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测度论笔记(下)

date: 2024-08-03
tags: 数学  

看的是 IMPA 的 Measure Theory 课,教授是 Claudio Landim。

https://www.youtube.com/playlist?list=PLo4jXE-LdDTQq8ZyA8F8reSQHej3F6RFX


Lecture 24 Hölder and Minkowski inequalities

定义:对于 1≤p<∞1 \le p < \infty,定义 ∥f∥p=(∫Ω∣f∣pdμ)1/p\|f\|_p = (\int_\Omega |f|^p d\mu)^{1/p};对于 p=∞p=\infty,定义 ∥f∥∞=ess sup∣f∣\|f\|_\infty = \text{ess sup}|f|。

定理(Hölder):如果 1p+1q=1\frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1(其中 1<p<∞1 < p < \infty 或者 p=1,q=∞p=1, q=\infty),并且 ∥f∥p<∞,∥g∥q<∞\|f\|_p < \infty, \|g\|_q < \infty,那么 ∫∣fg∣dμ≤∥f∥p∥g∥q\int|fg|d\mu \le \|f\|_p\|g\|_q。

Lecture 25 LpL_p spaces

定义:对于 f:Ω→Rf:\Omega\rightarrow\mathbb{R},我们定义 ∥f∥p=(∫Ω∣f∣pdμ)1/p\|f\|_p = (\int_\Omega |f|^p d\mu)^{1/p},其中 1≤p<∞1 \le p < \infty。

Lp={f:Ω→R∣∥f∥p<∞}L_p = \{f:\Omega\rightarrow\mathbb{R} \mid \|f\|_p < \infty\}

Lecture 29 Differentiability of functions of bounded variations

定义:函数 f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow\mathbb{R} 是单调上升的,即如果 x≤yx \le y 则 f(x)≤f(y)f(x) \le f(y)。

定义:我们定义四个导数:

(D+f)(x)=lim sup⁡h↓0f(x+h)−f(x)h(D−f)(x)=lim inf⁡h↓0f(x+h)−f(x)h(D+f)(x)=lim sup⁡h↓0f(x)−f(x−h)h(D−f)(x)=lim inf⁡h↓0f(x)−f(x−h)h(D^+f)(x) = \limsup_{h\downarrow 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} \\ (D_-f)(x) = \liminf_{h\downarrow 0}\frac{f(x+h)-f(x)}{h} \\ (D^+f)(x) = \limsup_{h\downarrow 0}\frac{f(x)-f(x-h)}{h} \\ (D_-f)(x) = \liminf_{h\downarrow 0}\frac{f(x)-f(x-h)}{h}

定义:如果函数 ff 是单调上升的,并且在点 xx 处可导,那么有 (D+f)(x)=(D−f)(x)=(D+f)(x)=(D−f)(x)(D^+f)(x) = (D_-f)(x) = (D^+f)(x) = (D_-f)(x),我们用 f′f' 来表示这个值。

定理:如果函数 f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow\mathbb{R} 是单调上升的,那么令 E={x∈R∣f is differentiable at x}E = \{x\in\mathbb{R} \mid f \text{ is differentiable at } x\},则 λ∗(Ec)=0\lambda^*(E^c) = 0。

注意:

  • 这里并没有说 EE 是可测的(measurable)。
  • λ∗\lambda^* 是勒贝格外测度(outer lebesgue measure)。

证明思路:

  • 我们希望证明 Ec⊆{x∈[a,b]∣(D+f)(x)<(D−f)(x)}∪{x∈[a,b]∣(D−f)(x)<(D+f)(x)}∪…E^c \subseteq \{x\in[a,b] \mid (D_+f)(x) < (D_-f)(x)\} \cup \{x\in[a,b] \mid (D_-f)(x) < (D_+f)(x)\} \cup \dots,后面总共有 2C422C^2_4 项,它们都满足 λ∗=0\lambda^* = 0。

  • 我们只需要证明右边每一项都满足 λ∗={x∈[a,b]∣(D−f)(x)<(D+f)(x)}=0\lambda^* = \{x\in[a,b] \mid (D_-f)(x) < (D_+f)(x)\} = 0。

