85629 (Измеримые функции)
Описание файла
Документ из архива "Измеримые функции", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "математика" из , которые можно найти в файловом архиве . Не смотря на прямую связь этого архива с , его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "курсовые/домашние работы", в предмете "математика" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "85629"
Текст из документа "85629"
Определение и простейшие свойства измеримой функции
Если каждому x из множества E поставлено в соответствие некоторое число f(x), то мы будем говорить, что на множестве E задана функция f(x). При этом мы допускаем и бесконечные значения функции, лишь бы они имели определенный знак, т.е. вводим «несобственные» числа - и + . Эти числа связаны между собой и с любым конечным числом a неравенствами
и мы устанавливаем для них следующие законы действий:
+ ±a=+ , + +(+ )=+ , + -(- )=+ ,
- ±a=- , - +(- )=- , - -(+ )=- ,
½+ ½=½- ½=+ , + ×a=a×(+ )=+ ,
- ×a=a×(- )=- , если a>0,
+ ×a=a×(+ )=- ,
- ×a=a×(- )=+ , если a<0
0×(± )=(± )×0=0,
(+ )×(+ )=(- )×(- )=+ ,
(+ )×(- )=(- )×(+ )=- ,
=0.
Здесь a обозначает вещественное конечное число. Символы
+¥-(+¥), -¥-(-¥), +¥+(-¥), -¥+(+¥).
,
мы считаем лишенными смысла.
Имея дело с функцией f (x), заданной на множестве E, мы будем символом
E(f>a)
обозначать множество тех x из множества Е, для которых выполнено неравенство f(x)>а.
Аналогичным образом вводятся символы
Е(f³а), Е(f=а), Е(f£а), Е(а и т.п. Если множество, на котором задана функция f(x), обозначено какой-либо другой буквой, например А или В, то мы соответственно будем писать А(f>а), В(f>а) и т.п. Определение 1. Функция f(x), заданная на множество Е, называется измеримой, если измеримо это множество Е и если при любом конечном а измеримо множество Е(f>а). В связи с тем, что здесь речь идет о множествах, измеримых в смысле Лебега, часто (желая подчеркнуть именно это обстоятельство) говорят об измеримой (L) функции. Если же Е и все множества Е(f>а) измеримы (В), то и f(x) называется измеримой (В) функцией. Теорема 1. Всякая функция, заданная на множестве меры нуль, измерима. Это утверждение очевидно. Теорема 2. Пусть f(x) есть измеримая функция, заданная на множестве Е. Если А есть измеримое подмножество Е, то f(x), рассматриваемая только для xÎА, измерима. Действительно, А(f>а) =А×Е (f>а). Теорема 3. Пусть f(x) задана на измеримом множестве Е, представимом в форме суммы конечного числа или счетного множества измеримых множеств Еk : E= × Если f(x) измерима на каждом из множеств ER., то она измерима и на Е. В самом деле, E(f>a)= . Определение 2. Две функции f(x) и g(x), заданные на одном и том же множестве Е, называются эквивалентными, если mE (f¹g)=0 Обозначать эквивалентность функций f(x) и g(x) принято так: f (x) ~g(x). Определение 3. Пусть некоторое обстоятельство S имеет место для всех точек какого-нибудь множества Е, кроме точек, входящих в подмножество Е0 множества Е. Если mЕ0 = 0, то говорят, что S имеет место почти везде на множестве Е, или почти для всех точек Е. В частности, множество исключительных точек Е0 может быть и пустым. Теперь можно сказать, что две функции, заданные на множестве Е, эквиваленты, если они ровны почти везде на Е. Теорема 4. Если f(х) есть измеримая функция, заданная на множестве Е, а g(x) ~ f(x), то g(x) также измерима. Д о к а з а т е л ь с т в о. Пусть А = Е (f ¹ g), B = E – A. Тогда mA = 0, так что В измеримо. Значит функция f(x) измерима на множестве В. Но на множестве В функции f(x) и g(x) неотличимы, так что g(x) измерима на В. Поскольку g(x) измерима и на А (ибо mA = 0), она измерима на Е = А + В. Теорема 5. Если для всех точек измеримого множества Е будет f(x) = c, то функция f(x) измерима. Действительно, E (f > a) = Заметим, что в этой теореме с может быть и бесконечным. Функция f(x), заданная на сегменте [а, b], называется ступенчатой, если [а,b] разложить точками. с0 = а< с1<с2<…<сn = b на конечное число частей, в н у т р и которых (т.