实分析

19.1 简单函数 ​

定义 ​

  1. (19.1.1 简单函数)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→R是一个可测函数。如果象集f(Ω)是一个有限集,那么我们称f是一个简单函数。也就是说,存在有限个实数c1,c2,...,cN,使得对于每一个x∈Ω都存在一个1≤j≤N满足f(x)=cj。

    (注:一个简单函数的例子,设Ω是Rn的可测子集,并设E是Ω的可测子集,定义特征函数χE:Ω→R为:当x∈E时,χE(x)=1;当x∉E时,χE(x)=0(在某些教材中,特征函数χE也被写作1E,并称为指示函数)。那么χE是一个可测函数,并且它还是一个简单函数,因为象集χE(Ω)={0,1}(或者,当E=∅时χE(Ω)={0};当E=Ω时χE(Ω)={1}))

  2. (19.1.6 简单函数的勒贝格积分)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→R是一个非负的简单函数。那么f是可测的,象集f(Ω)是有限集并且包含在[0,+∞)中。于是,我们将f在Ω上的勒贝格积分∫Ωf定义为:

    ∫Ωf:=∑λ∈f(Ω);λ>0λm({x∈Ω:f(x)=λ})

    (注:我们有时也把∫Ωf记作∫Ωfdm以此来强调勒贝格测度m的作用,或者如果黎曼积分时那样用一个像x这样的虚拟变量,比如∫Ωf(x)dx;这个定义与我们对积分的直观概念相对应,即将积分看作函数图像下方的面积)


命题 ​

  1. (19.1.3)设Ω是Rn的一个可测子集,并设f:Ω→R和g:Ω→R是简单函数。那么f+g是一个简单函数,另外,对于任意的标量c∈R,函数cf也是一个简单函数。

    (注:引理19.1.3给出了简单函数构成了向量空间这一基本性质)

  2. (19.1.4)设Ω是Rn的一个可测子集,并设f:Ω→R是一个简单函数。那么存在有限多个实数c1,...,cN和Ω中的有限多个互不相交的可测集E1,E2,...,EN使得f=∑i=1NciχEi。

    (注:引理19.1.4给出了简单函数是特征函数的线性组合这一基本性质)

  3. (19.1.5)设Ω是Rn的一个可测子集,并设f:Ω→R是一个可测函数。如果f始终是非负的,即对于所有的x∈Ω都有f(x)≥0,那么存在一个简单函数序列f1,f2,f3,...,其中fn:Ω→R,使得序列fn是非负且单调递增的:

    ∀x∈Ω,0≤f1(x)≤f2(x)≤f3(x)≤...

    而且该序列逐点收敛于f:

    ∀x∈Ω,limn→∞fn(x)=f(x)

    (注:引理19.1.5给出了可测函数可以由简单函数逼近这一基本性质)

  4. (19.1.9 非负简单函数积分的另一种表述?)设Ω是Rn的一个可测子集,并设E1,E2,...,EN是Ω的有限多个互不相交的可测子集。设c1,...,cN都是非负数(不必两两不同),那么有

    ∫Ω∑j=1NcjχEj=∑j=1ncjm(Ej)
  5. (19.1.10 非负简单函数勒贝格积分的基本性质?)设Ω是Rn的一个可测子集,并设f:Ω→R和g:Ω→R都是非负简单函数。那么有:

    1. 0≤∫Ωf≤∞。另外,∫Ωf=0,当且仅当m({x∈Ω:f(x)≠0})=0。
    2. ∫Ω(f+g)=∫Ωf+∫Ωg。
    3. 对于任意的正数c,有∫Ωcf=c∫Ωf。
    4. 如果对于所有的x∈Ω都有f(x)≤g(x),那么∫Ωf≤∫Ωg。

    (注:如果我们做一个约定:如果性质P(x)对于Ω中除了测度为零的集合之外的所有点都成立,那么我们称P几乎对于Ω中的每一点都成立。于是,(a)断定了∫Ωf=0当且仅当f几乎在Ω中的每一点处都等于零)


课后习题 ​

19.1.1 证明引理19.1.3 ​

我们先证明f+g也是一个简单函数。

注意到:

(f+g)(Ω)={f(x)+g(x):x∈Ω}⊆{f(x)+g(y):x,y∈Ω}

于是这表明了(f+g)(Ω)的基数小于等于{f(x)+g(y):x,y∈Ω}的基数。

接着注意到我们可以建立从f(Ω)×g(Ω)到{f(x)+g(y):x,y∈Ω}的满射h(a,b):=a+b,于是利用这个满射,我们额外定义函数h′是从{f(x)+g(y):x,y∈Ω}到f(Ω)×g(Ω)的映射,它为每一个a∈{f(x)+g(y):x,y∈Ω}指定一对从h−1({a})中挑选出来的元素。显然有h′是一个单射,从而我们有{f(x)+g(y):x,y∈Ω}的基数小于等于f(Ω)×g(Ω)的基数。

于是综上,我们论证了(f+g)(Ω)是基数小于等于f(Ω)×g(Ω)的集合。然后由于f,g都是简单函数,因此我们有象集f(Ω)和g(Ω)都是有限集。从而f(Ω)×g(Ω)也是有限集,进而(f+g)(Ω)也是有限的,也即f+g是简单函数。


