книги из ГПНТБ / Заманский, М. Введение в современную алгебру и анализ
.pdf430 |
ГЛ. X. ИНТЕГРИРОВАНИЕ |
найдется |
покрытие множества е интервалами /&, сумма ѵ-мер |
в которых удовлетворяет условиям
S v ( 4 K M H | x ( 4 K e . M .
2. Теорема Лебега — Никодима. Пусть р и ѵ — положитель ные ограниченные меры, определенные на одном и том же пространстве Рисса числовых функций-, и пусть ^ ( р ) , і?(ѵ) — соответствующие пространства 3?. Если мера ѵ абсолютно не прерывна относительно меры р, то существует, и притом един
ственная, |
такая функция |
что |
для |
любой функции |
|||
/е=2?(ѵ) |
//o s ^ ( p ) |
и |
|
ѵ(/) = р Ш . |
|
|
|
Пусть |
А — пространство переменного |
и |
пусть со = |
р + ѵ. |
|||
В силу ограниченности мер имеем S '1(а) zd S '2(со). |
мно |
||||||
Пусть |
/ е і ? 2(со) |
и |
фА — характеристическая функция |
||||
жества А. |
Функция |
/ = |
/фд принадлежит ^'(со). Если, с дру |
||||
гой стороны, функция f |
принадлежит S ’1(а), т. е. интегрируема |
||||||
относительно меры |
р + |
ѵ, |
то она такова |
и относительно |
р и ѵ |
||
в отдельности, ибо / определяется при помощи последователь ности (хп) числовых функций, являющейся последовательно стью Коши относительно полунормы пространства S ’1(со), т. е.
|
|
^ ( I %т |
|
I ) |
Р ( I %пг |
|
I ) “Ь ^ ( I %tn |
%п I) |
|
||
стремится к нулю, а так |
как р и ѵ — положительные меры, то |
||||||||||
отсюда |
следует, |
что ц ( \ х т — х п \) |
и |
ѵ ( \ х т — хп\) тоже |
стре |
||||||
мятся |
к нулю. |
Следовательно, |
можно |
рассматривать v(f), где |
|||||||
f e ü ? 2(со), и записывать |
в силу |
неравенства |
Гёльдера, что |
||||||||
| ѵ ( / ) | < ѵ ( | / | ) = с о ( | / | ) - р ( Ш ) < с о ( | / | ) = |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
= |
® ( I |
/ I • фл Х |
II /11^ (со) II фл 11^ (Ш). |
||
|
Это неравенство показывает, что ѵ есть непрерывная ли |
||||||||||
нейная |
форма на 3?2{со). Стало |
быть, существует (раздел 5, |
|||||||||
§ |
3) такая функция g e j ? 2(co), .что |
для любой |
функции f <= |
||||||||
е |
i? 2(co) имеем |
|
|
у (/) — ® (!§)■ |
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Функция g положительна (кроме как, быть может, на мно |
||||||||||
жестве со-нулевой меры); |
в самом деле, поскольку ѵ(/) = |
®(fe) |
|||||||||
для любого f е i? 2(co) (и в частности, если взять / = фА), |
то по |
||||||||||
лучаем ѵ(фл) = |
co(g) ^ 0 ; |
если В = |
{t: g(i) < |
0}, то 0<ѵ(фВ) — |
|||||||
= |
co(grpB) sg 0, |
а следовательно, ѵ(фв) = со(§фВ) = 0; так как |
|||||||||
£Фл < |
0 и co(g4pB) = |
0, то g-фв == 0 почти всюду относительно со |
|||||||||
(см. раздел 3, § |
1), |
и g > 0 . |
|
|
|
|
|
|
|||
,П . В .
Пусть теперь * e i ? 2(co); так как
' |
V (х) = со (xg) — р (xg) + V (xg), |
то ß (xg) = v ( x ( l — g)).
