수학 에서 파투의 보조정리기 는 일련의 함수 의 열등함수 에서 열등함수까지의 르베그 적분 과 이러한 함수의 통합의 열등함수와의 관계에서 불평등 을 설정한다. 보조정리기 는 피에르 파투 의 이름을 따서 명명되었다.
파투의 보조정리법은 파투-레베그 정리 , 르베그 지배적인 수렴정리 등 을 증명하는 데 사용할 수 있다.
표준문 다음에 나오는 B R r 0 {\ displaystyle \operatorname {\mathcal {B} _{\mathb {R } _{\geq 0}} 은 [0 , + ] ] {\displaystyle [0, + ] ] 에 설정된 보렐 의 { {\displaystystyledown }을 의미한다 .
정리 — 파투의 보조정리. Given a measure space ( Ω , F , μ ) {\displaystyle (\Omega ,{\mathcal {F}},\mu )} and a set X ∈ F , {\displaystyle X\in {\mathcal {F}},} let { f n } {\displaystyle \{f_{n}\}} be a sequence of ( F , B R ≥ 0 ) {\displaystyle ({\mathcal {F}},\operatorname {\mathcal {B}} _{\mathbb {R} _{\geq 0}})} - 측정 가능한 비음성 함수 f : X → [ 0 , + ] {\displaystyle f_{n}: X\to [0,+\infty ]} . Define the function f : X → [ 0 , + ∞ ] {\displaystyle f:X\to [0,+\infty ]} by setting f ( x ) = lim inf n → ∞ f n ( x ) , {\displaystyle f(x)=\liminf _{n\to \infty }f_{n}(x),} for every x ∈ X {\displaystyle x\in X} .
Then f {\displaystyle f} is ( F , B R ≥ 0 ) {\displaystyle ({\mathcal {F}},\operatorname {\mathcal {B}} _{\mathbb {R} _{\geq 0}})} -measurable, and also ∫ X f d μ ≤ lim inf n → ∞ ∫ X f n d μ {\displaystyle \int _{X}f\,d\mu \leq \liminf _{n\to \infty }\int _{X}f_{n}\,d\mu } , where the integr als는 무한 할 수 있다 .
파투의 보조정리기는 그것의 가정들이 거의 모든 곳에서 μ[\displaystyle \mu }-을(를) 유지한다면 그대로 유지된다. In other words, it is enough that there is a null set N {\displaystyle N} such that the sequence { f n ( x ) } {\displaystyle \{f_{n}(x)\}} non-decreases for every x ∈ X ∖ N . {\displaystyle {x\in X\setminus N}.} To see this, note that the integrals appearing in Fatou's lemma are unchanged if we change each function N {\displaystyle N} 에.
증명 파투의 보조정리에는 단조로운 융합정리 가 필요없지만 후자를 이용하면 빠른 증거를 제시할 수 있다. 통합의 정의에서 직접 입증된 증거는 아래에 더 자세히 설명되어 있다.
각각의 경우 g n ( x ) = inf k ≥ n f k ( x ) {\ displaystyle \textstyle g_{n}(x)=\inf _{k\geq n}f_{k}(x)}} 의 속성을 분석하는 것으로 입증은 시작된다. 이를 통해 다음을 만족시킬 수 있다.
시퀀스 { gn ( x ) } n {\ displaystyle \{g_{n}(x)\}_{n}}} 은 (는) 어느 x 에서나 점으로 표시되며 g n ≤ f {\ displaystyle g_{n}\leq f_{n}}, ∀ n ∈ N {\displaystyle \forall n\in \mathb {N }}. Since f ( x ) = lim inf n → ∞ f n ( x ) = lim n → ∞ inf k ≥ n f k ( x ) = lim n → ∞ g n ( x ) {\displaystyle f(x)=\liminf _{n\to \infty }f_{n}(x)=\lim _{n\to \infty }\inf _{k\geq n}f_{k}(x)=\lim _{n\to \infty }{g_{n}(x)}} , we immediately see that f is measurable.
모노톤 컨버전스 정리를 통해 게다가
∫ X f d μ = ∫ X 임이 있는 n g n d μ {\displaystyle \int _{X}f\,d\mu =\int _{X}\lim _{n}g_{n}\,d\mu } 모노톤 컨버전스 정리 및 속성(1)에 의해 한계와 적분을 상호 교환할 수 있다.
∫ X f d μ = 임이 있는 n ∫ X g n d μ = im inf n ∫ X g n d μ ≤ im inf n ∫ X f n d μ , {\displaystyle {\begin{aligned}\int _{X}f\,d\mu &=\lim _{n}\int _{X}g_{n}\,d\mu \\&=\liminf _{n}\int _{X}g_{n}\,d\mu \\&\leq \liminf _{n}\int _{X}f_{n}\,d\mu ,\end{aligned}}} 여기서 마지막 단계는 특성(2)을 사용했다.
출처: "첫 번째 원칙" 모노톤 수렴 정리가 "숨겨져 있지 않다"는 것을 증명하기 위해, 아래의 증명은 여기에 확립된 것을 제외하고는 르베그 적분 성질을 전혀 사용하지 않는다.
