勒贝格可测函数的等度可测性与等度连续性的关系
首先,你需要明确“等度可测”与“等度连续”这两个概念的含义。
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等度可测
设 \(\{f_n\}\) 是定义在可测集 \(E \subset \mathbb{R}^d\) 上的一族勒贝格可测函数。如果对任意 \(\varepsilon > 0\),存在可测集 \(A \subset E\) 使得 \(m(E \setminus A) < \varepsilon\),且在 \(A\) 上每个 \(f_n\) 连续,则称 \(\{f_n\}\) 是等度可测的。这是鲁津定理对函数族的推广,即一族函数可同时在一个“大”集上连续。 -
等度连续
设 \(\{f_n\}\) 是定义在度量空间 \(X\) 上的一族函数。如果对任意 \(\varepsilon > 0\),存在 \(\delta > 0\),使得对所有 \(n\) 及任意 \(x, y \in X\) 满足 \(d(x,y) < \delta\),都有 \(|f_n(x) - f_n(y)| < \varepsilon\),则称 \(\{f_n\}\) 是等度连续的。注意等度连续是比逐点连续更强的条件,它要求 \(\delta\) 对整族函数一致。 -
在一般可测函数族中,二者无必然关系
- 等度连续是关于函数值变化的“一致连续性”,依赖于定义域的拓扑结构。
- 等度可测是关于函数可测性的“一致逼近”,依赖于测度论结构。
- 即使 \(\{f_n\}\) 在某个紧集上等度连续,它们仍可能不是等度可测的,因为等度可测要求存在一个“大”的可测集使所有函数同时连续,而等度连续不保证该集的存在。
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特殊情形下的联系
若 \(\{f_n\}\) 定义在紧区间 \([a,b]\) 上,且满足:
(i) 每个 \(f_n\) 勒贝格可测;
(ii) \(\{f_n\}\) 等度连续;
(iii) \(\{f_n\}\) 一致有界。
则由阿尔泽拉-阿斯科利定理,该函数族是相对紧的(在连续函数空间的一致拓扑下)。此时可利用鲁津定理的推广,证明存在一个“大”的可测子集,使所有 \(f_n\) 在其上连续,即等度可测成立。但注意:等度连续本身不直接推出等度可测,需结合一致有界性与紧定义域。 -
反例
存在一族勒贝格可测函数 \(\{f_n\}\) 是等度可测的,但不是等度连续的。例如,取 \(f_n(x) = \sin(nx)\) 在 \([0,2\pi]\) 上,它等度可测(因每个函数连续,自然满足定义),但当 \(n\) 很大时,振荡剧烈,不满足等度连续的一致 \(\delta\) 条件。
总之,等度可测性关注“测度意义下的一致逼近于连续函数”,等度连续性关注“函数值变化的一致性”,二者源自不同数学结构(测度 vs. 拓扑),在附加条件下才可建立联系。