Lebesgue积分的性质课件.ppt

1、目的：掌握一般可测函数积分的定义，熟悉它与广义Riemann积分的异同，掌握并能证明一般可测函数积分的性质。重点与难点：一般可测函数的积分与广义Riemann积分的异同，可测函数积分的性质。第1页，共51页。基本内容：一有界可测函数积分的性质（续）问题问题1 1：如果：如果f(x)f(x)是区间是区间a,ba,b上的非负上的非负RiemannRiemann可积函数，且可积函数，且a ab bf(x)dx=0,f(x)dx=0,则则f(x)=0f(x)=0。如果将区间换成有限测度集，非。如果将区间换成有限测度集，非负负RiemannRiemann可积函数换成非负可测函数，可积函数换成非负可测函数

2、，结果如何？结果如何？第2页，共51页。问题问题2：如何用集合表示：如何用集合表示f(x)0的那些点？的那些点？问题问题3：问题问题1中，有没有可能中，有没有可能f(x)0？第3页，共51页。定理3 设 f 是E上的有界可测函数,若 且 则证明：任取正数，则由积分的可加性，得,mE,.0)(Eeaxf Edxxf,0)(。.0)(Eeaxf ExfxExfxEdxxfdxxfdxxf)(|)(|)()()(第4页，共51页。由于 故 ，又由积分的单调性得于是 ，然而由假设 ，所以 ，,.0Eeaf )(0)(xxfEdxxf )(|)(|)(|)(xfxExfxExfxmEdxdxxf Exf

3、xmEdxxf)(|)(Edxxf0)(0)(|xfxmE第5页，共51页。特别地，对任意 进而证毕。，01)(|,nxfxmENn0 1)(|0)(|1 nnxfxEmxfxmE第6页，共51页。二一般可测函数的积分问题问题4 4：如果：如果E E是有限测度集，是有限测度集，f(x)f(x)是是E E上的上的非负可测函数（可能无界），如何将有非负可测函数（可能无界），如何将有界可测函数的积分推广到这种情形？界可测函数的积分推广到这种情形？第7页，共51页。（1）有限测度集上非负可测函数积分的定义问题问题5 5：如果：如果E E是有限测度集，是有限测度集，f(x)f(x)是是E E上的上的可测

4、函数（可能无界，也未必非负），可测函数（可能无界，也未必非负），如何将有界可测函数的积分推广到这种如何将有界可测函数的积分推广到这种情形？情形？第8页，共51页。与广义Riemann积分类似，Lebesgue积分也分无界可测函数以及定义域为无限测 度 集 等 情 形。但 其 定 义 与 广 义Riemann积分有所不同。定义2 设 是E上的非负可测函数，对每一正数m，令)(,xfmE ),(min)(mxfxfm 第9页，共51页。则 是E上的非负有界可测函数，由定理1知每个 在E上可积，由于 是单调数列，故 总是存在的（允许等于+），记 ，称 为 在E上的积分，若 ，则 mfmf Emdxx

5、f)(Emmdxxf)(lim EmmEdxxfdxxf)(lim)(Emdxxf)()(xf Edxxf)(第10页，共51页。称 为E上的Lebesgue可积函数。(2)有限测度集上一般可测函数积分的定义问题问题6 6：如果：如果mE=,mE=,如何定义如何定义E E上非负可上非负可测函数的积分？测函数的积分？)(xf第11页，共51页。定义3 设 是E上的可测函数，若 在E上的积分至少有一个不为 +，则称 在E上有积分，并记若 为有限数，则称 在E上Lebesgue可积。)(,xfmE ff,)(xf EEEdxxfdxxfdxxf)()()(Edxxf)()(xf第12页，共51页。容

6、易看到，若 是E上有界可测函数，则 与前面定义的积分是一致的，特别应该注意的是，称 在E上Lebesgue可积当且仅当其正部 及负部 都可积，因此，显然有 在E上Lebesgue可积当且仅当 在E上Lebesgue可积。这与)(xf Edxxf)()(xf f f)(xf|)(|xf第13页，共51页。Riemann积分大不相同，例如，若则不难证明，是0，1上的广义Riemann可积函数，然而 不是广义Riemann可积的。0 x 010,1sin1)(xxxxf)(xf|)(|xf第14页，共51页。（3）无限测度集上非负可测函数的积分定义问题问题7 7：如果：如果mE=,mE=,如何定义如

7、何定义E E上一般可上一般可测函数的积分测函数的积分第15页，共51页。定义4 设 是E上的非负可测函数，对任意正整数m，令 ，其中 ，显然 在每个Em上有积分（积分值可能为+），记 ,显然Jm是单调递增的，故极限总是存在的。定义 在E上的积分为 )(xfmmSEE|mxRxSnm mEdxxfJm)()(xf)(xf第16页，共51页。若 为有限数，则称 在E上Lebesgue可积。(4)无限测度集上一般可测函数积分的定义定义5 设 是E上的可测函数，对任意正整数m，同定义4，记 mEmmmEdxxfJdxxf)(limlim)(Edxxf)()(xf)(xfmE第17页，共51页。若 与