Denote by SF ( f ) {\displaystyle \operatorname {SF} (f)} the set of simple ( F , B R ≥ 0 ) {\displaystyle ({\mathcal {F}},\operatorname {\mathcal {B}} _{\mathbb {R} _{\geq 0}})} -measurable functions s : X → [ 0 , ∞ ) {\displaystyle s:X\to [0,\infty )} such that 0 ≤ s ≤ f {\displaystyle 0\leq s\leq X {\displaystyle X} 의 f}.
단조도 —
X , {\displaystyle X,} 에서 f ≤ g {\displaystyle f\leq g} 이(가) 어디에나 있는 경우 ∫ X f d μ ≤ ∫ X g d μ . {\displaystyle \int _{X}f\,d\mu \leq \int _{X}g\,d\mu .} X 1 , X 2 ∈ F {\ displaystyle X_{1}, X_{2}\in {\mathcal {F} 및 X 1 ⊆ X 2 , {\displaystyle X_{1 }\subseteq X_{2 }인 경우, 그 다음, ∫ X 1 f d μ ≤ ∫ X 2 f d μ . {\displaystyle \int_{X_{1}f\,d\mu \leq \int_{X_{2}}f\,d\mu .} If f is nonnegative and S = ∪ i = 1 ∞ S i {\displaystyle S=\cup _{i=1}^{\infty }S_{i}} , where S 1 ⊆ … ⊆ S i ⊆ … ⊆ S {\displaystyle S_{1}\subseteq \ldots \subseteq S_{i}\subseteq \ldots \subseteq S} is a non-decreasing chain of μ {\displaystyle \mu } -measurable sets, then ∫ S f d μ = 임이 있는 n → ∞ ∫ S n f d μ {\displaystyle \int _{S}{f\,d\mu }=\lim _{n\to \infit }{{S_}}{f\,d\mu }}}}} 증명 1. f ≤ g , {\displaystyle f\leq g,} 이 (가) 있기 때문에
SF ( f ) ⊆ SF ( g ) . {\displaystyle \operatorname {SF}(f)\subseteq \operatorname {SF}(g). } Lebesgue의 적분과 우월성의 정의에 의해
∫ X f d μ = up s ∈ S F ( f ) ∫ X s d μ ≤ up s ∈ S F ( g ) ∫ X s d μ = ∫ X g d μ . {\displaystyle \int _{X}f\,d\mu =\sup _{s\in {\rm {SF}}(f)}\int _{X}s\,d\mu \leq \sup _{s\in {\rm {SF}}(g)}\int _{X}s\,d\mu =\int _{X}g\,d\mu .} 2. 1 X 1 {\ displaystyle {\mathbf {1}{X_{1}}} 을(를) 세트 X 1 의 지표 함수가 되게 한다. {\displaystyle X_{1}.} 이 (가) 다음과 같은 Lebesgue 적분의 정의에서 추론할 수 있다.
∫ X 2 f ⋅ 1 X 1 d μ = ∫ X 1 f d μ {\displaystyle \int _{X_{2}}f\cdot {1}{1}{X_{1}}\,d\mu =\int _{X_1}1}f\,d\mu } if we notice that, for every s ∈ S F ( f ⋅ 1 X 1 ) , {\displaystyle s\in {\rm {SF}}(f\cdot {\mathbf {1} }_{X_{1}}),} s = 0 {\displaystyle s=0} outside of X 1 . {\displaystyle X_{1}.} Combined with the previous property, the inequality f ⋅ 1 X 1 ≤ f {\displaystyle f\cdot {\mathbf {1} }_{X _{1}\leq f} 는 암시한다.
∫ X 1 f d μ = ∫ X 2 f ⋅ 1 X 1 d μ ≤ ∫ X 2 f d μ . {\displaystyle \int_{X_{1}f\,d\mu =\int_{2}}f\cdot{1}{1}{X_{1}\,d\mu \leq \int_{X_{2}}f\,d\mu .} 3. 첫 번째 주의: f 가 세트의 지표 함수일 경우, 측정 의 단조로움으로 청구가 유지된다는 점에 유의한다. 선형성에 의해, 이것은 또한 즉시 간단한 기능에 대한 주장을 암시한다.
S 에서n 지원되는 어떤 간단한 기능도 단순하고 X 에서 지원되기 때문에 우리는 반드시
∫ X f μ μ lim n → ∞ S n f μs {\ daystyle \int_{X}{f\,d\mu }\geq \lim_{n}}{n}}}{S_{n}},d\mu }}}}}}. 반대로, X f μ - μ - μ - X μ - μ X μ μ \\ dstyle \textstyle \int _{X}{f\,d\mu }-\epsilon \leq \int_{X}{g\,d \mu }}}}}}}를 가진 g g SF(f )라고 가정해 보자.
∫ X f d μ − ϵ ≤ ∫ X g d μ = 임이 있는 n → ∞ ∫ S n g d μ ≤ 임이 있는 n → ∞ ∫ S n f d μ {\displaystyle \int _{X}{f\,d\mu }-\epsilon \leq \int _{X}{g\,d\mu }=\lim _{n\to \infty }{\int _{S_{n}}{g\,d\mu }}\leq \lim _{n\to \infty }{\int _{S_{n}}{f\,d\mu }}} 이제 우리는 주요 정리를 살펴본다.