434 |
ГЛ |
X. ИНТЕГРИРОВАНИЕ |
|
|
|
||
Таким |
образом, |
|
(ѵ-почти всюду). |
|
|||
Изменим надлежащим образом значения функции g на |
|||||||
множестве ѵ-нулевой меры так, чтобы 0 ^ |
g ^ |
1 . |
|
||||
Пусть теперь |
|
|
|
|
|
|
|
Л0 — множество |
тех І е Д |
где |
0 < |
g (t) < |
1; |
||
A i — множество |
тех t е |
А, |
где |
|
g(^) = |
i. |
|
Имеем |
A = A0UAh |
Ао(]Аі = |
0 , |
|
|
||
|
|
|
|||||
т. е. Aq и А і составляют разбиение множества А. Кроме того, р,(Лі) = 0. В самом деле,
ѵ(л 0 = й (етЛі) + ѵ(етДі);
но
|
|
|
|
sva' ^ va,; |
|
|
|
|
|
|||
следовательно, ѵ(ЛЛ = |
р,(Лі) + |
ѵ(Лі), и |
р(Л,) = |
0. |
Из |
этого |
||||||
для любого подмножества X следует |
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
н и п л , ) |
= |
о. |
|
|
|
|
||
|
Рассмотрим теперь две меры, ѵо и ѵь определяемые |
как |
||||||||||
|
|
ѵ0 (X) = V(X П Ло), |
|
V! (X) = |
V (X П Аі). |
|
|
|||||
Имеем прежде всего |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
V, (Л0) = |
V(Л0 П Аі) == V(0 ) = 0, |
ѵ0(Л|) = 0. |
|
|
||||||
Если X есть ѵ-измеримое подмножество, то |
|
|
|
|||||||||
|
ѵо(ХПЛІ) = |
ѵ(ХПЛоПЛ1) = |
ѵ( ХП0) = ѵ(0) = |
О> |
|
|||||||
|
ѵ1(ХПЛо) = |
ѵ(ХПЛоПЛ1) = |
ѵ( ХП0)==ѵ(0) = |
О, |
|
|||||||
ѵ(Х) = ѵ((^ЛЛ0) и( ХПЛ1)) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
— ѵ {X Л Л0) + |
V(X Л Аі) = |
ѵ0 (X) + |
V, (X). |
|||||
и |
Итак, |
найдено |
такое разбиение |
Л = |
Л01)Л1 множества А |
|||||||
такое |
разложение |
меры ѵ |
на |
ѵ — ѵо + ѵц |
что |
ѵо(Л[) — |
||||||
= |
Ѵі(Л0) = 0 и что мера р(Л]) |
равна нулю. |
|
|
|
|||||||
|
Наконец, покажем, что мера ѵо абсолютно непрерывна от |
|||||||||||
носительно (X. Пусть подмножество X из Л таково, что р(Х) = |
||||||||||||
= |
0; покажем, что ѵо(Х) = 0. |
В самом деле, имеем |
|
|
||||||||
|
• |
ѵ0 (X) = |
V(X Л Л0) = |
ц (бч>*пЛо) + ѵ ( ^ x п л,); |
|
|
||||||
так как p.(A') = 0, то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
М(*ЛА,) = ° |
и |
м(£Ф*пЛо) = 0; |
|
|
|
|||||
436 |
ГЛ X. ИНТЕГРИРОВАНИЕ |
положительную меру ѵ; но мера ѵ будет представлять собой сумму двух мер ѵо + ѵь множество p-нулевой меры будет иметь ѵо-нулевую меру, а подмножество, на котором сосредо точена мера ѵь будет иметь р-нулевуго меру (но не нулевую ѵ-меру).