  • E1={x∈[a,b]∣(D+f)(x)<(D−f)(x)}=⋃s,t∈Q,s<t{x∈[a,b]∣(D−f)(x)<s<t<(D+f)(x)}\begin{aligned} E_1 &= \{x\in[a,b] \mid (D_+f)(x) < (D_-f)(x)\}\\ &= \bigcup_{s,t\in\mathbb{Q},s<t}\{x\in[a,b] \mid (D_-f)(x) < s < t < (D_+f)(x)\} \end{aligned}

    所以我们只需要证明:

    ∀s,t∈Q,s<t,λ∗({x∈[a,b]∣(D−f)(x)<s<t<(D+f)(x)})=0\forall s,t\in\mathbb{Q},s<t, \lambda^*(\{x\in[a,b] \mid (D_-f)(x) < s < t < (D_+f)(x)\}) = 0

    任取 ε>0\varepsilon>0,因为 Es,t={x∈[a,b]∣(D−f)(x)<s<t<(D+f)(x)}E_{s,t} = \{x\in[a,b] \mid (D_-f)(x) < s < t < (D_+f)(x)\} 是有界的(bounded),所以我们可以找到开集 GG 满足:

    Es,t⊆G,λ∗(G)≤λ∗(Es,t)+εE_{s,t}\subseteq G, \lambda^*(G) \le \lambda^*(E_{s,t}) + \varepsilon

    接下来,我们要为 Es,tE_{s,t} 构造一个 Vitali's covering。 这里先略过,后面还有很长的证明...

引理:如果 f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow\mathbb{R} 是单调上升的,那么 f′f' 是勒贝格可测的(Lebesgue measurable),且 f′≥0f'\ge 0,以及:

∫abf′dλ≤f(b)−f(a)\int_a^b f'd\lambda \le f(b)-f(a)
  • 由上面的定理,有 fn=f(x+1/n)−f(x)1/n→f′f_n = \frac{f(x+1/n)-f(x)}{1/n} \rightarrow f' a.e.。这证明了 f′f' 是 lebesgue measurable 的,因为它是 measurable function 的极限 a.e.;也是因为这个极限里的每个函数都 ≥0\ge 0,所以 f′≥0f'\ge 0。

    由 Fatou's lemma,我们还有

    ∫abf′dλ≤lim inf⁡n→∞∫abfndλ\int_a^b f'd\lambda \le \liminf_{n\rightarrow\infty}\int_a^b f_n d\lambda

    我们可以扩展 f(x)=f(b),x>bf(x)=f(b), x>b,那么上面有:

lim inf⁡n→∞∫abfndλ=lim inf⁡n→∞n∫ab(f(x+1n)−f(x))dλ(x)=lim inf⁡n→∞n(∫a+1nb+1nf(x)dλ(x)−∫abf(x)dλ(x))=lim inf⁡n→∞n(∫bb+1nf(x)dλ(x)−∫aa+1nf(x)dλ(x))=f(b)−lim inf⁡n→∞n∫aa+1nf(x)dλ(x)≤f(b)−lim inf⁡n→∞n∫aa+1nf(a)dλ(x)=f(b)−f(a)\begin{aligned} \liminf_{n\rightarrow\infty}\int_a^b f_n d\lambda &= \liminf_{n\rightarrow\infty}n\int_a^b(f(x+\frac{1}{n})-f(x))d\lambda(x) \\ &= \liminf_{n\rightarrow\infty}n(\int_{a+\frac{1}{n}}^{b+\frac{1}{n}}f(x)d\lambda(x) - \int_a^b f(x)d\lambda(x)) \\ &= \liminf_{n\rightarrow\infty}n(\int_b^{b+\frac{1}{n}}f(x)d\lambda(x) - \int_a^{a+\frac{1}{n}}f(x)d\lambda(x)) \\ &= f(b) - \liminf_{n\rightarrow\infty}n\int_a^{a+\frac{1}{n}}f(x)d\lambda(x) \\ &\le f(b) - \liminf_{n\rightarrow\infty}n\int_a^{a+\frac{1}{n}}f(a)d\lambda(x) = f(b)-f(a) \end{aligned}

