파투 보조정리

Fatou's lemma

수학에서 파투의 보조정리기는 일련의 함수열등함수에서 열등함수까지의 르베그 적분과 이러한 함수의 통합의 열등함수와의 관계에서 불평등을 설정한다. 보조정리기피에르 파투의 이름을 따서 명명되었다.

파투의 보조정리법은 파투-레베그 정리, 르베그 지배적인 수렴정리 등을 증명하는 데 사용할 수 있다.

표준문

다음에 나오는 B R 0[, +] {\ + ] 에 설정된 보렐 {{\}을 의미한다.

정리파투의 보조정리. Given a measure space and a set let be a sequence of - 측정 가능한 비음성 f: → [ +] . Define the function by setting for every .

Then is -measurable, and also , where the integrals는 무한할 수 있다.

파투의 보조정리기는 그것의 가정들이 거의 모든 곳에서 }-을(를) 유지한다면 그대로 유지된다. In other words, it is enough that there is a null set such that the sequence non-decreases for every To see this, note that the integrals appearing in Fatou's lemma are unchanged if we change each function

증명

파투의 보조정리에는 단조로운 융합정리필요없지만 후자를 이용하면 빠른 증거를 제시할 수 있다. 통합의 정의에서 직접 입증된 증거는 아래에 더 자세히 설명되어 있다.

각각의 경우 ( x)= ( ) 의 속성을 분석하는 것으로 입증은 시작된다 이를 통해 다음을 만족시킬 수 있다.

  1. { ( ) n (는) 어느 x에서나 점으로 표시되며
  2. {\ \n\ \

Since , we immediately see that f is measurable.

모노톤 컨버전스 정리를 통해

게다가

모노톤 컨버전스 정리 및 속성(1)에 의해 한계와 적분을 상호 교환할 수 있다.

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 the set of simple -measurable functions such that f

단조도

  • , 에서 f g 이(가) 어디에나 있는 경우
  • , X , }\}인 경우, 그 다음
  • If f is nonnegative and , where is a non-decreasing chain of -measurable sets, then
증명

1. , g(가) 있기 때문에

Lebesgue의 적분과 우월성의 정의에 의해

2. 1 1 을(를) 세트 의 지표 함수가 되게 한다 (가) 다음과 같은 Lebesgue 적분의 정의에서 추론할 수 있다.

if we notice that, for every outside of Combined with the previous property, the inequality 암시한다.

3. 첫 번째 주의: f가 세트의 지표 함수일 경우, 측정의 단조로움으로 청구가 유지된다는 점에 유의한다. 선형성에 의해, 이것은 또한 즉시 간단한 기능에 대한 주장을 암시한다.

S에서n 지원되는 어떤 간단한 기능도 단순하고 X에서 지원되기 때문에 우리는 반드시

n n

반대로, X - - - X μ -μ X μ \mu}}}}}}}를 가진 g g SF(f)라고 가정해 보자.

이제 우리는 주요 정리를 살펴본다.

Step 1 is -measurable, for every , as is .

증명

닫힌 간격을 호출하여 Borel al-algebra를 생성하십시오. 따라서 이제 t[ -, +]에 대해 ,+\ g - 1 , + ) 을 관찰한다

우측의 모든 세트는 부터이며 이 세트는 카운트 가능한 교차점에서 닫힌다. 따라서 왼쪽도 의 멤버가 된다

마찬가지로 - ([ 0, ) 을 확인하기에 충분하다. [ -, +] 마다 [-\\ 순서{( )점차순서부터,

2단계 — 간단한 s SF ( ){\s\{SF} (() 실제 숫자 0,1 ) {\ tin1)을지정하여 정의하십시오.

Then , , and .

증명

스텝 2a. 첫 번째 청구를 입증하려면 s분리 집합지시자 함수의 가중 합으로 쓰십시오.

= = 1 s1i

그러면

.

Since the pre-image of the Borel set under the measurable function is measurable, and -한정 교차로와 조합에 의해 폐쇄되는데, 첫 번째 주장은 다음과 같다.

스텝 2b. 두 번째 주장을 입증하려면 각 및 모든 Xg ( ) g + ( ).}(에 대해 유의하십시오

2단계. 세 번째 주장을 입증하기 위해 모순이 존재한다고 가정해 보십시오.

다음 k{\}에 gk ( ) s s{0 제한을 ft

이것은 라는 우리의 초기 가정과 모순된다

3단계 — 2단계와 단조로움에서,

4단계 — 모든에 대해 ( {SF}

k X g
증명

실제로 , ,g {\k의 비부정성, 르베그 적분(monotonicity)의 정의를 이용하여 우리는 다음과 같이 한다.

.

4단계에 따라 에 따라 불평등이 발생한다.

X lim μs X mu

을 t t\ 산출량으로 간주

X 임 k X g ,

필요에 따라

5단계 — 증명을 완료하기 위해 에서 설정된 불평등에 통합된 Lebesgue의 정의를 적용하고 을(를) 고려한다

증거가 완전하다.

