实分析

18.5 可测函数 ​

定义 ​

  1. (18.5.1 可测函数)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→Rm是一个函数。那么我们称函数f是可测的,当且仅当对于每一个开集V⊆Rm,f−1(V)都是可测的。

  2. (18.5.9 广义实数系上的可测函数)设Ω是Rn的可测子集。那么我们称函数f:Ω→R∗是可测的,当且仅当对于每一个实数a,f−1((a,+∞])都是可测的。

    (注:引理18.5.8保证了在广义实数系R∗上取值的函数的可测性概念是一致的)


命题 ​

  1. (18.5.2 连续函数是可测的)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→Rm是一个连续函数。那么f也是可测的。

    (注:回顾第12章和第13章的内容,回想一下连续函数对开集逆象的影响与相对拓扑的知识会对证明这个命题有所帮助)

  2. (18.5.3 可测函数的等效定义?)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→Rm是一个函数。那么f是可测的,当且仅当对于每一个开盒子B,f−1(B)都是可测的。

    (注:联系引理18.4.10)

    推论:

    1. (18.5.4)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→Rm是一个函数。如果f=(f1,...,fm),其中fj:Ω→R是f的第j个分量,那么f是可测的,当且仅当每一个独立的fi都是可测的。

      (注:比较可惜的是,两个可测函数的复合不一定是可测的,但是我们有一个关于复合函数弱一点的结论,参见引理18.5.5)

  3. (18.5.5 连续函数与可测函数的复合?)设Ω是Rn的可测子集,并设W是Rm的开子集。如果f:Ω→W是可测的,并且g:W→Rp是一个连续函数。那么g∘f:Ω→Rp是可测的。

    推论:

    1. (18.5.6)设Ω是Rn的可测子集,如果f:Ω→R是一个可测函数,那么|f|,max(f,0)和min(f,0)也都是可测的。

      (注:引理18.5.5作用于g(x):=|x|,g(x):=max(x,0)和g(x):=min(x,0)的特殊结论)

    2. (18.5.7)设Ω是Rn的可测子集,如果f:Ω→R和g:Ω→R都是可测函数,那么f+g、f−g、fg、max(f,g)和min(f,g)也都是可测函数。特别地,如果对于所有的x∈Ω都有g(x)≠0,那么f/g也是可测的。

      (注:使用引理18.5.5作用于k(a,b):=a+b、k(a,b):=a−b、k(a,b):=ab、k(a,b):=max(a,b)、k(a,b):=min(a,b)和k(a,b):=a/b的,同时考虑结合推论18.5.4,尝试与形如h:=(f,g)的函数做复合)

  4. (18.5.8)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→R是一个函数。那么f是可测的,当且仅当对于每一个实数a,f−1((a,∞))都是可测的。

  5. (18.5.10 可测函数序列的极限是可测的)设Ω是Rn的可测子集,对于每一个正整数n,设fn:Ω→R∗是一个可测函数,那么supn≥1fn、infn≥1fn、lim supn→∞fn和lim infn→∞fn也都是可测的。特别地,如果fn逐点收敛于函数f:Ω→R∗,那么f也是可测的。

    (注:如同本节内容所述,我们对可测函数做任何事情几乎都能构造出另一个可测函数。这基本上解释了为什么我们在数学中处理的每一个函数差不多都是可测的;实际上,构造不可测函数的唯一方法就是认为的去构造,比如使用选择公理)


课后习题 ​

18.5.1 证明引理18.5.3(提示:利用引理18.4.10和σ代数性质) ​

显然“对于每一个开集V⊆Rm,f−1(V)都是可测的”覆盖了“对于每一个开盒子B,f−1(B)都是可测的”,因此我们只需要证明当有“对于每一个开盒子B,f−1(B)都是可测的”时就有f可测即得证了充分必要性。

考虑任意的开集V⊆Rm,根据引理18.4.10我们知道它可以表示成至多可数个开盒子(Bj)j∈J的并集。然后我们注意到:

f−1(V)=f−1(⋃j∈JBj)=⋃j∈Jf−1(Bj)

从而我们有f−1(V)可以表示为至多可数个可测集的并集,然后根据可测集的σ代数性质即有f−1(V)也是可测的的,从而根据可测函数的定义即有f是可测的。

18.5.2 利用引理18.5.3推导出推论18.5.4 ​

分别证明充分必要性。

若有f是可测的,则考虑f的分量函数f1,并考虑区间B1⊆R是R中的开盒子(也就是开区间)。然后注意到:

f1−1((ai,bi))={p∈Ω:f1(p)∈B1}={p∈Ω:f1(p)∈B1∧fi(p)∈R(2≤i≤m)}={p∈Ω:(f1(p),...,fm(p))∈B1×Rm−1}={p∈Ω:f(p)∈B1×Rm−1}=f−1(B1×Rm−1)

注意到$ B_1\times\mathbb R^{m-1}是一个开集,因此由f的可测性我们有f^{-1}(B_1\times\mathbb R^{m-1})=f^{-1}_1(B_1)也是可测的。从而根据引理18.5.3,由于f_1满足对所有的开盒子B_1\subseteq\mathbb R都有f^{-1}_1(B_1)是可测的,因此我们有f_1$是可测的。其它分量函数也是类似地证明方法可以得证是可测的。

