邓嘉驹
资料/测度论

函数与积分

第 12 章 · 3 节

12.1可测函数

在引入可测函数之前,我们先介绍一个基本结果。

命题 12.1

设是一个可测空间,是的一个子集。 对于函数,以下条件等价:

  1. 对于每个实数,集合;

  2. 对于每个实数,集合;

  3. 对于每个实数,集合;

  4. 对于每个实数,集合。

证明
  1. 若表述1成立,则,表述2成立;

  2. 若表述2成立,则,表述3成立;

  3. 若表述3成立,则,表述4成立;

  4. 若表述4成立,则,表述1成立。

定义 12.1 (可测函数)

设为可测空间,是的一个子集。 若函数满足命题 12.1的任一条件,则称其关于可测(measurable with respect to )。 关于可测的函数有时也称为-可测(-measurable); 当-代数在上下文明确时,简称为可测。 关于可测的函数称为Borel可测(Borel measurable)或Borel函数(Borel function),关于可测的函数称为Lebesgue可测(Lebesgue measurable)。

注

根据命题 11.13,显然每个上的Borel可测函数是Lebesgue可测的。

我们先讨论一些可测函数的例子,随后讨论可测函数的基本性质。

例 12.1
  1. 设连续,则对于每个实数,是开集,故是Borel可测的;

  2. 设是的一个子区间,是非减的。 那么对于每个实数,集合(可能为空)是一个Borel集,因此是Borel可测的;

  3. 设是一个可测空间,是的一个子集。 那么的示性函数是-可测的当且仅当1;

  4. 若一个函数只有有限多个非零值,则称其为简单函数(simple function)。 设是一个可测空间,是简单函数,是的值,则是-可测的当且仅当2对所有成立。

命题 12.2

设为可测空间,是的子集,和为上取值于的可测函数。 那么集合和均属于。

证明

利用有理数的稠密性(定理 1.8)及其可数性(命题 1.7),

(12.1.1)

因此我们有

(12.1.2)
(12.1.3)
定义 12.2

设和为上取值于的函数,为上取值于的函数列。

  1. 和最大值和最小值分别定义为

    (12.1.4)
  2. 的上确界和下确界分别定义为

    (12.1.5)
  3. 的上极限和下极限分别定义为

    (12.1.6)
  4. 的极限定义为。

注

根据命题 1.25,定义在集合上,未必定义在整个上。

命题 12.3

设为可测空间,是的一个子集,和为上取值于的函数,则和均为-可测的。

证明

和的可测性源于如下恒等式:

(12.1.7)
(12.1.8)
命题 12.4

设为可测空间,是的一个子集,为上取值于的可测函数列,那么

  1. 函数和是-可测的;

  2. 函数和是-可测的;

  3. 定义在上的函数是-可测的。

证明
  1. 和的可测性源于如下恒等式:

    (12.1.9)
    (12.1.10)
  2. 对于每个正整数,可定义和。 根据命题 1.26,

    (12.1.11)
    (12.1.12)
  3. 根据上述结论与命题 12.2,和是-可测的,因此,进而

    (12.1.13)

在以下两个命题中,我们讨论取值于的可测函数在上的算术运算; 对于取值于的函数,其算术运算更棘手,也较少使用。

命题 12.5

设为可测空间,是的一个子集,和为上取值于的可测函数,为非负实数,那么和是可测的。

证明

当时,对所有成立; 当时,,因此可测。 利用有理数的稠密性(定理 1.8)及其可数性(命题 1.7),

(12.1.14)

因此也是可测的。

命题 12.6

设为可测空间,是的一个子集,和为上的实值可测函数,为实数,那么和可测,其中的定义域为。

证明

仿照命题 12.5的证明,分为正、为负、为零的三种情况讨论,可证明可测。 另外,也可测,因此可测。 下面证明可测时也可测。 首先对于实数,; 对于,。 因此可测,进而可测。 现在设为的定义域,那么恰好为

(12.1.15)

而括号内的两个集合各自属于,故可测。

定义 12.3 (可测函数的正部与负部)

设是一个集合,是上的扩充实值函数,那么其正部(positive part)与负部(negative part)分别是定义为和的扩充实值函数,即对于任意,

(12.1.16)
注

若是可测空间,那么命题 12.3和命题 12.6表明,那么定义在的子集上的函数可测当且仅当和均可测,此时也可测。

命题 12.7

设为可测空间,是的一个子集,为上取值于的可测函数。

  1. 若是-可测的,是的一个子集,则在上的限制是-可测的;

