ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 01.04.2021

Просмотров: 412

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
background image

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Т Е О Р И Я

Ф У Н К Ц И Й

ДЕЙСТВИТЕЛЬНОГО ПЕРЕМЕННОГО

Учебное пособие для студентов

по специальности математика – 010100(510100)

ВОРОНЕЖ

2006


background image

Утверждено научно-методическим советом

математического факультета

15.02.2006 г., протокол № 6.

Составитель:

проф. Смагин В.В.

Рецензент:

проф. Баскаков А.Г.

Пособие подготовлено на кафедре функционального анализа и оператор-

ных уравнений математического факультета Воронежского государственного
университета.

Рекомендуется для студентов 3-го курса д/о математического факультета.


background image

— 3 —

В данном пособии излагаются основные факты, касающиеся построения

интеграла Лебега и теории меры. При изложении материала используется
схема Ф.Рисса-Даниэля, в которой теория начинается с понятия интеграла
на элементарных (ступенчатых) функциях и быстро, по сравнению со схемой
Лебега, вводит в курс дела. Для понимания материала достаточно знаний и
навыков, которыми студенты математических специальностей овладевают к
третьему курсу обучения.

В конце приводится список использованных при написании данного посо-

бия учебников [1-5]. Эти книги рекомендуются также для самостоятельного
более глубокого изучения предмета. При этом следует обратить внимание на
предложенные в пособии задачи, нумерация которых соответствует методи-
ческой разработке [6].

1. ОГРАНИЧЕННЫЕ МНОЖЕСТВА МЕРЫ НУЛЬ

Множество

A

[

a, b

]

R

1

называется

множеством меры нуль

(сокра-

щенно ММН), если

(

ε >

0) (

∃{4

i

} −

конечная или счетная система интервалов

)

h ³

A

[

i

4

i

´

³ X

i

|4

i

|

< ε

´ i

,

где для интервала

4

= (

α, β

)

, его длину обозначаем

|4|

=

β

α

.

Задача

9.1.

Примером ММН может служить, что следует из задачи 9.1, всякое ко-

нечное или счетное множество. С другой стороны, любой отрезок

[

a, b

]

, где

a < b

, не является ММН. Действительно, любое конечное покрытие отрезка

[

a, b

]

интервалами имеет сумму длин этих интервалов больше, чем

b

a

. Ес-

ли же отрезок покрыт счетной системой интервалов, то по лемме Бореля из
этого покрытия всегда можно выбрать конечное подпокрытие этого отрезка.

Задачи:

9.2 – 9.10, 9.12.

Приведем пример ММН, которое является множеством мощности конти-

нуум. Это множество Кантора, которое строится на

[0

,

1]

следующим образом.

Из отрезка

[0

,

1]

исключается интервал

(

1
3

,

2
3

)

; затем из оставшихся двух от-

резков

[0

,

1
3

]

и

[

2
3

,

1]

(

отрезков первого ранга

) исключаются интервалы длины

3

2

с центрами в серединах указанных отрезков; затем из оставшихся четы-

рех отрезков (

отрезков второго ранга

) исключаются интервалы длины

3

3

с

центрами в серединах этих отрезков и так далее до бесконечности. Множество

D

, оставшееся в

[0

,

1]

после исключения всех интервалов, и есть

множество

Кантора

. Легко подсчитать, что сумма, длин удаленных из

[0

,

1]

интервалов,

равна единице. Воспользовавшись задачей 9.6, получим, что

D

– ММН.


background image

— 4 —

Заметим, что точки множества

D

делятся на

точки первого рода

– концы

удаленных интервалов вместе с точками

0

и

1

, и

точки второго рода

– все

остальные точки множества

D

. Очевидно, что множество точек первого рода

счетное. Примером точки второго рода может служить число

1

/

4

. Можно

показать, что множество

D

[0

,

1]

включает те и только те числа отрезка

[0

,

1]

, которые записываются в виде троичной дроби (конечной или беско-

нечной), не содержащей единицы в числе своих троичных знаков. Отсюда
непосредственно следует, что множество

D

имеет мощность континуум.

Построим на отрезке

[0

,

1]

еще одно множество. Зададим число

α

(0

,

1)

.

Удалим из отрезка

[0

,

1]

интервал длины

α/

2

с центром в середине отрезка;

из оставшихся двух отрезков удалим интервалы длины

α/

2

3

с центрами в

серединах этих отрезков; из оставшихся четырех отрезков удалим интервалы
длины

α/

2

5

с центрами в серединах этих отрезков и так далее. Множество,

оставшееся в

[0

,

1]

после удаления всех интервалов, обозначим

e

D

. Легко под-

считать, что сумма длин удаленных из

[0

,

1]

интервалов равна

α <

1

. Вос-

пользовавшись задачей 9.10, получим, что

e

D

не является ММН. Множество

e

D

назовем

множеством Кантора

ненулевой меры.