증명 닫힌 간격을 호출하여 Borel al-algebra 를 생성하십시오. 따라서 이제 모든 t [ [ - , , + ] ] 에 대해 {\displaystyle t\in [-\\flt ,+\flt ], g - 1 ([ t , + ∞ ] ) ∈ F {\ displaystysty g_{n}^{-1}([t,+\flt])\mathcal {F}}}}}}}}}}}} 을 관찰한다.
g n − 1 ( [ t , + ∞ ] ) = { x ∈ X ∣ g n ( x ) ≥ t } = ⋂ k { x ∈ X ∣ f k ( x ) ≥ t } = ⋂ k f k − 1 ( [ t , + ∞ ] ) {\displaystyle {\begin{aligned}g_{n}^{-1}([t,+\infty ])&=\left\{x\in X\mid g_{n}(x)\geq t\right\}\\[3pt]&=\bigcap _{k}\left\{x\in X\mid f_{k}(x)\geq t\right\}\\[3pt]&=\bigcap _{k}f_{k}^{-1}([t,+\infty ])\end{aligned}}} 우측의 모든 세트는 F {\ displaystyle {\mathcal{F}} 부터이며, 이 세트는 카운트 가능한 교차점에서 닫힌다. 따라서 왼쪽도 F {\ displaystyle {\mathcal {F} 의 멤버가 된다.
마찬가지로 f - 1 ( [ 0 , t ] ) ∈ F {\ displaystyle f^{-1}([0,t]) 을 확인하기에 충분하다. \in {\mathcal{F }}, t [ [ - , , + ] ] 마다 {\displaystyle t\in [-\\inflt,+\inflt ]}. 순서 {n ( x ) {\displaysty \{g_{n}\}\}}}}}}}} 점차순서부터 ,
f - 1 ( [ 0 , t ] ) = ⋂ n g n - 1 ( [ 0 , t ] ) ∈ F {\ displaystyle f^{-1}([0,t]) =\bigcap _{n}g_{n}^{1}([0,t]) \in {\mathcal {F }. 2단계 — 간단한 함수 s sf SF ( (f ) {\displaystyle s\in \operatorname {SF} (f)} 과 (와 ) 실제 숫자 t ∈( 0 , 1 ) {\displaystyty t\ in (0, 1)을 지정하여 정의하십시오.
B k s , t = { x ∈ X ∣ t ⋅ s ( x ) ≤ g k ( x ) } ⊆ X . {\displaystyle B_{k}^{s,t}=\{x\in X\mid t\cdot s(x)\leq g_{k}\}\subseteq X.} Then B k s , t ∈ F {\displaystyle B_{k}^{s,t}\in {\mathcal {F}}} , B k s , t ⊆ B k + 1 s , t {\displaystyle B_{k}^{s,t}\subseteq B_{k+1}^{s,t}} , and X = ⋃ k B k s , t {\displaystyle \textstyle X=\bigcup _{k}B_{k}^{s,t}} .
증명 스텝 2a. 첫 번째 청구를 입증하려면 s 를 분리 집합 의 지시자 함수 의 가중 합으로 쓰십시오.
s = ∑ i = 1m c i 1 1 A {\ displaystyle s=\sum _{i=1}^{m_{i}\cdot \mathbf { 1} _{A_{ i}}}}}}. 그러면
B k s , t = ⋃ i = 1 m ( g k − 1 ( [ t ⋅ c i , + ∞ ] ) ∩ A i ) {\displaystyle B_{k}^{s,t}=\bigcup _{i=1}^{m}{\Bigl (}g_{k}^{-1}{\Bigl (}[t\cdot c_{i},+\infty ]{\Bigr )}\cap A_{i}{\Bigr )}} . Since the pre-image g k − 1 ( [ t ⋅ c i , + ∞ ] ) {\displaystyle g_{k}^{-1}{\Bigl (}[t\cdot c_{i},+\infty ]{\Bigr )}} of the Borel set [ t ⋅ c i , + ∞ ] {\displaystyle [t\cdot c_{i},+\infty ]} under the measurable function g k {\displaystyle g_{k}} is measurable, and σ {\displaystyle \sigma } -한정 교차로와 조합에 의해 폐쇄되는데, 첫 번째 주장은 다음과 같다.
스텝 2b. 두 번째 주장을 입증하려면 각 k {\displaystyle k} 및 모든 x ∈ X {\displaystyle x\in X}, g k ( x ) ≤ g + 1 ( x ) . {\displaystyle g_{k}(x)\leq g_{k+1 }(x) 에 대해 유의하십시오. }
2단계. 세 번째 주장을 입증하기 위해 모순이 존재한다고 가정해 보십시오.
x 0 ∈ X ∖ ⋃ k B k s , t = ⋂ k ( X ∖ B k s , t ) {\displaystyle x_{0}\in X\setminus \bigcup _{k}^{s},t}=\bigcap _{k}(X\setminus B_{k}^,t})}}} 그런 다음 모든 k {\displaystyle k }에 대해 g k ( x 0 ) t s s {\displaystyle g_{k}(x_{0}) }< t\cdot s(x_ {0}}}). 제한을 k → ∞ {\displaysty k\to \fto \ ft.,
f ( x 0 ) ≤ t ⋅ s ( x 0 ) < s ( x 0 ) . {\displaystyle f(x_{0})\leq t\cdot s(x_{0})<s(x_{0}). } 이것은 s ≤ f {\displaystyle s\leq f} 라는 우리의 초기 가정과 모순된다.