  2. 若是属于的一个集合列且,同时对于每个,在上的限制是-可测的,则是-可测的。

证明

该结论源于以下两个恒等式(请读者自行证明):

(12.1.17)
(12.1.18)

在本章后续讨论中,我们将反复用到以下基本结果。

命题 12.8

设为可测空间,是的一个子集,为上取值于的可测函数,那么存在上取值于的可测简单函数列,其满足

(12.1.19)
证明

对于每个正整数和正整数,可测要求。 定义从到的函数列,使得在上每个点取值为其左端点值,而在上每个点取值为。 可见每个只有个取值,是简单函数; 根据例例 12.1中的讨论,可测当且仅当且。 这意味着对于任意实数,包含至多可数个关于的并集,因此可测。 容易验证函数列关于在每个上单调递增,下面证明该函数列收敛到。 若,根据Archimedean性质(命题 1.19)以及定理 1.7,存在最小的正整数使得,即,那么存在正整数使得,使得,因此; 若,那么根据的定义,对所有正整数成立,因此,从而。

推论 12.1

设为可测空间,是的一个子集,为上取值于的可测函数,那么存在上取值于的可测简单函数列,使得对每个成立。

证明

根据命题 12.3,的正部和负部均可测,因此根据命题 12.8,分别存在取值于的简单函数列和,使得和对每个成立。 根据命题 12.6,对每个定义可测简单函数,从而对每个成立。

以下命题给出了一些考虑可测函数的其他方法,其中最后一种可用于处理更一般的情形。

命题 12.9

设为可测空间,是的一个子集。 对于函数,以下条件等价:

  1. 关于可测;

  2. 对于的每个开集,集合;

  3. 对于的每个闭集,集合;

  4. 对于的每个Borel子集,集合。

证明

由于涉及Borel子集,我们需要构造一个包含所有开集的代数。 设子集族,那么首先有; 对于任意,,因此; 对于任意子集族,,因此。 综上,构成一个-代数。 根据命题 12.1,关于可测当且仅当,因此; 根据命题 11.2,包含所有形如的区间当且仅当包含Borel -代数,因此表述1和表述4等价。 再次利用命题 11.2表述2、表述3和表述4彼此等价。

在本节先前的所有讨论中,我们仅考虑是取值于扩充实数的函数,即是从可测空间到可测空间的映射。 若函数的像为一般可测空间,其可测性也有类似的推广定义。

定义 12.4 (可测函数)

设和为可测空间。 对于函数以及中的每个,若集合,则称关于和可测(measurable with respect to and ); 有时也称是从到的可测函数(measurable function),或者简单称是可测的。 类似地,对于子集以及函数,若且对所有成立,则称可测。

根据定义,我们很容易证明复合函数的可测性。

命题 12.10

设和为可测空间,和均可测,则也是可测的。

下述结论对于验证函数的可测性往往十分有用。

命题 12.11

设和为可测空间,为的子集族,满足,那么函数关于和可测当且仅当对每个中的成立。

证明

充分性是显然的; 对于必要性,设对中每个成立,。 类似命题 12.9的证明,可知是一个-代数。 由于包含,故。

12.2积分

在正式开始本章内容之前,我们需要先引入“几乎处处成立”的概念; 这一概念有时放宽了在整个定义域上的要求。

定义 12.5 (-几乎处处成立)

设为测度空间,若中使得某个性质不成立的点集是-可忽略的(-negligible),则称该性质在上-几乎处处成立(hold -almost everywhere); 换言之,若存在集合满足且包含性质不成立的每个点,则称该性质-几乎处处成立。 更一般地,若是的一个子集,那么使得中该性质不成立的点集是-可忽略的性质称为-几乎处处成立。 -几乎处处成立常简写为-a.e.或a.e.。 当测度在上下文明确时,也常几乎处处成立简写为a.e.。

注

对于几乎处处成立的性质,设为中使得该性质不成立的点构成的集合,需要注意不必属于,只要求存在包含的-可测子集。 当然,若完备,则有。

2.1 简单函数的积分

定义 12.6 (积分)

设为测度空间,为上所有简单实值-可测函数构成的族,为中所有非负函数构成的族。 若且由给出,其中为非负实值,是的不相交子集,那么关于的积分(integral)定义为。