8、至少有一个不为+，则称 在E上有积分并记若 均为有限数，则称 在E上Lebesgue可积。mmEEmmdxxfJdxxfJ)(,)(EEdxxfdxxf)(,)(mmJlim mmJlim EEEdxxfdxxfdxxf)()()()(xf)(xf第18页，共51页。三可积函数积分的性质问题问题8 8：对：对RiemannRiemann积分而言，积分而言，f f与与|f|f|的的可积性是否相同？对可积性是否相同？对LebesgueLebesgue积分而言，积分而言，情形又如何？情形又如何？f与|f|的可积性第19页，共51页。可以证明：对E上任一非负可测函数f，有所以定义5中 的积分也可以定义

9、为 mkkEmmEmEkmmmkdxxfdxxfdxxf)(lim )(lim)(limlim EEmmdxxfdxxfm)(lim)()(xf第20页，共51页。从定义5不难看到，可积性与 的可积相同，即有定理4 设 是可测集E上的可测函数，则 在E上Lebesgue可积当且仅当 在E上Lebesgue可积。)(xf|)(|xf)(xf)(xf|)(|xf第21页，共51页。问题问题9 9：有限测度集上有界可测函数的积分：有限测度集上有界可测函数的积分性质能否推广到一般可测函数的积分情性质能否推广到一般可测函数的积分情形（包括有限测度集上的可测函数与无形（包括有限测度集上的可测函数与无限测度

10、集上的可测函数）？限测度集上的可测函数）？第22页，共51页。定理2中的（i）(iv)对于一般可积函数也同样是正确的。其证明需实施一下极限手续。*定理5 如果E是可测集，则(i)当 在E上可测，在E上非负可积，时，也在E上可积，且)(xf)(xg)(|)(|xgxf)(xf第23页，共51页。证明 因为 ，故当时，有 EEdxxgdxxf)(|)(|)(|)(|xgxf Edxxg)(kkEEmmdxxgdxxf)(|)(|kEEdxxgdxxg)()(第24页，共51页。其中 是任意正整数，于是由积分定义立知 可积，且 。(ii)当 是E的互不相交的可测子集，在E上有积分时，在每一Ei上有积

11、分，且mk,|)(|xf EEdxxgdxxf)(|)(|mEE，1)(,1xfEEmii )(xf mEEEEdxxfdxxfdxxfdxxf)()()()(21第25页，共51页。特别地，当 是E上的非负可测函数时，证明 只需就情形 证之，一般情利用归纳法可证。由定理2知，对任意正整数 有midxxfdxxfEiE,2,1 ,)()()(xf2 mmk,kkkEEEEEmmmdxfdxfdxf12第26页，共51页。施行极限手续后立知显然当 存在时，与 kkkEEEEEmmmdxfdxfdxf12 EEEdxfdxfdxf112 EEEdxfdxfdxf112 Edxxf)(1)(Edxx

12、f 2 2E Ef(x)dxf(x)dx第27页，共51页。都存在，且由此可见f 在E上可积时，f 在 上均可积，且当f可积时，有(iii)对任意常数c，。证明 不妨设 ，由于。)()()(21 EEEdxxfdxxfdxxf21,EE。)()()(21 EEEdxxfdxxfdxxf EEdxxfcdxxcf)()(0 c cfcfcfcf)(,)(第28页，共51页。且 ，故同理所以cmmfccf)(EEmkmkdxcfdxcf)(lim)(kEEcmkmdxfcdxfc)(lim EEdxcdxcf)(EEdxfcdxcf 第29页，共51页。(iv)若 都是E上的可积函数，则证明 首先

13、设 都是非负可测函数，注意到对任意m，有于是)(),(xgxf EEEdxxfdxxfdxxgxf)()()()(gf,2mmmmgfgfgf kkkEEEmmmdxgdxfdxgf第30页，共51页。由 的可积性知所以 kEmdxgf2gf,kkEEEEmmkmdxxgdxxfdxgdxf)()(lim kEEEmkmdxxgdxxfdxgf)()(lim kEmkmdxgf2lim第31页，共51页。由第一个不等式知 可积，且由第二个不等式知因此gf EEEdxxgdxxfdxgf)()(EEEdxgfdxxgdxxf)()()(EEEgdxdxfdxgf 第32页，共51页。下设 是一般