3단계 — 2단계와 단조로움에서,
임이 있는 n ∫ B n s , t s d μ = ∫ X s d μ . {\displaystyle \lim_{n}\int_{B_{n}^{s,t}s\,d\mu =\int_{X}s\,d\mu .} 4단계 — 모든 s 에 대해 SF (f ) {\displaystyle s\in \operatorname {SF} (f )},
∫ X s μs μs 임 k lim X g k μs {\dplaystyle \int _{X}s\,d\mu \leq \lim _{k}g_{k}\,d\mu }. 증명 실제로 Bk s , t {\ displaystyle B_{k}^{s,t} 의 정의 , g k {\displaystyle g_{ k}} 의 비부정성, 르베그 적분(monotonicity)의 정의를 이용하여 우리는 다음과 같이 한다.
∀ k ≥ 1 ∫ B k s , t t ⋅ s d μ ≤ ∫ B k s , t g k d μ ≤ ∫ X g k d μ {\displaystyle \forall k\geq 1\qquad \int _{B_{k}^{s,t}}t\cdot s\,d\mu \leq \int _{B_{k}^{s,t}}g_{k}\,d\mu \leq \int _{X}g_{k}\,d\mu } . 4단계에 따라 k → ∞ {\displaystyle k\to \fty} 에 따라 불평등이 발생한다.
t X s μs μs μs lim k μs X g k μs μs \\\\\d\ mu \leq \lim \{k}\{X}g_{k}\,d\mu }. 제한값 을 t ↑ 1 {\displaystyle t\uparrow 1} 산출량으로 간주
∫ X s μs μs 임 k lim X g k μs {\dplaystyle \int _{X}s\,d\mu \leq \lim _{k}g_{k}\,d\mu }, , 필요에 따라
5단계 — 증명을 완료하기 위해 4단계 에서 설정된 불평등에 통합된 Lebesgue의 정의를 적용하고 g n ≤ f {\ displaystyle g_{n}\leq f_{n}}}} 을(를) 고려한다.
∫ X f d μ = up s ∈ SF ( f ) ∫ X s d μ ≤ 임이 있는 k ∫ X g k d μ = im inf k ∫ X g k d μ ≤ im inf k ∫ X f k d μ {\displaystyle {\begin{aligned}\int _{X}f\,d\mu &=\sup _{s\in \operatorname {SF} (f)}\int _{X}s\,d\mu \\&\leq \lim _{k}\int _{X}g_{k}\,d\mu \\&=\liminf _{k}\int _{X}g_{k}\,d\mu \\&\leq \liminf _{k}\int _{X}f_{k}\,d\mu \end{aligned}}} 증거가 완전하다.
엄격한 불평등의 예 공간 S {\displaystyle S} 에 Borel al-algebra 및 Lebesgue 측정 을 장착한다.
확률 공간 의 예제: Let S = [ 0 , 1 ] {\displaystyle S=[0,1]} 은(는) 단위 간격 을 나타낸다 . 모든 자연수 n {\displaystyle n} 에 대해 정의 f n ( x ) = { n 을 위해 x ∈ ( 0 , 1 / n ) , 0 그렇지 않으면 {\displaystyle f_{n}(x)={\display{case}n&{\text{{}in (0,1/n),\\0&{\text{data. }}}\end{case}} 균일한 수렴 의 예: S {\displaystyle S} 은(는) 모든 실수 의 집합을 나타내도록 한다. 정의 f n ( x ) = { 1 n 을 위해 x ∈ [ 0 , n ] , 0 그렇지 않으면 {\displaystyle f_{n}(x)={\frac {1}{n}{n}}{{n}}{{n}}{{n}}}{{n}}}}}}{{n}}}}}}}}}}}}{\text{n}}}{\text{ndata. }}}\end{case}} 이러한 시퀀스(fn ) n ∈ N {\ displaystyle (f_{n})_ { n\in {n}}} \mathb{ N}}}}}} 은 (의존적으로 균일하게) Zero 함수 (영합성)로 수렴하지만 , 모든 f {\ displaystysty f_{n }에는 일체형이 있다 .
비부정성의 역할 다음 1 예에서 알 수 있듯이 Fatou의 보조정리에는 함수 f 2 , f, . .의 음의 부분에 관한 적절한 가정이 필요하다. S 는 보렐 σ-알게브라와 르베그 측도(Lebesgue)로 반선[0,197]을 나타낸다. 모든 자연수에 대해 n 정의
f n ( x ) = { − 1 n 을 위해 x ∈ [ n , 2 n ] , 0 그렇지 않으면 {\displaystyle f_{n}(x)={\frac{1}-{n1}{n}{n}{n}{n}}{\text{{}}{{n}}}}{n}}}}}}}}}}}}}}}}}}{ntext{\text{n}{ndata.ndata. }}}\end{case}} 이 시퀀스는 S 에서 0 함수로 균일하게 수렴되고 한계치인 0은 한정된 수의 스텝에 도달한다: 모든 x ≥ 0에 대해, n > x 일 경우, fn (x ) = 0. 그러나, 모든 함수n f에는 적분 -1이 있다. 파투의 보조정리와는 달리 이 값은 엄격히 제한의 정수(0)보다 적다.
§ Extension 및 아래의 Fatou의 보조정리 변종 에서 논의한 바와 같이, 문제는 아래로부터의 시퀀스에 균일한 통합이 가능한 바인딩이 없는 반면, 0은 위에서 바인딩된 균일화라는 것이다.