§ |
3. Непрерывные линейные формы на |
пространствах £ £ р |
В этом параграфе приводится выражение любой непрерыв |
||
ной |
линейной форіѵы на пространстве |
S v ( І ^ р с + о о ) . |
Предположим, что все пространства S p построены исходя из
одного и того же |
пространства |
Рисса Е |
числовых функций |
(удовлетворяющего, |
в частности, |
условию |
х <= Е ==>\х \р ^ Е) и |
положительной меры р, которая предполагается ограниченной,
что влечет S p го S'* |
при р ^ q. |
|
|
если r e S ’f', y ^ S P и |
||||||||||||
Для |
всех этих пространств S p имеем: |
|||||||||||||||
0 ^ |
у sg: X, то \\у\\р ^ |
\\х\\р. |
(Это верно также |
и для S ’00.) |
|
|
|
|||||||||
Пусть F — непрерывная |
линейная форма |
на |
S°°; имеем |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
I т (х )!< ||Т ||||х ||р |
|
|
|
|
|
|
|
|||
для любых x ^ |
S p, причем |
||Т|| есть норма формы |
F. Согласно |
|||||||||||||
теореме из § |
5, |
раздел 1, |
форма |
F является разностью |
|
двух |
||||||||||
непрерывных положительных линейных форм G и Я; пусть, |
||||||||||||||||
стало быть, F = |
G — Н (где |
G(x)— |
sup |
F (у)). |
|
|
|
|
|
|||||||
Пусть х„ — последовательность |
|
0<!/< X |
|
|
p, |
убывающая |
||||||||||
функций из S |
||||||||||||||||
и сходящаяся к нулю; то же самое имеет место и для |
| |
х |
(чтор |
|||||||||||||
значит, |
\\хп\\р |
убывает и стремится к нулю |
при |
п-*оо |
|
Г1| ; |
||||||||||
не выполняется, |
если р — -foo). Так как |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
G (x„)<|G (xn)|< ||G |||| х„ ||р, |
|
|
|
|
|
|||||||
то G(xn) стремится к нулю. |
Следовательно, |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
хп I 0 =# G (хп) I 0 |
(аксиома 3). |
|
|
|
|
|
||||||
Таким |
образом, |
G есть положительная |
мера |
на |
S p, |
равно |
||||||||||
как |
и |
Н. Если х — функция, равная |
нулю почти |
всюду относи |
||||||||||||
тельно |
меры р, |
то |
||хЦр = О, а значит, F ( x ) ~ 0, |
и стало |
|
быть, |
||||||||||
G(х) = 0, ибо |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1G(x) | < G ( | X |) = |
supF(*/), |
где 0 < г / < | х | , |
II у ІКІІ х|| = 0. |
|||||||||||||
Имеем |
также И (х) = 0. Следовательно, положительные |
|
меры |
|||||||||||||
G и Н абсолютно непрерывны относительно р. Кроме того, они |
||||||||||||||||
ограничены, так как |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
| G( x ) | < |
|
sup |
Т (г/)<||Е ||||х||р< ||Е ||аі(Л ))'//'||х||м, |
|
|
|
|||||||||
|
|
|
6 РАЗЛОЖЕНИЕ MEPbt |
|
|
|
|
43? |
||
и если |
x = q>A, то |
G{vA) <t\\FU\i{A))4P. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
По |
теореме |
Лебега — Никодима |
найдется |
такая |
функция |
|||||
/o E ^ (|j.), что |
F(x) = n(xfo) |
для любой |
функции |
*, |
интегри |
|||||
руемой одновременно относительно G и Н. Функция |
fo опре |
|||||||||
деляется единственным образом (с точностью |
до |
множества |
||||||||
меры нуль). |
|
|
|
|
|
Коши |
в |
Е, наде |
||
Наконец, если (хп) — последовательность |
||||||||||
ленном нормой пространства 3?р, то поскольку G есть непре |
||||||||||
рывная линейная форма на |
то |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
G(1 хп— xm I) ^ |
II G II • |
II хп |
хт||р; |
|
|
|
||
значит, |
G(]x„ — хт| ) |
стремится к нулю; если |
при этом хп схо |
|||||||
дится |
p-почти |
всюду |
к функции f 6= 3?р, |
то |
в |
силу |
того, что |
|||
любое множество p-нулевой меры является множеством (/-ну левой меры (абсолютная непрерывность), хп сходится G-почти всюду к функции /, которая, стало быть, интегрируема отно сительно меры G. Таким образом, равенство F(х) — р(х/0), справедливое для любой функции х, интегрируемой одновре менно относительно G и Н, тем более справедливо для любой
функции Xез £?р. |
теперь, |
что р > 1, |
и рассмотрим |
такие |
функ |
|
Предположим |
||||||
ции |
что Ose; х |
/0(. |
если f o(t )^0, |
и —1, |
если |
|
Пусть фо — функция, |
равная |
1, |
||||
Ш < 0 .