例子:比如说 ff 在 [a,c][a,c] 为 0,在 (c,b)(c,b) 为 1,那么就会取不等。

最后我们尝试把上面的结论扩展到 function with bounded variation。

定义:对于函数 f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow\mathbb{R} 和一个分割 π={a=t0<t1<⋯<tp=b}\pi=\{a=t_0<t_1<\dots<t_p=b\},我们作如下定义:

Vf,π=∑i=0p−1∣f(ti+1−f(ti))∣Pf,π=∑i=0p−1(f(ti+1−f(ti)))+Nf,π=∑i=0p−1(f(ti+1−f(ti)))−V_{f,\pi} = \sum_{i=0}^{p-1}|f(t_{i+1}-f(t_i))| \\ P_{f,\pi} = \sum_{i=0}^{p-1}(f(t_{i+1}-f(t_i)))^+ \\ N_{f,\pi} = \sum_{i=0}^{p-1}(f(t_{i+1}-f(t_i)))^-

显然 Vf,π=Pf,π+Nf,πV_{f,\pi} = P_{f,\pi} + N_{f,\pi},以及 f(b)−f(a)=Pf,π−Nf,πf(b)-f(a) = P_{f,\pi}-N_{f,\pi}。

定义:

Vf=sup⁡πVf,πPf=sup⁡πPf,πNf=sup⁡πNf,πV_f = \sup_\pi V_{f,\pi} \\ P_f = \sup_\pi P_{f,\pi} \\ N_f = \sup_\pi N_{f,\pi}

定义:函数 f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow\mathbb{R} 被称为 of bounded variation,如果 Vf<∞V_f < \infty。

断言:bounded variation function ff 满足:

Vf=Pf+Nff(b)−f(a)=Pf−NfV_f=P_f+N_f \\ f(b)-f(a)=P_f-N_f
  • 这里我们只证明第二个,因为第一个的证明是相同的。

    因为显然 Pf<Vf,Nf<VfP_f < V_f, N_f < V_f,所以 Pf<∞,Nf<∞P_f<\infty, N_f<\infty。那么 ∃π1={a=t0<t1<⋯<tp=b}\exists\pi_1=\{a=t_0<t_1<\dots<t_p=b\},满足 Pf−ε≤Pf,π1≤PfP_f-\varepsilon \le P_{f,\pi_1} \le P_f。类似地我们可以找到 π2\pi_2 满足 Nf−ε≤Nf,π2≤NfN_f-\varepsilon \le N_{f,\pi_2} \le N_f。

    那么如果我们取 π=π1∪π2\pi = \pi_1\cup\pi_2,则有:

Pf−ε≤Pf,π≤PfNf−ε≤Nf,π≤NfP_f-\varepsilon \le P_{f,\pi} \le P_f \\ N_f-\varepsilon \le N_{f,\pi} \le N_f

​ 两个式子作差,有:

Pf−Nf−ε≤Pf,π−Nf,π=f(b)−f(a)≤Pf−Nf+εP_f-N_f-\varepsilon \le P_{f,\pi}-N_{f,\pi} = f(b)-f(a) \le P_f-N_f+\varepsilon

​ 证毕。

如果我们把 [a,b][a,b] 转换成 [a,x][a,x],那么:

f(x)−f(a)=Pf([a,x])−Nf([a,x])f(x)-f(a)=P_f([a,x])-N_f([a,x])

这里因为 Pf([a,x])P_f([a,x]) 和 Nf([a,x])N_f([a,x]) 都是关于 xx 的单增函数,所以说明任何 function of bounded variation 都可以拆解为 2 个单增函数。

推论:bounded variation function ff differentiable a.e.。

Lecture 30 Absolutely continuous functions

上一讲中,我们证明了对于 [a,b][a,b] 上的单调函数,有 ∫axf′dλ≤f(x)−f(a)\int_a^x f'd\lambda \le f(x)-f(a),并且给出了一个取不等的例子。这一讲中,我们会考虑取等的函数,也就是 absolutely continuous function。

取 f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow\mathbb{R},满足 ff 可积,即 ∫ab∣f∣dλ<∞\int_a^b|f|d\lambda < \infty,并定义:

F(x)=c+∫axfdλF(x) = c+\int_a^x fd\lambda

因为 ff 可积,所以由 uniform integrability,有:

∀ε>0,∃δ,s.t. ∀λ(B)<δ⇒∫B∣f∣dλ≤ε\forall\varepsilon>0, \exists\delta, \text{s.t. } \forall\lambda(B)<\delta \Rightarrow \int_B|f|d\lambda \le\varepsilon

这意味着,

∀ε>0,∃I1,I2,…,IM,Ij=[aj,bj],Ij∩Ik=∅,∑j=1M∣Ij∣<δ\forall\varepsilon>0, \exists I_1,I_2,\dots,I_M, I_j=[a_j,b_j], I_j\cap I_k=\varnothing, \sum_{j=1}^M|I_j| < \delta

满足:

ε≥∫∪Ij∣f∣dλ=∑j∫Ij∣f∣dλ≥∑j∣F(bj)−F(aj)∣\varepsilon \ge \int_{\cup I_j}|f|d\lambda = \sum_j\int_{I_j}|f|d\lambda \ge \sum_j|F(b_j)-F(a_j)|

满足这个条件的函数被称为 absolutely continuous function。

定义:g:[a,b]→Rg:[a,b]\rightarrow\mathbb{R} 是 absolutely continuous,如果:

∀ε>0,∃δ,s.t. ∀Ij=(aj,bj),1≤j≤M,Ij∩Ik=∅,∑j=1M∣Ij∣≤δ  ⟹  ∑j=1M∣g(bj)−g(aj)∣≤ε\begin{aligned} \forall\varepsilon>0,\exists\delta, \text{s.t. } \forall I_j&=(a_j,b_j), 1\le j\le M, I_j\cap I_k=\varnothing, \sum_{j=1}^M|I_j|\le\delta \\ &\implies \sum_{j=1}^M|g(b_j)-g(a_j)|\le\varepsilon \end{aligned}

由这个定义,上面的 F(x)=c+∫axfdλF(x)=c+\int_a^x fd\lambda 是 absolutely continuous function。

定理:F(x)=c+∫axfdλF(x)=c+\int_a^x fd\lambda is differentiable a.e.,且 F′=fF'=f a.e.。

  • 只需要研究 f≥0f\ge0 的情况,因为如果进行这样的拆分的话 f=f+−f−f=f^+-f^-,考虑:

    F+(x)=c+∫axf+dλ,F−(x)=c+∫axf−dλ,F=F+−F−F^+(x)=c+\int_a^x f^+d\lambda, F^-(x)=c+\int_a^x f^-d\lambda, F=F^+-F^-

    我们只需要证明 F+F^+ 的情况定理成立即可。

  • 在 f≥0f\ge0 的情况下,FF 是单增的,所以 differentiable a.e.,且

    ∫axF′dλ≤F(x)−F(a)=∫axfdλ\int_a^x F'd\lambda \le F(x)-F(a) = \int_a^x fd\lambda

    下面只需要证明这个 ≤\le 其实是等号。

    • 先考虑 ∣f∣<K|f|<K 的情况,令 fn=F(x+1/n)−F(x)1/nf_n = \frac{F(x+1/n)-F(x)}{1/n},然后我们继续扩展 F(x)=F(b),x≥bF(x)=F(b), x\ge b。

      因为 FF differentiable a.e.,会有 fn→F′(x)f_n\rightarrow F'(x) a.e.。

      同时还有 ∣fn∣≤n∫xx+1/nfdλ≤K|f_n| \le n\int_x^{x+1/n}fd\lambda \le K,两边取 sup⁡x∈[a,b]\sup_{x\in[a,b]},有 sup⁡x∈[a,b]∣fn∣≤K\sup_{x\in[a,b]}|f_n|\le K,我们就可以用 bounded convergence theorem(也就是 lecture 16 中 dominated convergence theorem 的特殊情况),有:

      ∫axF′dλ=lim⁡n→∞∫axfndλ=lim⁡n→∞∫axn∫zz+1/nf(y)dydz=lim⁡n→∞n(∫xx+1/nF(z)dz−∫aa+1/nF(z)dz)=F(x)−F(a)=∫axfdλ\begin{aligned} \int_a^x F'd\lambda &= \lim_{n\rightarrow\infty}\int_a^x f_nd\lambda \\ &= \lim_{n\rightarrow\infty}\int_a^x n\int_z^{z+1/n}f(y)dydz \\ &= \lim_{n\rightarrow\infty}n(\int_x^{x+1/n}F(z)dz - \int_a^{a+1/n}F(z)dz) \\ &= F(x)-F(a) = \int_a^x fd\lambda \end{aligned}