14、可积函数，则不难证明因此，若 都是可积函数，则 也是可积的，注意到gf,gfgfgfgf)(,)(gf gf,gfgfgf )()()(gfgf第33页，共51页。所以有进而上面已证非负函数的积分具有可加性，于是 )()(gfgfgfgf EEdxgfgfdxgfgf)()(第34页，共51页。故 EEEdxgdxfdxgf)(EEEdxgfdxgdxf)(EEdxgfdxgf)()(),()(EEEEdxgdxgdxfdxf第35页，共51页。即 证毕。(v)当 在E上有积分，且 时，。证明 现设 在E上有积分，且)(xf.)()(Eeaxgxf EEdxxgdxxf)()(EEEgdxfd

15、xdxgf)()(xf,.)()(Eeaxgxf 第36页，共51页。记 ，则 且 ，由积分的可加性得)()(),()(21xgxfExgxfE 212,0EEmE21EEE EEEdxxfdxxffdx12)()(12)()(EEdxxfdxxg第37页，共51页。由于对一切有界可测函数，有 ，故由定义2、3不难得知对E上一切可测函数 。所以 ，又因f在E上有积分，从而不难证明在E1上也有积分，而在E1上，因此g在E1上有积分。再次由积 20)(Edxxf 20)(),(Edxxhxh 2 22 2E EE E0 0g(x)dxg(x)dxf(x)dxf(x)dxgf 第38页，共51页。分

16、的定义，通过极限手续知 在E上也有积分，且 证毕。)(xg EEEdxxgdxxgdxxg12)()()(iEEdxxfdxxg1)()(12)()()(EEEdxxfdxxfdxxf第39页，共51页。(vi)当 都在E上有积分，且 时 。证明 记 则 ，于是 在E上有积分，且 又 在E上均有积分，且 ，所以由)(),(xgxf)()(Exxgxf EEdxxgdxxf)()(),()()(xfxgxF 0)(xF)(xF EdxxF,0)()(),(xgxf)()()(xfxFxg ggfff,第40页，共51页。得 ，类似(iv)的证明可知若 ，则不等式 显然成立；若 ，则因 存在，故

17、ffFfg EEEEEdxgdxfFdxdxfdxg EEdxgdxf Edxg EEfdxgdx Edxg Egdx第41页，共51页。从而由上面的不等式知 ，于是有 ；类似地，若 ，则于是有 若 ，则 ，因此不等式 仍然成立。证毕。，Edxg Edxf EEfdxgdx Edxf Edxg,EEfdxgdx;Edxf Efdx EEfdxgdx第42页，共51页。Riemann积分与Lebesgue积分的关系我们曾经提到Lebesgue积分是Riemann积分的推广，然而对广义Riemann积分来说，Riemann可积性并不意味着Lebesgue可积性，这从前面的例子已经看到，那么，通常意

18、义下的Riemann可积性是否意味着Lebesgue可积性呢？如 第43页，共51页。果不是的话，则就不能认为Lebesgue积分是Riemann积分的自然推广，幸运的是，答案是肯定的，即我们有*定理6 如果有界函数 在闭区间a,b 上是Riemann可积的，则 在a,b 上也是Lebesgue可积的，且)(xf)(xf第44页，共51页。此处 表示 在 a,b上的积分，表示 在a,b上的Riemann积分。证明：显然，由定理1，只需证明 是a,b上的可测函数。,)(badxxf ,)()(babadxxfdxxffLebesgue badxxf)(ff第45页，共51页。由于Riemann可

19、积，取a,b的分点组 ，记分别为 在 上的下确界与上确界，由Riemann积分的定义知 1)()(1)(0,:,mmmimmmDbxxxaDmD0max)()(1)(1 mimiiixxmDm)()(,mimiMm,)()(1mimixx f第46页，共51页。令 为如下的函数列：badxxf)(m mm mi i1 1i ii i1 1i i(m)(m)1 1i i(m)(m)i i(m)(m)i i(m)(m)1 1i i(m)(m)i i(m)(m)i im m)x x(x(xM Mlimlim)x x(x(xm mlimlim,mm axafxxxmxmimimim )(,()()()

20、(1)(axafxxxMxmimimim )(,()()()(1)(第47页，共51页。则 因，故当区间长度缩小时，上确界不增，下确界不减，所以于是 ，即1 mmDDfm 21fm 321ffffmmmm lim,limfff 第48页，共51页。注意到 都是有界可测的，所以是非负Lebesgue可积函数，从而ff,ff 0)(,bababadxfdxfdxff bamimibaiimimbadxxfxxmdxxdxxfm)()()()()(1)(,1)(,第49页，共51页。这说明故换言之 由本节定理3知，进一步 bamimibaiimimbadxxfxxmdxxdxxfm)()()()()(1)(,1)(,bababadxxfdxxfdxxf,)()()(bababadxxfdxxfdxxf,)()()(。0)()(,badxxfxf.,.baeafff 第50页，共51页。因此f 在a,b上可测，证毕。作业：P167 6，7，9第51页，共51页。