엄격한 불평등의 예

공간 Borel al-algebraLebesgue 측정을 장착한다.

  • 균일한 수렴의 예: 은(는) 모든 실수의 집합을 나타내도록 한다. 정의

이러한 시퀀스) N {n(의존적으로 균일하게) Zero 함수(영합성)로 수렴하지만, f_}에는 일체형이 있다.

비부정성의 역할

다음1 예에서 알 수 있듯이 Fatou의 보조정리에는 함수 f2, f, . .의 음의 부분에 관한 적절한 가정이 필요하다. S는 보렐 σ-알게브라와 르베그 측도(Lebesgue)로 반선[0,197]을 나타낸다. 모든 자연수에 대해 n 정의

이 시퀀스는 S에서 0 함수로 균일하게 수렴되고 한계치인 0은 한정된 수의 스텝에 도달한다: 모든 x ≥ 0에 대해, n > x일 경우, fn(x) = 0. 그러나, 모든 함수n f에는 적분 -1이 있다. 파투의 보조정리와는 달리 이 값은 엄격히 제한의 정수(0)보다 적다.

§ Extension아래의 Fatou의 보조정리 변종에서 논의한 바와 같이, 문제는 아래로부터의 시퀀스에 균일한 통합이 가능한 바인딩이 없는 반면, 0은 위에서 바인딩된 균일화라는 것이다.

역파투 보조정리

f1, f2, . . . 측정 공간에 정의된 확장된 실제 값 측정 가능한 함수의 시퀀스가 되도록 한다(S,σ,μ). 모든 n에 대해 f fn g와 같이 S에 음이 아닌 통합 가능한 함수 g가 있는 경우,

참고: 여기서 g 통합g를 측정할 수 있고 and <

증거 스케치

We apply linearity of Lebesgue integral and Fatou's lemma to the sequence Since this sequence is defined -almost everywhere and non-negative.

Fatou의 보조정리 확장 및 변형

통합 가능한 하한

f1, f2, . . . 측정 공간에 정의된 확장된 실제 값 측정 가능한 함수의 시퀀스가 되도록 한다(S,σ,μ). 모든 n에 대해 f fn -g와 같은 통합 가능한 함수 g가 S에 존재한다면,

증명

fn + g가 준 비음성 시퀀스에 파투의 보조정리기를 바른다.

포인트와이즈 수렴

앞의 설정에서 시퀀스 f1, f2, . . .이 S의 거의 모든 에서 f μ-alm 함수로 점으로 수렴되는 경우,

증명

f는 거의 모든 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 시퀀스1 f2, f, . . 함수 f로 측정되어 수렴된다면 유지된다.

증명

다음과 같은 부속이 있다.

이 부속도 f로 측정하여 수렴하기 때문에, 거의 모든 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(측정값의 수렴 참조).

그렇다면n, f 비 음의 통합 가능한 함수와 f가 그들의 점괘 한계보다 낮은 경우, 우리는

조건부 기대를 위한 파투의 보조정리

확률론에서, 표기법의 변경에 의해, 위의 의 파투의 보조마사는 확률공간에 정의된 무작위 변수1 X, ..의 시퀀스에 적용 가능하다조건부 기대감에 대한 버전도 있다.

표준 버전

Let X1, X2, . . . be a sequence of non-negative random variables on a probability space and let be a sub-σ-algebra. 그러면

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 단조로운 수렴 정리를 적용해야 한다.

XXn 한계를 나타내도록 하라. 모든 자연수 k에 대해 랜덤 변수를 점으로 정의

그런 다음 Y1, Y2, . 시퀀스가 증가하여 X로 점으로 수렴한다. kn의 경우 YkXn 있기 때문에

[ k [ n G 은(는) 거의 확실하다.

조건부 기대의 단조로움으로, 따라서.

[ n k [ {\ 거의 확실하다.

왜냐하면 예외적인 확률 0 집합의 계수 가능한 결합은 다시 null 집합이기 때문이다. X의 정의, Yk 포인트와 같은 한계로서 그것의 표현, 조건부 기대치에 대한 단조로운 수렴 정리, 마지막 불평등, 그리고 한계의 정의 등을 이용하여, 거의 확실하게 그것을 따른다.

균일하게 통합 가능한 음극 부품으로 확장

Let X1, X2, . . . be a sequence of random variables on a probability space and let be a sub-σ-algebra. 음극이 있는 경우

조건부 기대와 관련하여, uniformly > 0에 대해 다음과 같은 c > 0이 존재한다는 점에서 균일하게 통합할 수 있다.

,

그때

almost surely.

참고: 설정 위치

만족시키다

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.

이후

여기서 x+ :=max{x,0}는 실제 x의 긍정적인 부분, 조건부 기대(또는 위의 관습)의 단조화 및 조건부 기대의 표준 버전을 의미한다.

거의 확실하다.

이후

우리는 가지고 있다.

almost surely,

이 때문에

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.