可测函数序列的一致可积性
我们先从一致可积性的直观概念开始。想象你有一系列可积函数,它们虽然各自可积,但可能存在某些区域的积分值很大,而且这些"大积分值"出现的区域随着函数不同而变化。一致可积性要求这些函数在积分意义上是"表现一致"的:当考虑足够大的集合时,所有函数的积分值都很小。
1. 一致可积性的定义
设(Ω, 𝓕, μ)是一个测度空间,{fₙ}是一族可测函数。如果对于每个ε > 0,存在δ > 0,使得对任意可测集A满足μ(A) < δ,都有
∫ₐ |fₙ|dμ < ε 对所有n成立
则称{fₙ}是一致可积的。
这个定义可以等价地表述为:对于每个ε > 0,存在可积函数g(通常取为常数函数),使得
supₙ ∫_{|fₙ|>g} |fₙ|dμ < ε
2. 一致可积性的等价刻画
在有限测度空间上,一致可积性有几个等价的刻画方式:
(1) 控制收敛条件:存在一个可积函数G,使得|fₙ| ≤ G对所有n几乎处处成立
(2) 积分一致绝对连续:lim_{M→∞} supₙ ∫_{|fₙ|>M} |fₙ|dμ = 0
(3) 一致有界性:supₙ ∫ |fₙ|dμ < ∞,且对任意ε > 0,存在δ > 0,使得μ(A) < δ ⇒ supₙ ∫ₐ |fₙ|dμ < ε
3. 一致可积性与收敛定理的关系
一致可积性在积分极限理论中起着关键作用。如果{fₙ}一致可积且fₙ → f几乎处处(或依测度),那么:
- f是可积的
- ∫ fₙdμ → ∫ fdμ
- {fₙ}在L¹中收敛到f
这可以看作是控制收敛定理的推广,在控制收敛定理中需要存在一个一致控制函数,而一致可积性只要求函数族在积分意义下表现一致。
4. 一致可积性的判别准则
德·拉·瓦莱-普森准则:在有限测度空间上,{fₙ}一致可积当且仅当:
- supₙ ∫ |fₙ|dμ < ∞
- 对任意不相交的可测集序列{Aₖ},有lim_{k→∞} supₙ ∫_{Aₖ} |fₙ|dμ = 0
这个准则在实际验证中非常有用,它将一致可积性与函数族在"尾部"集合上的积分行为联系起来。
5. 一致可积性在概率论中的应用
在概率论中,一致可积性有更具体的表现形式。如果{Xₙ}是一致可积的随机变量序列,且Xₙ → X几乎必然,那么EXₙ → EX。这个结果在鞅论、大数定律等概率论分支中都有重要应用。