역파투 보조정리 f 1 , f 2 , . . . 측정 공간에 정의된 확장된 실제 값 측정 가능한 함수의 시퀀스가 되도록 한다(S ,σ ,μ ). 모든 n에 대해 f f n g와 같이 S에 음이 아닌 통합 가능한 함수 g 가 있는 경우,
임섭 n → ∞ ∫ S f n d μ ≤ ∫ S 임섭 n → ∞ f n d μ . {\displaystyle \limsup _{n\to \int_{S}f_{n}\,d\mu \leq \int_{S}\limsup _{n\infty \n}\,d\mu .} 참고: 여기서 g 통합 은 g 를 측정할 수 있고 and S g d μ < ∞ {\ displaystyle \textstyle \int_{S}g\,d\mu <\infit }}.
증거 스케치 We apply linearity of Lebesgue integral and Fatou's lemma to the sequence g − f n . {\displaystyle g-f_{n}.} Since ∫ S g d μ < + ∞ , {\displaystyle \textstyle \int _{S}g\,d\mu <+\infty ,} this sequence is defined μ {\displaystyle \mu } -almost everywhere and non-negative.
Fatou의 보조정리 확장 및 변형 통합 가능한 하한 f 1 , f 2 , . . . 측정 공간에 정의된 확장된 실제 값 측정 가능한 함수의 시퀀스가 되도록 한다(S ,σ ,μ ). 모든 n에 대해 f f n -g와 같은 통합 가능한 함수 g가 S 에 존재한다면,
∫ S im inf n → ∞ f n d μ ≤ im inf n → ∞ ∫ S f n d μ . {\displaystyle \int _{S}\liminf _{n}\,d\mu \leq \liminf _{n\ft_{n}\int _{S}f_{n}\,d\mu .} 증명 f n + g가 준 비음성 시퀀스에 파투의 보조정리기를 바른다.
포인트와이즈 수렴 앞의 설정에서 시퀀스 f 1 , f 2 , . . .이 S 의 거의 모든 곳 에서 f μ-alm 함수로 점으로 수렴 되는 경우,
∫ S f d μ ≤ im inf n → ∞ ∫ S f n d μ . {\d디스플레이 스타일 \int _{S}f\,d\mu \leq \liminf _{n\to \infit }\int _{S}f_{n}\,d\mu \, } 증명 f 는 거의 모든 곳 에서n f 함수의 하한에 동의해야 하며, 0의 측정에 따른 통합 및 통합의 값은 적분 값에 영향을 미치지 않는다는 점에 유의한다.
측정의 수렴 마지막 주장은 또한 만약 시퀀스 1 f 2 , f, . .가 함수 f로 측정 되어 수렴된다면 유지된다.
증명 다음과 같은 부속이 있다.
임이 있는 k → ∞ ∫ S f n k d μ = im inf n → ∞ ∫ S f n d μ . {\displaystyle \lim_{k}\int_{S}f_{n_{k}\,d\mu =\liminf _{n\ft_{n}\int_{S}f_{n}\,d\mu .} 이 부속도 f 로 측정하여 수렴하기 때문에, 거의 모든 곳 에 점으로 수렴되는 추가 부속이 존재하기 때문에, 파투의 보조정리 변형이 이 하위계열에 적용 가능하다.
다양한 척도를 가진 파투의 보조정리 파투의 레마(Lemma)의 위의 모든 진술에서, 단일 고정 측정 μ에 대해 통합을 실시했다. μ는n 측정 가능한 공간(S ,RCM )에 대한 일련의 측정값이라고 가정합시다(측정값 의 수렴 참조).
μ n ( E ) → μ ( E ) , ∀ E ∈ F . {\displaystyle \mu _{n}(E)\to \mu(E))에 ~\all E\in {\mathcal {F}. } 그렇다면n , f 비 음의 통합 가능한 함수와 f 가 그들의 점괘 한계보다 낮은 경우, 우리는
∫ S f d μ ≤ im inf n → ∞ ∫ S f n d μ n . {\디스플레이 스타일 \int _{S}f\,d\mu \leq \liminf _{n\to \infit }\int _{S}f_{n}\,d\mu _{n}. } 증명 우리는 여기서 좀 더 강한 것을 증명할 것이다. 즉, 우리 는n f가 S의 부분집합 E의 거의 모든 곳에 μ-알로 수렴할 수 있도록 할 것이다. 우리는 그것을 보여주기 위해 노력한다. ∫ E f d μ ≤ im inf n → ∞ ∫ E f n d μ n . \d 디스플레이 스타일 \int _{E}f\,d\mu \leq \liminf _{n\to \infit }\int _{E}f_{n}\,d\mu _{n}\, } 내버려두다
K = { x ∈ E f n ( x ) → f ( x ) } {\displaystyle K=\{x\in E f_{n}(x)\rightarrow f(x )\}}. 그 다음 μ(E-K)=0 및
∫ E f d μ = ∫ E − K f d μ , ∫ E f n d μ = ∫ E − K f n d μ ∀ n ∈ N . {\displaystyle \int \{E}f\,d\mu =\int _{E}f_{n}\,d\mu =\int _{E-K}f_{n}\,d\mu ~\all n\in \mathb {N}}} 따라서 E 를 E-K 로 대체하면 f 가n E의 점괘 f로 수렴된다고 가정할 수 있다. 다음으로, 간단한 기능에 대해 φ 우리는
∫ E ϕ d μ = 임이 있는 n → ∞ ∫ E ϕ d μ n . {\디스플레이 스타일 \int _{E}\phi \,d\mu =\lim _{n\to \infit }\int _{E}\phi \,d\mu _{n}. } 따라서, 르베그 적분(Lebesgue Integrity)의 정의에 의해, 만약 φ 이 f보다 작거나 같은 음이 아닌 단순함수라면, 그 다음이라는 것을 보여주기에 충분하다.