е. в интервалах (сk, ck + 1) при k = 0, 1, …., n –1) функция f(x) постоянна. Легко понять, что из теоремы 5 вытекает Следствие. Ступенчатая функция измерима. Теорема 6. Если f(x) есть измеримая функция, заданная на множестве Е, то при любом а измеримы множества E (f ³ a), E (f = a), E (f £ a), E (f < a), E (f ³ a) = E (f = a) = E(f ³ a) – E(f > a), E(f £ a) = E – E(f > a), E (f < a) = E – E (f ³ a). Замечание. Легко показать, что если хоть одно из множеств E (f ³ a), E (f £ a), E (f < a) оказывается измеримым при всяком а, то функция f(x) измерима на множестве Е (которое также предполагается измеримым). Действительно, тождество ) показывает, например, что f(x) измерима, если измеримы все множества Е (f³а). Сходным образом устанавливаются и остальные утверждения. Таким образом, в определении измеримой функции можно заменить множество Е (f>a) любым из множеств (1). Теорема 7. Если функция f(x), заданная на множестве Е, измерима, а k конечное число, то измеримы и функции 1) f(x) + k, 2) kf(x), 3) çf (x)ç, 4) f2 (x), и если f(x) ¹0, то измерима и функция 5) . Д о к а з а т е л ь с т в о. 1) Измеримость функции f(x) + k вытекает из соотношения Е (f+ k >a) = E (f>a- k). 2) Измеримость функции kf(x) при k =0 следует из теоремы 5. Для прочих k измеримость следует из очевидных соотношений 3) Функция çf(x) ç измерима потому, что 4) Аналогично, из того , что E (f2 > a) = вытекает измеримость функции f 2 (x). 5) Наконец, при f(x) ¹ 0 имеем > a) = откуда и следует измеримость . Теорема 8. Функция f(x), заданная и непрерывная на сегменте Е= , измерима. F = E (f£ a) замкнуто. Действительно, если x0 есть предельная точка этого множества и xn®x0 (x n ÎF ), то f(xn) £a и, в силу непрерывности f(x), будет f(x0 ) £a, т.е. x0 ÎF, что и устанавливает замкнутость множества F. Но тогда множество Е (f>а) = Е – Е(f£а) измеримо, и теорема доказана. Из самого определения измеримой функции следует, что функция, заданная на неизмеримом множестве, неизмерима. Однако легко обнаружить существование неизмеримой функции, заданной на измеримом множестве. Определение 4. Пусть М есть подмножество сегмента Е = [А, В]. Функция jм (х), равная единице на множестве М и нулю на множестве Е–М, называется характеристической функцией множества М. Теорема 9. Множество М и его характеристическая функция jм одновременно измеримы или нет. Д о к а з а т е л ь с т в о. Если функция jM (х) измерима, то измеримость множества М вытекает из соотношения М = Е (jм > 0). устанавливают измеримость функции jМ (х). Отсюда, между прочим, весьма просто получаются примеры разрывных измеримых функций. Лемма. Если на множестве Е заданы две измеримые функции f(х) и g(х), то множество Е (f >g) измеримо. Действительно, если мы перенумеруем все рациональные числа r1, r2, r3, …, то легко проверим справедливость соотношения Е (f > g) = Е (f > rk) Е (g < rk), откуда и следует лемма. Теорема 1. Пусть f(х) и g(х) суть конечные измеримые функции, заданные на множестве Е. Тогда измерима каждая из функций 1) f(х) – g(х), 2) f(х) + g (х), 3) f(х) . g(х), и если g(х) ¹ 0, то измерима также функция 4) . Д о к а з а т е л ь с т в о. 1) Функция а + g(х) измерима при любом а. Значит (на основании леммы), множество Е (f > а+g ), а так как E(f-g>a)=E(f>a+g), то измерима функция f (х) – g(х). 