实分析

19.3 绝对可积函数的积分 ​

定义 ​

  1. (19.3.1 绝对可积函数)设Ω是Rn是可测子集。对于可测函数f:Ω→R∗,如果积分∫Ω|f|是有限的,那么我们称f是绝对可积的。

    (注:绝对可积函数也被称为L−1(Ω)函数;如果f:Ω→R∗,那么我们把它的正部f+:Ω→[0,∞]与负部f−:Ω→[0,∞]分别定义为:

    f+:=max(f,0)f−:=−min(f,0)

    根据推论18.5.6可知f+与f−都是可测的,并且显然f+和f−都是非负函数,同时有f=f+−f−与|f|=f++f−成立)

  2. (19.3.2 勒贝格积分)设f:Ω→R∗是一个绝对可积函数,我们把f的勒贝格积分∫Ωf定义为

    ∫Ωf=∫Ωf+−∫Ωf−

    (注:由于f是绝对可积的,因此由于∫Ωf+与∫Ωf−都小于等于∫Ω|f|,因此它们都是有限的,从而∫Ωf也总是有限的,不会遇见+∞−(+∞)这种不确定形式;关于勒贝格积分,我们还有一个常用的三角不等式,参见习题19.3.1)

  3. (19.3.5 上勒贝格积分和下勒贝格积分)设Ω是Rn的可测子集,并设f:Ω→R是一个函数(不一定是可测的)。我们把**上勒贝格积分∫―Ωf**定义为:

    ∫―Ωf:=inf{∫Ωg:g:Ω→R是从上方控制f的绝对可积函数}

    并把**下勒贝格积分∫―Ωf**定义为:

    ∫―Ωf:=sup{∫Ωg:g:Ω→R是从下方控制f的绝对可积函数}

    (注:容易看出∫―Ωf≤∫―Ωf。当f绝对可积时,等式成立,并且其逆命题也成立)


命题 ​

  1. (19.3.3 勒贝格积分的性质?)设Ω是一个可测集,并设f:Ω→R和g:Ω→R都是绝对可积函数,那么有:

    1. 对于任意的实数c(正数、零或负数),cf是绝对可积的,并且∫Ωcf=c∫Ωf。
    2. 函数f+g是绝对可积的,并且∫Ω(f+g)=∫Ωf+∫Ωg。
    3. 如果对于所有的x∈Ω都有f(x)≤g(x),那么∫Ωf≤∫Ωg。
    4. 如果f(x)=g(x)几乎对于每一个x∈Ω都成立,那么∫Ωf=∫Ωg。
  2. (19.3.4 勒贝格控制收敛定理)设Ω是Rn的可测子集,并设f1,f2,...是一列从Ω到R∗的可测函数,而且这个函数序列是逐点收敛的。如果存在一个绝对可积函数F:Ω→[0,∞]使得对于所有的x∈Ω和所有的n=1,2,3,...都有|fn(x)|≤F(x),那么:

    ∫Ωlimn→∞f=limn→∞∫Ωf

    (注:在19.2节中提到过极限运算和积分运算的顺序不能随意交换,而勒贝格控制收敛定理给出了一个允许交换的条件,即只要存在一个从上方控制每一个函数fn的绝对可积函数F,那么积分与极限运算的顺序交换就是合理的)

  3. (19.3.6)设Ω是Rn的可测子集,f:Ω→R是一个函数(不一定是可测的),并设A是一个实数。如果∫―Ωf=∫―Ωf=A,那么f是绝对可积的,并且:

    ∫Ωf=∫―Ωf=∫―Ωf=A

    (注:原书提到这个引理能给出一些有用的结果,但是压根没给出能证明哪些结果,emmm)


课后习题 ​

19.3.1 证明:只要Ω是Rn的可测子集,并且f是绝对可积的函数,那么就有三角不等式: ​
|∫Ωf|≤∫Ωf++∫Ωf−=∫Ω|f|

根据勒贝格积分的定义,我们有:

|∫Ωf|=|∫Ωf+−∫Ωf−|≤|∫Ωf+|+|∫Ωf−|

由于f+,f−都是非负可测函数,因此它们的积分也都是非负的,所以也即有:

|∫Ωf+|+|∫Ωf−|=∫Ωf++∫Ωf−=∫Ω|f|

于是三角不等式得证。

19.3.2 证明命题19.3.3(提示:对于(b),把f、g和f+g都分成正部与负部,利用引理19.2.10,试着只用非负函数的积分表示所有的量) ​

逐条证明:


  1. 对于任意的实数c(正数、零或负数),cf是绝对可积的,并且∫Ωcf=c∫Ωf。

当c=0的时候结论是显然的,因此我们只需要考虑c≠0的情况。

若c>0,则此时注意到:

(cf)+=max(cf,0)=cmax(f,0)=c(f)+(cf)−=−min(cf,0)=−cmin(f,0)=c(f)−

从而结合命题19.2.10有:

∫Ωcf=∫Ω(cf)+−∫Ω(cf)−=c(∫Ωf+−∫Ωf−)=c∫Ωf

若c<0​,则此时注意到:

(cf)+=max(cf,0)=cmin(f,0)=(−c)(f)−(cf)−=−min(cf,0)=cmax(f,0)=(−c)(f)+

从而结合命题19.2.10有:

∫Ωcf=∫Ω(cf)+−∫Ω(cf)−=(−c)(∫Ωf−−∫Ωf+)=c(∫Ωf+−∫Ωf−)=c∫Ωf

于是结论得证。


  1. 函数f+g是绝对可积的,并且∫Ω(f+g)=∫Ωf+∫Ωg。

注意到:

f+g=(f+g)+−(f+g)−=f++g+−(f−+g−)

做移项可以得到(f+g)++f−+g−=(f+g)−+f++g+,由于式子左右两端都是非负可测函数,因此利用引理19.2.10,对左右式取积分即有:

∫Ω(f+g)++∫Ωf−+∫Ωg−=∫Ω(f+g)−+∫Ωf++∫Ωg+⇓∫Ω(f+g)+−∫Ω(f+g)−=(∫Ωf+−∫Ωf−)+(∫Ωg+−∫Ωg−)⇓∫Ω(f+g)=∫Ωf+∫Ωg

于是结论得证。


  1. 如果对于所有的x∈Ω都有f(x)≤g(x),那么∫Ωf≤∫Ωg。

由于对于所有的x∈Ω都有f(x)≤g(x),因此我们也有:

g+(x)=max(g(x),0)≤max(f(x),0)=f+(x)f−(x)=−min(f(x),0)≤−min(g(x),0)=g−(x)

从而根据命题19.2.6(c),我们有∫Ωf+≥∫Ωg+与∫Ωf−≤∫Ωg−:

∫Ωf=∫Ωf+−∫Ωf−≥∫Ωg+−∫Ωg−=∫Ωg

于是结论得证。


  1. 如果f(x)=g(x)几乎对于每一个x∈Ω都成立,那么∫Ωf=∫Ωg。

根据结论(b),应该有:

∫Ω(f−g)=∫Ωf−∫Ωg

由于f(x)=g(x)几乎对每一个x∈Ω成立,因此也即有(f−g)(x)=0几乎对每一个x∈Ω都成立。从而根据命题19.2.6(a)有:

∫Ω|f−g|=0

从而结合习题19.3.1的三角不等式,我们有|∫Ω(f−g)|≤∫Ω|f−g|=0⟹∫Ω(f−g)=0,从而也即∫Ωf=∫Ωg得证。

19.3.3 设f:R→R和g:R→R都是绝对可积函数,且对于所有的x∈R都有f(x)≤g(x),而且∫Rf=∫Rg。证明:f(x)=g(x)几乎对于每一个x∈R都成立(即对于R中除去一个测度为零的集合之外的每一点x,都有f(x)=g(x)) ​

于是我们有g−f显然是一个非负的可测函数,并且有:

∫R(g−f)=∫Rg−∫Rf=0

于是根据命题19.2.6(a),我们有(g−f)(x)=g(x)−f(x)=0几乎对每一个x∈R成立,也即有f(x)=g(x)几乎对于每一个x∈R都成立,结论得证。


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实分析 18.5 可测函数

实分析 19.2 非负可测函数的积分