∫ E ϕ d μ ≤ im inf n → ∞ ∫ E f n d μ n {\displaystyle \int _{E}\pi \,d\mu \leq \liminf _{n\f_{n}\ft \,d\mu _{n}}}}} a 를 φ 의 최소 비 음수 값이 되도록 한다. 정의
A = { x ∈ E ϕ ( x ) > a } {\displaystyle A=\{x\in E \phi(x)>a\}} first E μ d μ = ∞ {\displaystyle \int _{E}\phi \,d\mu =\flt }. 그 μ(A) 는 무한정 존재해야 한다.
∫ E ϕ d μ ≤ M μ ( A ) , \displaystyle \int _{E}\phi \,d\mu \leq M\mu (A),} 여기서 M 은 해당 φ 에 도달하는 (필요적으로 유한한) 최대값이다.
다음으로, 우리는 정의한다.
A n = { x ∈ E f k ( x ) > a ∀ k ≥ n } . {\displaystyle A_{n}=\{x\in E f_{k}(x)]a~\\all k\geq n\} } 우리는 그것을 가지고 있다.
A ⊆ ⋃ n A n ⇒ μ ( ⋃ n A n ) = ∞ . {\displaystyle A\subseteq \bigcup _{n}\Rightarrow \mu(\bigcup _{n}A_{n}})=\inflt.} 그러나 A 는n 함수의 중첩된 증가 순서로, 따라서 μ 미만의 연속성에 의해,
lim n → μ μ ( A n ) = ∞. {\displaystyle \lim _{n\오른쪽 화살표 \infit }\mu (A_{n})=\infit .}. 그러므로,
lim n → μn ( A n ) = μs = μs = μs. {\displaystyle \lim _{n\to \inft }\mu _{n}( A_{n})=\mu(A_{n})=\inft .}. 동시에
∫ E f n d μ n ≥ a μ n ( A n ) ⇒ im inf n → ∞ ∫ E f n d μ n = ∞ = ∫ E ϕ d μ , {\displaystyle \int _{E}f_{n}\,d\mu _{n}\geq a\mu _{n}(A_{n})\Rightarrow \liminf _{n\to \infty }\int _{E}f_{n}\,d\mu _{n}=\infty =\int _{E}\phi \,d\mu ,} 이 사건에서 그 주장을 증명하는 것.
남은 경우는 ∫ E ϕ d μ < ∞ {\displaystyle \int _{E}\phi \,d\mu <\inflt }. 우리는 그 μ(A) 가 유한해야 한다. 위와 같이 φ 의 최대값을 M 으로 나타내고 ε>0 을 수정한다. 정의
A n = { x ∈ E f k ( x ) > ( 1 − ϵ ) ϕ ( x ) ∀ k ≥ n } . [\displaystyle A_{n}=\{x\in E f_{k}(x)](1-\epsilon )\phi(x)~\all k\geq n\}. } 그n 다음 A는 조합 이 A를 포함하는 집합의 내포 증가 시퀀스다. 따라서 A-A 는n 교차점이 비어 있는 집합의 감소 순서다. A 는 측정이 유한하므로(이 때문에 두 가지 경우를 따로 고려해야 했다)
임이 있는 n → ∞ μ ( A − A n ) = 0. \displaystyle \lim _{n\오른쪽 화살표 \infit }\mu(A-A_{n})=0. } 따라서, 다음과 같은 것이 존재한다.
μ ( A − A k ) < ϵ , ∀ k ≥ n . \displaystyle \mu(A-A_{k})<\epsilon ,~\all k\geq n.} 그러므로, 그 이후부터.
임이 있는 n → ∞ μ n ( A − A k ) = μ ( A − A k ) , {\displaystyle \lim _{n\to \ft }\mu_{n}(A-A_{k})=\mu(A-A_{k}),} 다음과 같은 N이 존재한다.
μ k ( A − A k ) < ϵ , ∀ k ≥ N . \displaystyle \mu _{k}(A-A_{k})<\epsilon ,~\all k\geq N. } 따라서 k ≥ N {\displaystyle k\geq N} 의 경우
∫ E f k d μ k ≥ ∫ A k f k d μ k ≥ ( 1 − ϵ ) ∫ A k ϕ d μ k . {\displaystyle \int _{E}f_{k}\,d\mu_{k}f_{k}\,d\mu_{k}},d\mu_{k}\epsilon (1-\epsilon )\int _{A_{k}}\pi \d\mu_{k}. } 동시에
∫ E ϕ d μ k = ∫ A ϕ d μ k = ∫ A k ϕ d μ k + ∫ A − A k ϕ d μ k . {\displaystyle \int _{E}\pi \,d\mu \,{k}=\int _{A_{k}=\nt _{k}}}\phi \,d_{k}+\int _{A-A_{k}}}}\pi \,d\pi _{k}. } 그러므로
( 1 − ϵ ) ∫ A k ϕ d μ k ≥ ( 1 − ϵ ) ∫ E ϕ d μ k − ∫ A − A k ϕ d μ k . {\displaystyle (1-\epsilon )\int _{A_{k}\pi \,d\mu \{k}\geq (1-\epsilon )\int _{E}\d\pi \{A-A_{k}}\pi \d\pi \. } 이러한 불평등을 결합하면 다음과 같은 것을 준다.