注

这里需要说明的是,积分仅依赖于简单函数本身而不依赖于其展开表示。 设还可以表示为,其中是非负实值,是的不相交子集。 若,则记并取; 反之类似。 因此不失一般性,总可以设,进而,其中关于不同的和不相交。 另外,在非空的上,,因此

(12.2.1)

可见不依赖于的具体形式表达。

首先证明一些关于简单函数积分的基本性质。

命题 12.12

设为可测空间,,为非负实数,则

  1. ;

  2. ;

  3. 若对中每个点成立,则。

证明

设,其中是非负实值,是的不相交子集。 类似可设。 性质1是显然的,对于性质2和3,利用测度的可数可加性与非负性,

(12.2.2)
(12.2.3)
命题 12.13

设为测度空间,,为中的非减序列,且使得对每个中的成立,那么。

证明

根据命题 12.12,首先有。 根据单调收敛准则(定理 1.12),实数列极限存在。 假设存在使得,那么存在正数,使得对所有成立,这与矛盾。 因此,根据命题 12.12,对所有成立。 利用极限的单调性(定理 1.15),; 对于反向不等式,设,我们希望构造中的非减函数列,使得对每个成立,同时满足。 设为的非零值,为取值为时对应的的子集。 仿照命题 12.8的构造,设。 根据例例 12.1的讨论,可测当且仅当对所有成立,那么是有限个的并集,因而。 由于非减,对于给定的,集合也是非减的。 对于任意,存在使得对所有成立,即; 反之显然给出。 因此,定义,那么对于任意,; 对于任意,。 综上,对每个成立; 并且根据命题 11.7,关于递增意味着,因此

(12.2.4)

利用命题 12.12和极限的单调性,对任意成立,因此等号成立。

注

该结论是下一节中单调收敛定理 12.1的弱化版,不过现在我们尚且需要利用此结论定义积分。

2.2 取值于函数的积分

定义 12.7 (积分)

设为测度空间,对于上取值于的-可测函数,其Lebesgue积分定义为

(12.2.5)

类似地,我们也证明一些关于取值于的可测函数积分的基本性质。

命题 12.14

设为测度空间,为上取值于的-可测函数,为中使得对中每个成立的非减简单函数列,则。

证明

作为命题 12.13的推广,仿照其证明首先有; 对于反向不等式,设为中任意满足的-可测函数,那么是中的非减函数列。 另外对于中的每个以及任意正数,存在使得对所有成立。 若,则对所有成立; 若,则取,使得对所有成立。 因此。 根据命题 12.13以及极限的单调性(定理 1.15),。

命题 12.15

设为测度空间,和为上取值于的-可测函数,为非负实数,则

  1. ;

  2. ;

  3. 若对中每个点成立,则。

证明

根据命题 12.8,存在上取值于的非减可测简单函数列和,使得且。 根据命题 12.12,和对每个成立。 根据命题 12.14,

(12.2.6)
(12.2.7)

对于最后一条,利用定义以及可证。

2.3 扩充实值函数的积分

定义 12.8 (积分)

设为测度空间,对于上取值于的-可测函数,若和均有限,则称为-可积的(-integrable)或可和的(summable),其Lebesgue积分定义为

(12.2.8)

若和至少一个有限,则称的极限存在(exist); 在这种情况下,的定义不变。 对于以上两种情况,有时用或的写法代替。 特别地,对于且的情形,通常称上述积分为Lebesgue积分(Lebesgue integral),将其记为; 区间上的积分常用表示。 若要强调Lebesgue积分,则用表示。

注

设是-可测的,。 若函数是可积的,则称在上可积(integrable over ),将积分定义为。 一般地,在的情形中,常用代替,并称是可积的。

为了证明形式上类似命题 12.14和命题 12.15的结论,我们首先需要一个引理。

引理 12.1

设为测度空间,和为上满足的非负实值可积函数,则。

证明

根据条件,; 那么根据命题 12.15,

(12.2.9)
命题 12.16

设为测度空间,和为上的实值可积函数,为实数,则

  1. 和可积;

  2. ;

  3. ;

  4. 若对中每个点成立,则。

证明

设的正部与负部分别为和,因此当时,显然成立; 若,则根据命题 12.15,,类似地,因此可积,且; 若,利用类似可证。 由于对所有成立,因此,类似地。 根据命题 12.15,,类似地,因此可积。 注意到,根据引理 12.1,

(12.2.10)