2) Измеримость суммы f(х) + g(х) следует из того, что f(х) + g(х) = f(х) – [ - g (х)]. 3) Измеримость произведения f(x) .g(x) вытекает из тождества f(x) .g(x)= {[f(x)+g(x)] -[f(x)-g(x)] } и теоремы 7 4) Наконец, измеримость частного есть следствие тождества =f(x) · . Эта теорема показывает, что действия арифметики, будучи применены к измеримым функциям, не выводят нас за пределы этого класса функций. Следующая теорема устанавливает сходный результат относительно уже не арифметической операции – предельного перехода. Теорема 2. Пусть на множестве Е задана последовательность измеримых функций f1(x), f2(x), … Если в каждой точке х Е существует (конечный или бесконечный) предел F(x)= fn(x), то функция F(х) измерима. Д о к а з а т е л ь с т в о. Фиксируем произвольные а и введем в рассмотрение множества А =Е(f > a + ), В = . Эти множества, очевидно, измеримы, и для доказательства теоремы достаточно проверить, что E(F>a) = . Займемся же проверкой этого тождества. Пусть х Е (F>a), тогда F (x0) > a, и найдется такое натуральное m, что F(x0) > a + 1/m. Поскольку же fk (x) F (x0), то найдется такое n, что при k n будет fk(x0) > a + . Иначе говоря, х0 А при всех k n, а тогда х0 В и тем более х0 . Отсюда следует, что Е (F > a) . Теперь остается установить обратное включение E (F > a), и теорема будет доказана. Пусть х0 . Тогда х0 В при некоторых фиксированных n и m. Это значит, что х0 А для k n. Иначе говоря для k n будет fk(x0) > a+1/m. Устремляя k к бесконечности и переходя в последнем неравенстве к пределу, получим, что F(x0)>a, т.е. x0 ÎE (F>a). Этим и доказано включение (*). Доказанная теорема допускает следующее обобщение. Теорема 3. Пусть на множестве E заданы измеримые функции f1(x), f2(x), … и некоторая функция F(x). Если соотношение (a) выполняется почти везде на Е, то F(x) измерима. Д о к а з а т е л ь с т в о. Обозначим через А множество всех точек X Î Е, в которых соотношение (a) не имеет места (в этих точках предела может вовсе не существовать). По условию, mA=0 и F(x) измерима на множестве А. По теореме 2 она измерима и на множестве Е – А, а тогда она измерима и на всем множестве Е. Последовательности измеримых функций. Сходимость по мере. В этом месте нам придется рассматривать множества вида Е (|f – g| ³ s), Е (|f – g| < s), где f(x) и g(x) суть функции заданные не множестве Е, а s некоторое положительное число. При этом точки, в которых обе функции f(x) и g(x) принимают бесконечные значения одного знака, строго говоря, не входят ни в одно из этих множеств, поскольку в этих точках разность f(x) – g(x) лишена смысла. Так как указанное обстоятельство представляет известные неудобства, то мы раз и навсегда условимся эти точки относить к множеству Е (|f – g| ³ s). При таком соглашении очевидно Е = Е (|f – g| ³ s) + Е (|f – g| < s) и слагаемые правой части не пересекаются. Теорема 1 (А. Лебег). Пусть на измеримом множестве Е задана последовательность измеримых и почти везде конечных функций f1(x), f2(x), f3(x), …, которая почти во всех точках Е сходится к почти везде конечной функции f(x). Тогда, каково бы ни было s>0, будет Д о к а з а т е л ь с т в о. Отметим прежде всего, что в силу теоремы 3, предельная функция f(x) также измерима и, стало быть, измеримы те множества, о которых идет речь. Д о к а з а т е л ь с т в о. Легко проверить, что
откуда следует измеримость множества E (f ³ a). Измеримость прочих множеств вытекает из соотношений:
Д о к а з а т е л ь с т в о. Прежде всего установим, что множество
Обратно, если М есть измеримое множество, то соотношения
Дальнейшие свойства измеримых функций