∫ E f k d μ k ≥ ( 1 − ϵ ) ∫ E ϕ d μ k − ∫ A − A k ϕ d μ k ≥ ∫ E ϕ d μ k − ϵ ( ∫ E ϕ d μ k + M ) . {\displaystyle \int _{E}f_{k}\,d\mu _{k}\geq (1-\epsilon )\int _{E}\phi \,d\mu _{k}-\int _{A-A_{k}}\phi \,d\mu _{k}\geq \int _{E}\phi \,d\mu _{k}-\epsilon \left(\int _{E}\phi \,d\mu _{k}+M\right). } 따라서 ε 을 0으로 보내고 임신을 n으로 하면, 우리는 그것을 얻는다.
im inf n → ∞ ∫ E f n d μ k ≥ ∫ E ϕ d μ , {\displaystyle \liminf _{n\f_{n}\int _{E}f_{n}\,d\mu _{k}\geq \int _{E}\pi \,d\mu ,} 증빙서류를 완성하는 것.
조건부 기대를 위한 파투의 보조정리 확률론 에서, 표기법의 변경에 의해, 위의 버전 의 파투의 보조마사는 확률공간 에 정의된 무작위 변수 1 X, F 2 , . .의 시퀀스(\Oba ,\,{\mathcal {F},\mathb {P}) 에 적용 가능하다. 또 조건부 기대감 에 대한 버전도 있다.
표준 버전 Let X 1 , X 2 , . . . be a sequence of non-negative random variables on a probability space ( Ω , F , P ) {\displaystyle \scriptstyle (\Omega ,{\mathcal {F}},\mathbb {P} )} and let G ⊂ F {\displaystyle \scriptstyle {\mathcal {G}}\,\subset \,{\mathcal {F}}} be a sub-σ-algebra . 그러면
E [ lim inf n → ∞ X n G ] ≤ lim inf n → ∞ E [ X n G ] {\displaystyle \mathbb {E} {\Bigl [}\liminf _{n\to \infty }X_{n}\,{\Big }\,{\mathcal {G}}{\Bigr ]}\leq \liminf _{n\to \infty }\,\mathbb {E} [X_{n} {\mathcal {G}}]} almost surely . 참고: 음이 아닌 랜덤 변수에 대한 조건부 기대는 항상 잘 정의되며, 유한 기대는 필요하지 않다.
증명 표기법 변경 외에도 위의 파투의 보조정리 표준 버전의 증명과 매우 유사하지만 조건부 기대치에 대한 단조 로운 수렴 정리 를 적용해야 한다.
X 는 X 의n 한계를 나타내도록 하라. 모든 자연수 k 에 대해 랜덤 변수를 점으로 정의
Y k = 바 조로 n ≥ k X n . {\displaystyle Y_{k}=\inf _{n\geq k}X_{n}. } 그런 다음 Y 1 , Y2 , . 시퀀스가 증가하여 X 로 점으로 수렴한다. k ≤ n 의 경우 Y k ≤ X 가n 있기 때문에
E [ Y k G ] ≤ E [ X n G ] {\displaystyle \mathb {E} [Y_{k} {\mathcal{G}]\leq \mathb {E}[X_{n} {\mathcal {G}]} 은(는) 거의 확실하다. 조건부 기대의 단조로움 으로, 따라서.
E [ Y k G ] ≤ inf n n ≥ k E [ X n G ] {\displaystyle \mathb {E} [Y_{k} {\mathcal {G}]\leq \inf _{n\gq k}\mathb {E} [X_{n}} {\mathcal}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} 거의 확실하다 . 왜냐하면 예외적인 확률 0 집합의 계수 가능한 결합은 다시 null 집합 이기 때문이다. X 의 정의, Y 의k 포인트와 같은 한계로서 그것의 표현, 조건부 기대치에 대한 단조로운 수렴 정리, 마지막 불평등, 그리고 한계의 정의 등을 이용하여, 거의 확실하게 그것을 따른다.
E [ im inf n → ∞ X n G ] = E [ X G ] = E [ 임이 있는 k → ∞ Y k G ] = 임이 있는 k → ∞ E [ Y k G ] ≤ 임이 있는 k → ∞ 바 조로 n ≥ k E [ X n G ] = im inf n → ∞ E [ X n G ] . {\displaystyle{\begin{정렬}\mathbb{E}{\Bigl[}\liminf_{n\to \infty}X_{n}\,{\Big}\,{\mathcal{G}}{\Bigr]}&, =\mathbb{E}[X{\mathcal{G}}]=\mathbb{E}{\Bigl[}\lim_{k\to \infty}Y_{k}\,{\Big}\,{\mathcal{G}}{\Bigr]}=\lim _{\inftyk\to}\mathbb{E}[Y_{k}{\mathcal{G}}]\\&, \leq \lim _{\inftyk\to}\inf _{kn\geq}\mathbb{E}는 경우에는 X_.{n}{\ma thcal {G}]=\liminf _{n\to \infit }\,\mathb {E}[X_{n} {\mathcal {G}] \end{정렬}}} 균일하게 통합 가능한 음극 부품으로 확장 Let X 1 , X 2 , . . . be a sequence of random variables on a probability space ( Ω , F , P ) {\displaystyle \scriptstyle (\Omega ,{\mathcal {F}},\mathbb {P} )} and let G ⊂ F {\displaystyle \scriptstyle {\mathcal {G}}\,\subset \,{\mathcal {F}}} be a sub-σ-algebra . 음극이 있는 경우
X n − := 맥스. { − X n , 0 } , n ∈ N , {\displaystyle X_{n}^{-}=\max\{-X_{n},0\},\qquad n\in {\mathb {N}},} 조건부 기대와 관련하여, uniformly > 0에 대해 다음과 같은 c > 0 이 존재한다는 점에서 균일하게 통합할 수 있다.