Имеем
р (*<?) = р (х*-1- * )< р (х?_11/о I) = Д (^"'Фо ' fo) =
= F(x*-' •ФоХИ/НІіи*-1Up.
Но равенство (1/р) + (1/<7) == 1 Дает p( q — \) = q. Отсюда р ( ^ х і і л і ( р (х<)ур
( р ( х ^ = |и ^ < ||К ||.
Наконец, |
пусть |
(х„)^~ последовательность |
функций, |
опре |
||||||
деленных как |
|
|
fo (t), |
|
|
] fo(t) I < |
n, |
|
|
|
|
|
Хп (0 = |
если |
|
|
|||||
|
|
xn (t) = |
«Фо, |
если |
I fQ(t) I > |
n. |
|
|
||
Последовательность xn сходится p-почти всюду к f0 (х+ |
воз |
|||||||||
растает к fo, |
Хп убывает к / Д |
функция х п |
ограничена, и зна |
|||||||
чит, принадлежит 3?°° и |
É 4 |
(поскольку |
мера ограничена), |
|||||||
и „ | < І Ы > |
и значит, |
|
нормы ||х„||? |
ограничены; |
следовательно, |
|||||
по теореме |
Б. Леви, |
f0 е |
|
|
|
|
|
|
||
438 |
|
|
ГЛ. X. |
ИНТЕГРИРОВАНИЙ |
|
|
|
|
|
|
||
Кроме того, |
имеем |
ІІ/оІІ? ^ IIЛІ, поскольку |
для |
х е S ’*1 и |
||||||||
0 < x < | f o| получаем |
IU||4< ||F||. |
Но так как, а силу |
неравен |
|||||||||
ства Гёльдера, |
|
имеем |
|^(^) | = |р(^/о) | ^ |
Mlpllfollg. |
то ИЛІ ^ |
|||||||
< ІІ/оІІqi Истало быть, |
НЛІ = ||/0||g- |
ц-максимум |
|
функции |
||||||||
При |
р = 1 |
обозначим |
через |
ll/olL |
|
|||||||
|/0|, конечный |
или бесконечный, |
и предположим, |
что |
ll/olU ^ |
||||||||
^Н Л І + е, где |
е > 0 — действительное число. Пусть |
|
X — мно |
|||||||||
жество |
точек |
t, |
в которых |
\fo{i)\^ \ \ F \ \ г/2 |
и |
ер* — его |
ха |
|||||
рактеристическая функция. |
Имеем |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Р(ІФ*/оІ)>МХ)-(|| К|| + е/2). |
|
|
|
|
|
||||
Но р (I cpxf0\) = |
F(q>x • фоХИ К|| • |
ІІФхИі = |
|ІЛІ • |
р(Х). |
|
Так |
как |
|||||
ц(Л') > |
0, то |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||F|| + e/2<[|F||, |
|
|
|
|
|
|
||
что невозможно. Следовательно, |
предположение |
о |
|
том, |
что |
|||||||
ІІ/оІІоо ^ |
!|/г|| + |
е, |
было |
ложно, и |
стало быть, ll/olL ^ |
|
l|f II. |
Так |
||||
как снова имеем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
I/=■ (*) 1= 1P(*fo) IK lull, Ifoil«,
то всегда ИЛІ = 11/olL *)•
Теперь сформулируем теорему.
