u_n : n \in \mathbb{Z}\}L2(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 fC(T)f \in C(T)ϵ>0\epsilon > 0,则存在一个三角多项式 PP 使得 f(t)P(t)<ϵ|f(t) - P(t)| < \epsilon 对于所有实数 tt 成立。

4.26 傅里叶级数 (Fourier Series) 对于任意 fL1(T)f \in L^1(T),我们通过以下公式定义 ff傅里叶系数f^(n)=12πππf(t)eintdt(nZ)\hat{f}(n) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)e^{-int} dt \quad (n \in \mathbb{Z}) ff傅里叶级数f^(n)eint\sum_{-\infty}^\infty \hat{f}(n)e^{int},其部分和为 sN(t)=NNf^(n)eints_N(t) = \sum_{-N}^N \hat{f}(n)e^{int}

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 {cn}\{c_n\} 是复数序列且 n=cn2<\sum_{n=-\infty}^\infty |c_n|^2 < \infty,则存在 fL2(T)f \in L^2(T) 使得 cn=12πππf(t)eintdtc_n = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)e^{-int} dt
  • 帕塞瓦尔定理 (Parseval theorem): n=f^(n)g^(n)=12πππf(t)g(t)dt\sum_{n=-\infty}^\infty \hat{f}(n)\overline{\hat{g}(n)} = \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(t)\overline{g(t)} dt 只要 fL2(T)f \in L^2(T)gL2(T)g \in L^2(T);(6) 左边的级数绝对收敛;且如果 sNs_N 如上定义,则 limNfsN2=0\lim_{N \to \infty} \|f - s_N\|_2 = 0