E [ X n − 1 { X n − > c } G ] < ε , for all n ∈ N , almost surely {\displaystyle \mathbb {E} {\bigl [}X_{n}^{-}1_{\{X_{n}^{-}>c\}}\, \,{\mathcal {G}}{\bigr ]}<\varepsilon ,\qquad {\text{for all }}n\in \mathbb {N} ,\,{\text{almost surely}}} , 그때
E [ lim inf n → ∞ X n G ] ≤ lim inf n → ∞ E [ X n G ] {\displaystyle \mathbb {E} {\Bigl [}\liminf _{n\to \infty }X_{n}\,{\Big }\,{\mathcal {G}}{\Bigr ]}\leq \liminf _{n\to \infty }\,\mathbb {E} [X_{n} {\mathcal {G}}]} almost surely. 참고: 설정 위치
X := im inf n → ∞ X n {\displaystyle X:=\liminf _{n\to \infit }X_{n}} 만족시키다
E [ 맥스. { X , 0 } G ] = ∞ , {\displaystyle \mathb {E}[\max\{X,0\}\, \,{mathcal {G}]=\inflat ,} 불평등의 왼쪽은 플러스 무한으로 간주된다. 부정적인 부분의 조건부 기대 또한 무한대일 수 있기 때문에 이 집합에서는 하한에 대한 조건부 기대치가 잘 정의되지 않을 수 있다.
증명 ε > 0으로 하자. 조건부 기대치에 대한 통일된 통합성 때문에 다음과 같은 c > 0이 존재한다.
E [ X n − 1 { X n − > c } G ] < ε 대체적으로 n ∈ N , 거의 틀림없이 . {\displaystyle \mathbb {E} {\bigl [}X_{n}^{-}1_{\{X_{n}^{-}>c\}}\, \,{\mathcal {G}}{\bigr ]}<\varepsilon \qquad {\text{for all }}n\in \mathbb {N} ,\,{\text{almost surely}}. } 이후
X + c ≤ im inf n → ∞ ( X n + c ) + , {\displaystyle X+c\leq \liminf _{n\to \infit }(X_{n}+c)^{+}}} 여기서 x + :=max{x ,0}는 실제 x 의 긍정적인 부분, 조건부 기대(또는 위의 관습)의 단조화 및 조건부 기대의 표준 버전을 의미한다.
E [ X G ] + c ≤ E [ lim inf n → ∞ ( X n + c ) + G ] ≤ lim inf n → ∞ E [ ( X n + c ) + G ] {\displaystyle \mathbb {E} [X\, \,{\mathcal {G}}]+c\leq \mathbb {E} {\Bigl [}\liminf _{n\to \infty }(X_{n}+c)^{+}\,{\Big }\,{\mathcal {G}}{\Bigr ]}\leq \liminf _{n\to \infty }\mathbb {E} [(X_{n}+c)^{+}\, \,{\mathcal{G}}}} 거의 확실하다. 이후
( X n + c ) + = ( X n + c ) + ( X n + c ) − ≤ X n + c + X n − 1 { X n − > c } , {\displaystyle (X_{n}+c)^{+}=(X_{n}+c)+(X_{n}+c)^{-}}\leq X_{n}+X_{n}^{-1}_{X_{n}^{n}^{-}}c\},},},},} 우리는 가지고 있다.
E [ ( X n + c ) + G ] ≤ E [ X n G ] + c + ε {\displaystyle \mathbb {E} [(X_{n}+c)^{+}\, \,{\mathcal {G}}]\leq \mathbb {E} [X_{n}\, \,{\mathcal {G}}]+c+\varepsilon } almost surely, 이 때문에
E [ X G ] ≤ lim inf n → ∞ E [ X n G ] + ε {\displaystyle \mathbb {E} [X\, \,{\mathcal {G}}]\leq \liminf _{n\to \infty }\mathbb {E} [X_{n}\, \,{\mathcal {G}}]+\varepsilon } almost surely. 이는 그 주장을 내포하고 있다.
참조 Carothers, N. L. (2000). Real Analysis . New York: Cambridge University Press. pp. 321 –22. ISBN 0-521-49756-6 . Royden, H. L. (1988). Real Analysis (3rd ed.). London: Collier Macmillan. ISBN 0-02-404151-3 . Weir, Alan J. (1973). "The Convergence Theorems". Lebesgue Integration and Measure . Cambridge: Cambridge University Press. pp. 93–118. ISBN 0-521-08728-7 .