Те о р е ма . Пусть р — положительная ограниченная мера на пространстве Рисса числовых функций. Любая непрерывная
линейная форма F на 2 ”р записывается |
в виде |
F(x) = |
p(xfQ), |
||||
где f0(^£?q((l/p)-\-(l/q)= 1 |
и |
1 < / ? < |
+оо). |
Кроме |
того, |
||
норма этой линейной формы равна ||ЛІ = |
ll/olU- |
|
|
||||
Все функции /о в этой теореме равны между собой р-почти |
|||||||
всюду. |
|
Эта теорема |
довольно легко распростра |
||||
О б о б щ е н и е . |
|||||||
няется |
на тот случай, когда |
р — неограниченная |
мера и когда |
||||
р >■ 1. |
Упрощающее |
условие |
позволяет распространить |
преды |
|||
дущий |
результат на |
случай |
неограниченной меры и 1 ^ р < |
||||
< + оо: предполагается, что множество А является счетным объединением измеримых множеств (если речь идет о мере на локально компактном пространстве, то предполагается, что это пространство счетно в бесконечности, т. е. является счетным
-объединением компактных множеств).
с о
В самом деле, если |
A = \ j A n, причем мера каждого Ап |
, |
1 |
конечна и Ап возрастают, то рассмотрим пространства і? р (Лп).
*) Как видно из этого рассуждения, здесь в качестве і? “ рассматрк вается пространство { л е й ’1: ||лсЦсо < +°°). См. сноску на стр. 426.
6. РАЗЛОЖЕНИЕ МЕРЫ |
439 |
Линейная форма F непрерывна на каждом из них, и если означает функцию, принадлежащую ЗБ4 и такую, что для лю
бого |
класса |
имеем F(x) — |
\.i(xfn), то ||/nllq ^ |
11Е||. Един |
||
ственность |
функций /„ |
в Е«(ЛП) влечет, |
что на Ап |
|||
fnjpI. fn+i't а |
так как | / « | < | / я+і|. то /„ |
сходится |
к |
функции |
||
f ozaS’HA). |
|
Предыдущая |
теорема |
выражается |
также в |
|
С л е д с т в и е . |
||||||
следующей |
форме: |
для |
пространство, |
сопряжен |
||
ное к Lp, может быть |
отождествлено с |
а так |
как |
(1/р) + |
+ (1j q ) ~ 1, то сопряженным к Ьч будет Lp, если 1 |
s=: q <С + 0 0 . |
|||
Следовательно, если 1 |
< p < - f ° ° , то п р о с т р а н с т в о |
L p |
рефлек |
|
с и в н о *). |
п о с л е д о в а т е л ь н о с т е й . |
Если |
||
П р о с т р а н с т в а |
||||
рассмотреть пространства Lp(N), элементами которых яв ляются последовательности х = (|„) действительных чисел и которые определяются при помощи (неограниченной) дискрет ной меры на N, то
|
|
|
|
|
іи и Р = |
( 2 і ы |
р)1/р. |
|
|
|
|
При |
1 < |
р < + 0 0 |
любая |
непрерывная линейная |
форма за |
||||
писывается |
в виде |
|
|
|
00 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F{x)—2 |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
/=I |
|
|
|
где |
а = |
(аг) е Lq (N) |
(т. е. |
2 |
I «г \я < |
+ °°), и |
|
|
||
|
|
|
II |
F II = |
11 М |
= ( 2 |
і а г Г0,/Р. |
|
|
|
|
При |
р = |
1 любая |
непрерывная |
линейная |
форма |
на Ll(N) |
|||
записывается в виде |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
с о |
|
|
|
|
|
|
|
|
Е ( х )= 2 ЩІ і , |
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
і=І |
|
|
|
где |
а = |
(а;) <= L00(N) |
(т. е. |
sup| а, | < + оо), |
и ||^|| = |[а|(ов = |
|||||
= sup) at [. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
i |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
*) Ср. замечание 2 на стр. 359. Пусть £ — нормированное векторное про странство, £*-—множество непрерывных линейных форм на Е. Тогда Е* яв ляется нормированным (и даже банаховым) пространством относительно обычных линейных операций и нормы, введенной в разделе 2, § 2, п. 2. Со поставляя каждому элементу х е Е функционал Fx на Е*, определенный равенством Fx(f )=f(x) для всех f е Е*, получаем отображение Е в про странство £** непрерывных линейных форм па £. Если это отображение есть изоморфизм нормированных пространств £ и £**, то говорят, что £ — ре флексивно. .