      这里倒数第二步用了 FF 是连续的。

    • 最后来证明 FF 是连续的。这由 absolutely continuous 的条件是很容易推出来的。

    • 考虑更一般的 f≥0f\ge0,令 fM=min⁡(f,M)f_M=\min(f,M),那么 fM<Mf_M<M,它满足:

      FM(x)=c+∫axfMdλ≤c+∫axfdλ=F(x)F_M(x) = c+\int_a^x f_Md\lambda \le c+\int_a^x fd\lambda = F(x)

    同时我们还有 a.e.:

    FM′(x)=lim⁡h→∞FM(x+h)−FM(x)h=lim⁡h→∞1h∫xx+hfMdλ≤lim⁡h→∞1h∫xx+hfdλ=F′(x) \begin{aligned} F_M'(x) &= \lim_{h\rightarrow\infty}\frac{F_M(x+h)-F_M(x)}{h} = \lim_{h\rightarrow\infty}\frac{1}{h}\int_x^{x+h}f_Md\lambda \\ &\le \lim_{h\rightarrow\infty}\frac{1}{h}\int_x^{x+h}fd\lambda = F'(x) \end{aligned}

    由于 fM↑ff_M\uparrow f,所以由 monotone convergence theorem,有:

    ∫axfdλ=lim⁡M→∞∫axfMdλ=lim⁡M→∞∫axFM′dλ≤∫axF′dλ\int_a^x fd\lambda = \lim_{M\rightarrow\infty}\int_a^x f_Md\lambda = \lim_{M\rightarrow\infty}\int_a^x F_M'd\lambda \le \int_a^x F'd\lambda

    这个反向的不等式,带来了 ∫axfdλ=∫axF′dλ\int_a^x fd\lambda = \int_a^x F'd\lambda。

    • 最后去证明 F′=fF'=f a.e.。因为 f≥0,F′≥0f\ge0,F'\ge0 且有 integrable,我们会证明:
      ∀A∈L,∫AF′dλ=∫Afdλ\forall A\in L, \int_A F'd\lambda = \int_A fd\lambda

    用 monotone class 证明。

    令 C={A⊆[a,b]∣∫AF′dλ=∫Afdλ}C=\{A\subseteq[a,b]\mid \int_A F'd\lambda=\int_A fd\lambda\},显然 (x,y]∈C(x,y]\in C,以及 ∑j=1n(xj,yj]∈C\sum_{j=1}^n(x_j,y_j]\in C,说明 CC 是个 algebra generated by the intervals。

    我们进一步可以用 monotone convergence theorem 证明 CC 是 monotone class。所以 CC 是勒贝格 σ\sigma-algebra,即 LL。

    那么由这个结论,配合之前已经证明过的结论(这个还需要去找一下是哪里证的),会有 F′=fF'=f a.e.。

断言:absolute continuous function ff 有 bounded variation。

  • 我们取 absolute continuous 特性里的 ε=1\varepsilon=1,对应的有 δ\delta。对于 partition π={a=t0<t1<⋯<tN=b}\pi=\{a=t_0<t_1<\dots<t_N=b\},我们可以每 δ\delta 划分一下,也就是在 [a,a+δ],[a+δ,a+2δ],…,[a+kδ,b][a,a+\delta], [a+\delta,a+2\delta],\dots, [a+k\delta,b] 等等,这样会分成有限段,这样也就证明了 bounded variation。

定理:如果 f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow\mathbb{R} absolutely continuous,那么 ff differentiable a.e.,且 f(x)=f(a)+∫axf′dλf(x)=f(a)+\int_a^x f'd\lambda。


Lecture 31 Decomposition of distribution

定理:如果 FF 单调上升,那么 FF 可被分为 3 个函数 F=F1+F2+F3F=F_1+F_2+F_3。

  • F1F_1 是 jump function。
  • F2F_2 是 absolutely continuous。
  • F3F_3 是 singluar function,即 continuous 且 f′=0f'=0 a.e.。