反过来,如果有每一个独立的fi都是可测的,那么考虑B=∏i=1mBi是Rm中的开盒子(其中每一个Bi都是R中的开区间)。那么有:

f−1(B)={x∈Ω:f(x)∈B}={x∈Ω:∀1≤i≤m,fi(x)∈Bi}=⋂i=1mfi−1(Bi)

然后由于每一个fi都是可测的且Bi都是R中的开集,因此我们有每一个f−1(Bi)都是可测的,然后根据引理18.4.4(d)可以得到f−1(B)也是可测的。从而综上所述我们论证了对每一个B⊆Rm是开盒子都有f−1(B)是可测的,从而根据引理18.5.3我们有f可测。

综上,于是结论得证。

18.5.3 证明引理18.5.5 ​

考虑任意的开集V⊆Rp,由于g是连续的,因此我们有g−1(V)也是开的;然后由于f是可测的,因此我们有f−1(g−1(V))是可测的。然后注意到:

对任意的x∈f−1(g−1(V)),我们有f(x)∈g−1(V),然后由逆象的定义有g(f(x))=g∘f(x)∈V,从而也即有x∈(g∘f)−1(V);另一方面,对任意的x∈(g∘f)−1(V),我们有g∘f(x)=g(f(x))∈V,从而有f(x)∈g−1(V),进而即有x∈f−1(g−1(V))。

于是即(g∘f)−1(V)=f−1(g−1(V))。这说明上面的证明证明了对任意的开集V⊆Rp都有(g∘f)−1(V)可测,也即有函数g∘f可测。

18.5.4 证明引理18.5.8(提示:使用引理18.5.3。作为一个预备步骤,你可能需要证明如果对于所有的a,f−1((a,∞))都是可测的,那么对于所有的a,f−1([a,∞))也是可测的) ​

显然“对于每一个开集V⊆R,f−1(V)都是可测的”覆盖了“对于每一个实数a,f−1((a,∞))都是可测的”,因此我们只需要证明当有“对于每一个实数a,f−1((a,∞))都是可测的”时就有f可测即得证了充分必要性。

我们首先证明一个子结论:对于每一个实数a,f−1((a,∞))都是可测的,当且仅当对于每一个实数a,f−1([a,∞))都是可测的。

注意到:

⋂n=1∞f−1((a−1n,∞))=⋂n=1∞{x∈Ω:f(x)∈(a−1n,∞)}={x∈Ω:∀n≥1,f(x)∈(a−1n,∞)}={x∈Ω:f(x)∈[a,∞)}=f−1([a,∞))⋃n=1∞f−1([a+1n,∞))=⋃n=1∞{x∈Ω:f(x)∈[a+1n,∞)}={x∈Ω:∃n≥1,f(x)∈[a+1n,∞)}={x∈Ω:f(x)∈(a,∞)}=f−1((a,∞))

从而当对于每一个实数a都有f−1((a,∞))可测时,我们可以注意到对于每一个实数a都有f−1([a,∞))可以表示为可数个可测集的交集;当对于每一个实数a都有f−1([a,∞))可测时,我们可以注意到对于每一个实数a都有f−1((a,∞))可以表示为可数个可测集的并集。此时统一使用可测集的σ代数性质(引理18.4.9)我们就可以分别得证“对于每一个实数a都有f−1([a,∞))可测”与“对于每一个实数a都有f−1((a,∞))可测”,从而得证充分必要性。

然后考虑(a,b)是R中的一个开区间,此时我们可以注意到:

f−1((a,b))={x∈Ω:a<f(x)<b}={x∈Ω:f(x)∈(a,∞)∧f(x)∉[b,∞)}=f−1((a,∞))\f−1([b,∞))

然后根据推论18.4.7与我们已经证明的子结论,我们有f−1((a,b))也是可测的。从而综上我们证明了对任意一个开盒子(a,b)⊆R都有f−1((a,b))可测,然后根据引理18.5.3我们有f是可测的,结论得证。

18.5.5 设f:Rn→R是一个勒贝格可测函数,并设g:Rn→R是一个函数,它在测度为零的集合之外与f相同,即存在一个测度为零的集合A⊆Rn使得对于所有的x∈Rn\A均有f(x)=g(x)。证明:g也是勒贝格可测的(提示:利用习题18.4.10) ​

考虑任意的V⊆R是一个开集。注意到:

g−1(V)=(g−1(V)∩A)∪(g−1(V)\A)={x∈A:g(x)∈V}∪{x∈Rn\A:g(x)∈V}={x∈A:g(x)∈V}∪{x∈Rn\A:f(x)∈V}={x∈A:g(x)∈V}∪(f−1(V)\A)

然后我们注意到:由于f是可测的且V是开集,因此有f−1(V)可测;由于A是一个测度为零的集合,因此{x∈A:g(x)∈V}与f−1(V)∩A作为A的子集也应该是可测的(习题18.4.10);然后由于f−1(V)∩A是f−1(V)的可测子集且f−1(V)\A=f−1(V)\(f−1(V)∩A),因此运用推论18.4.7我们有f−1(V)\A也是可测的。最后综合上面的讨论,我们可以得到g−1(V)可以表示为两个可测集的并集,因此根据引理18.4.4(c)我们也有g−1(V)是可测的。

综上,于是我们证明了:对任意的V⊆R是一个开集都有g−1(V)是可测的。于是根据可测函数的定义我们有g也是勒贝格可测的。


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实分析 12.3 相对拓扑

实分析 13.1 连续函数

实分析 18.4 可测集