若对中的每个成立,那么根据性质1,是非负可积函数,因此; 再利用性质3,。

例 12.2
  1. 若是有限测度,则上的每个有界可测函数都是可积的。 这是因为此时存在使得,即对所有成立。 那么根据命题 12.15,,类似地,因此可积;

  2. 特别地,每个上的有界Borel函数是Lebesgue可积的,进而每个连续函数都是Lebesgue可积的。 这是因为此时存在使得有界Borel函数满足,即对所有成立; 并且对于任意满足的简单函数,。 因此,类似地,从而可积;

  3. 设是上所有的子集构成的-代数,是上的计数测度(参见例例 11.2),则上的非负函数是-可积的当且仅当无穷级数收敛。 这是因为上的非负函数可表示为,而定义为的简单函数列非减,并且。 根据命题 12.14,。 可见对于非负函数,由于,可积当且仅当,即当且仅当。 一般地,定义在上的函数可积当且仅当绝对收敛;

  4. 几乎处处为零的简单可测函数是可积的,其积分为0。 对于几乎处处为零的任意可测函数,设其正部和负部分别为和。 根据命题 12.2,对于测度空间,。 现在定义函数: 若,那么,否则。 定义函数列为,那么且。 根据命题 12.14和命题 12.15,; 而命题 12.15同时表明,因此; 类似地,从而。 对于反向结论,可参见推论 12.3。

2.4 积分的基本性质

命题 12.17

设为测度空间,是上取值于的-可测函数,那么可积当且仅当可积。 若或可积,则。

证明

可积当且仅当和可积,根据命题 12.15,可积时,即可积; 反之若可积,根据命题 12.15,,类似地,从而可积。 此时

(12.2.11)
注

需要注意的是,该结论对于不可测函数不成立; 换言之,存在不可积但绝对可积的不可测函数。 考虑从到的函数,其中为定理 11.2中构造的非Lebesgue可测集。 假设是Lebesgue可测的,根据命题 12.2,,矛盾。 因此不是Lebesgue可测的; 但是是Lebesgue可积的。

命题 12.18

设为测度空间,和为上取值于且几乎处处相同的-可测函数。 若或存在,则两者均存在,且。

证明

首先考虑和均非负的情形。 根据命题 12.2,,那么。 定义函数

(12.2.12)

以及非减函数列,其中对每个成立,则。 根据命题 12.15,。 因此结合命题 12.14,; 对称地,从而。 对于任意和,和、和在上相同,因此积分相等,进而。

命题 12.19

设为测度空间,为上取值于的-可测函数。 若是正实数,,则。

证明

利用的关系,根据命题 12.15,。

推论 12.2

设为测度空间,是上取值于的可积函数,则在下-有限。

证明

设,则根据命题 12.17和命题 12.19,。 另外,容易验证,因此结论得证。

推论 12.3

设为测度空间,是上取值于且满足的-可测函数,那么是-几乎处处为零的。

证明

类似推论 12.2的证明,此时即对每个正整数成立。 根据命题 11.7,。

推论 12.4

设为测度空间,为上取值于且使得对所有成立的可积函数,则是-几乎处处成立的。

证明

设,则。 根据条件,; 而推论 12.3表明几乎处处为零,即的测度为0。 又因为,故,即是-几乎处处成立的。

推论 12.5

设为测度空间,是上取值于的可积函数,则对于中几乎每个成立。

证明

设,根据命题 12.17和命题 12.19,。 利用极限的单调性(定理 1.15),,因此。 根据命题 11.7,。

2.5 复值函数

定义 12.9 (复值函数可积性)

设为测度空间,若上复值函数的实部和分别可积,则称可积(integrable); 若可积,则其积分定义为。

类似命题 12.16,我们有如下结论。

命题 12.20

设为测度空间,和为上的复制可积函数,为复数,则

  1. 和可积;

  2. ;

  3. 。

证明

设的实部和虚部分别为和,的实部和虚部分别为和。 根据命题 12.16,; 类似地,因此可积,此时

(12.2.13)

设的实部和虚部分别为和,根据命题 12.16,; 类似地,因此可积,此时容易证明。

对于复值可积函数,也有类似命题 12.17控制收敛的结论。

命题 12.21

设为测度空间,为上关于和可测3的复值函数,那么可积当且仅当可积。 若或可积,则。

证明

由于复数的模运算与中内积诱导的范数具有相同的形式,故函数是从到的同胚。 那么关于和的可测性等价于关于和的可测性。 为了书写简便,后续证明将视为上的函数4。 这意味着对于任意形如的闭半空间,,其中且。 因此,即是可测的; 类似地也是-可测的。 现在利用有理数的稠密性(定理 1.8),对于任意正实数,可表示为