然后我们证明cf也是一个简单函数。

若有c=0,则此时显然有(cf)(Ω)={0}是有限的;若c≠0,则我们可以建立从f(Ω)到(cf)(Ω)的双射h(x):=cx,因此此时有(cf)(Ω)和f(Ω)一样都是有限的。总而综合即对任意的实数c都有(cf)(Ω)是有限的,也即cf是一个简单函数。

19.1.2 证明引理19.1.4 ​

由于f是一个简单函数,因此我们不妨将它的象集f(Ω)写成{c1,...,cN}的形式。然后我们注意到由于{ci}是{c1,...,cN}中的开集(1≤i≤N),因此根据相对拓扑我们知道存在R中的开集Wi使得f(Ω)∩Wi={ci},接着由可测函数的定义有f−1(Wi)可测(也就是f−1({ci}))。于是我们令Ei:=f−1({ci})(1≤i≤N),显然我们可以注意E1,...,EN之间两两互不相交到此时我们考察函数:

g=∑i=1NciχEi

对任意的x∈Ω,f(x)应当是c1,...,cN中的一个实数,我们不妨设它是cj(从而x∈Ej)。那么计算g(x),根据特征函数的性质我们必然有:

g(x)=∑i=1NciχEi(x)=∑1≤i≤N;i≠jNci⋅0+∑1≤i≤N;i=jNci⋅1=cj

从而我们可以得证有f(x)=g(x)对任意的x∈Ω成立,从而引理19.1.4得证。

19.1.3 证明引理19.1.5(提示:令 ​
fn(x):=sup{j2n:j∈Z,j2n≤min(f(x),2n)}
即fn(x)是既不大于f(x)也不大于2n的2−n的最大整数倍,画一张图来看一下f1,f2,f3等都是什么,然后证明fn满足所需要的所有性质) ​

对任意的n≥1,我们定义函数fn:Ω→R为:

fn(x):=sup{j2n:j∈Z,j2n≤min(f(x),2n)}

我们首先证明每一个fn都是简单函数。考察fn的定义,注意到{j2n:j∈Z,j2n≤min(f(x),2n)}是有限集,因此上确界fn(x)事实上就是这个集合的最大值;又因为f(x)与2n都非负,因此显然有0∈{j2n:j∈Z,j2n≤min(f(x),2n)},从而根据最大值的要求必然有fn(x)≥0;另外,由于j2n≤2n,因此我们有2n是{j2n:j∈Z,j2n≤min(f(x),2n)}的一个上界,也即有fn(x)≤2n。

从而综合上面的内容,我们知道对每一个x∈Ω都存在一个整数k∈Z使得fn(x)=k2n与0≤fn(x)≤2n同时成立,显然k至多有4n+1个取值可能,因此必然有#(fn(Ω))≤4n+1,也即fn(Ω)是一个有限集。

然后考虑任意的实数a,考察:

fn−1([a,∞))={Ωifa≤0f−1([k+12n,∞))ifa∈(0,2n]∧k2n<a≤k+12n(k∈Z)∅ifa>2n

a≤0与a>2n的情况结论是显然的,主要需要关注第二种情况。fn−1([a,∞))包含全体满足fn(x)≥a的x∈Ω,而fn又只会是2−n的整数倍,因此事实上fn−1([a,∞))就等于fn−1([k+12n,∞));然后我们回顾fn的定义,设x∈Ω是定义域中的一个元素。当f(x)≥2n时,此时有fn(x)=2n∈[k+12n,∞);当k+12n≤f(x)<2n时,根据定义也可以得到fn(x)≥k+12n,也即x∈fn−1([k+12n,∞));当f(x)<k+12n时,根据定义有f(x)≤fn(x)<k+12n,也即x∉fn−1([k+12n,∞))。

从而综合我们可以得到fn−1([a,∞))=fn−1([k+12n,∞))=f−1([k+12n,∞)),这就是第二种情况下结论的由来。

再使用习题18.5.4中我们证明的辅助结论,我们可以得证f−1([a,∞))是可测的。从而同样是依据习题18.5.4证明的辅助结论,我们可以得到fn是满足“对任意的实数a,都有fn−1([a,∞))可测”的函数,也就是说fn是可测的。

综上,于是我们证明了每一个fn都是满足象集fn(Ω)有限的可测函数,于是得证每一个fn都是简单函数。


然后我们证明fn是逐点收敛于f的。

考虑任意的x∈Ω。由于(2n)n=1∞是发散到无穷的序列,因此我们知道必然存在一个足够大的N≥0满足2n≥f(x)对所有的n≥N都成立。于是我们考虑考察n≥N时fn(x)的取值,此时fn的定义变为:

fn(x):=max{j2n:j∈Z,j2n≤f(x)}

于是我们有:

fn(x)≤f(x)<fn(x)+2−n⟹|fn(x)−f(x)|<2−n

然后取极限,根据比较原理我们有:

0≤limn→∞|fn(x)−f(x)|≤limn→∞2−n=0⟹limn→∞|fn(x)−f(x)|=0

从而根据命题12.1.1,这表明了limn→∞fn(x)=f(x)。由于此结论对所有的x∈Ω都成立,因此也即fn是逐点收敛于f的,结论得证。