(12.2.14)

其中允许任意集合为空集,并集属于利用了的可数性(命题 1.7); 对于任意,。 因此也是-可测的。 若可积,则根据命题 12.17,和均可积; 再利用命题 12.16,,从而可积。 反之若可积,则根据命题 12.16,; 根据命题 12.17,和均可积,进而可积。 当和可积时,记,那么根据命题 12.16和命题 12.20,

(12.2.15)

12.3极限定理

这一节内容主要用于对积分的一些特征进行更细致的刻画,与纠缠理论不甚相关; 并且这些结论与《数学分析》课程中学习的关于Riemann积分的结论大体一致。 有鉴于此,读者可根据自身能力与需求阅读本节。

定理 12.1 (单调收敛定理)

设为测度空间,和是上取值于的-可测函数,若

(12.3.1)

在中几乎每个点成立,则。

证明

首先假定(12.3.1)式对每个成立,那么仿照命题 12.13的证明,可知; 对于反向不等式,根据命题 12.8,对每个可选择取值于的可测非减简单函数列,使得。 定义函数,那么是取值于的非零简单函数列,并且,否则存在,使得不成立。 此外,

(12.3.2)

对于任意正数,存在自然数和,分别使得对所有成立、对所有成立。 因此在(12.3.2)式中取,则存在自然数,使得

(12.3.3)

对所有成立,即。 根据命题 12.14和命题 12.15以及收敛的单调性(定理 1.15),。 现在设包含使得(12.3.1)式中至少一个条件不成立的所有点,同时满足。 那么和函数列满足前述条件,故。 由于与、与几乎处处相等,根据命题 12.18,。

注

该结论是命题 12.13的推广,将其中和均简单可测的条件放宽到取值于且可测; 值得注意的是,该定理中函数以及函数列只假定非负且可测,并不要求其可积。

推论 12.6 (Beppo Levi定理)

设为测度空间,是无穷级数,其各项为上取值于的-可测函数,则

(12.3.4)
证明

设函数,函数列中每一项为,因此非减且。 利用单调收敛定理 12.1,。

例 12.3

上述推论可用于构造如下一类测度: 设为测度空间,,定义函数为,则是可测空间上的测度。 这是因为对于不相交子集族,。 该等式还表明,是有限测度当且仅当是-可积的。

下一结论常用于证明函数是可积的,或者提供积分值的上界。

定理 12.2 (Fatous引理)

设为测度空间,为上取值于的-可测函数列,则

(12.3.5)
证明

对于每个正整数,定义,那么根据命题 12.4,是非减且-可测的。 设,则根据单调收敛定理 12.1,。 另外,根据命题 12.15,对所有成立,因此关于取下确界得。 最终得到。

定理 12.3 (Lebesgue控制收敛定理)

设为测度空间,为上取值于的可积函数,和为上取值于的-可测函数,使得

(12.3.6)

对中几乎每个成立,则和是可积的,并且。

证明

首先证明函数和函数列的可积性。 根据命题 12.15,; 因此根据命题 12.17,也是可积的。 又因为对每个成立,结合极限的单调性(定理 1.15),。 再次利用命题 12.17,可证明可积。 现在假定对中每个成立,那么根据命题 12.3,是非负-可测函数列,极限的线性性(定理 1.15)要求。 因此根据Fatou引理定理 12.2和命题 1.25,

(12.3.7)

因此; 类似地,,从而。 根据命题 1.25,意味着收敛到。 最后设包含使得(12.3.6)式中至少一个条件不成立的所有点,同时满足。 类似单调收敛定理 12.1最后一段论述,可证明此时结论也成立。

  1. 若,对于任意实数,可能为、或,因此属于,即是-可测的; 反之若是-可测的,,因此。
  2. 对于充分性,; 反之对于必要性,考虑任意实数,记有限指标集,那么,因此可测。
  3. 对于一般拓扑空间上的Borel -代数,我们将放在第第 13 章章介绍; 这里我们先将理解为所有复平面上的开集构成的集族。
  4. 尽管与上的函数存在解析性质上的差异,但就函数可测性而言,可以将两者视为等同(参见[3])。