Задачи:

9.13, 9.11.

Множество

A

[

a, b

]

называется

множеством полной меры

, если множе-

ство

[

a, b

]

\

A

является ММН.

Если некоторое свойство выполняется на множестве полной меры отрезка

[

a, b

]

, то говорят, что это свойство выполняется

почти всюду

(п.в.) на

[

a, b

]

.

Так, например, для функций

x

(

t

)

и

y

(

t

)

, заданных на

[

a, b

]

, обозначение

x

(

t

)

п.в.

=

y

(

t

)

означает, что множество

{

t

[

a, b

]

|

x

(

t

)

6

=

y

(

t

)

}

– ММН.

Задача

9.14.

Лемма 1.

Объединение конечного или счетного числа множеств меры

нуль есть множество меры нуль.

Доказательство.

Пусть

A

=

i

A

i

, где все

A

i

– ММН. Зададим

ε >

0

.

Каждое множество

A

i

покроем конечной или счетной системой интервалов

{4

i

j

}

j

с суммой длин меньше

ε/

2

i

. Тогда множество

A

окажется покрытым

конечной или счетной системой интервалов

{4

i

j

}

i,j

такой, что

X

i,j

|4

i

j

|

=

X

i

X

j

|4

i

j

|

<

X

i

ε/

2

i

ε.

Таким образом,

A

– ММН.

– конец доказательства.

2. ИЗМЕРИМЫЕ ФУНКЦИИ

Функция

h

(

t

)

называется

ступенчатой

на отрезке

[

a, b

]

, если существует

разбиение

a

=

t

0

< t

1

< ... < t

n

=

b

отрезка такое, что в каждом из интерва-

лов

(

t

i

1

, t

i

)

функция

h

(

t

)

принимает некоторое постоянное значение

b

i

R

1


background image

— 5 —

(

i

= 1

, n

)

. Значения функции

h

(

t

)

в точках деления

t

i

нас интересовать не

будут, поскольку множество

{

t

i

}

n

i

=0

– ММН.

Лемма 2.

Пусть функция

ϕ

(

x, y

)

непрерывна по совокупности перемен-

ных

x, y

R

1

. Пусть

h

(

t

)

,

k

(

t

)

– ступенчатые на

[

a, b

]

функции. Тогда функ-

ция

ϕ

(

t

) =

ϕ

[

h

(

t

)

, k

(

t

)]

– ступенчатая на

[

a, b

]

.

Доказательство

очевидно, если объединить разбиения отрезка

[

a, b

]

, по-

рожденные функциями

h

(

t

)

и

k

(

t

)

.

Следствие.

Пусть

h

(

t

)

,

k

(

t

)

– ступенчатые на

[

a, b

]

функции. Тогда сту-

пенчатыми являются и следующие функции:

αh

(

t

) (

α

R

1

)

,

|

h

(

t

)

|

, h

(

t

) +

k

(

t

)

, h

(

t

)

k

(

t

)

,

max

{

h

(

t

)

, k

(

t

)

}

,

min

{

h

(

t

)

, k

(

t

)

}

.

Доказательство.

Следует лишь отметить непрерывность функций

max

{

x, y

}

и

min

{

x, y

}

, что следует, например, из представлений:

max

{

x, y

}

= 2

1

(

x

+

y

+

|

x

y

|

)

,

min

{

x, y

}

= 2

1

(

x

+

y

− |

x

y

|

)

.

Лемма 3.

Пусть

h

(

t

)

,

k

(

t

)

– ступенчатые на

[

a, b

]

функции и

k

(

t

)

6

= 0

п.в.

на

[

a, b

]

. Тогда частное

h

(

t

)

/k

(

t

)

– ступенчатая на

[

a, b

]

функция.

Для

доказательства

леммы 3, как и в лемме 2, достаточно объединить

разбиения отрезка

[

a, b

]

, порожденные функциями

h

(

t

)

и

k

(

t

)

.

Вещественная функция

x

(

t

)

, для которой допускаются и бесконечные зна-

чения, называется

измеримой

на

[

a, b

]

, если:

1)

x

(

t

)

определена п.в. на

[

a, b

]

;

2)

x

(

t

)

конечна п.в. на

[

a, b

]

;

3) существует последовательность

{

h

n

(

t

)

}

ступенчатых на

[

a, b

]

функций

таких, что

h

n

(

t

)

п.в.

x

(

t

)

при

n

→ ∞

.

Очевидно, что всякая ступенчатая функция измерима.
Заметим также, что если

x

(

t

)

п.в.

=

y

(

t

)

и функция

x

(

t

)

измерима на

[

a, b

]

,

то и функция

y

(

t

)

измерима на

[

a, b

]

.

Задачи:

10.2, 10.4, 10.5.

Лемма 4.

Пусть

x

(

t

)

,

y

(

t

)

– измеримые на

[

a, b

]

функции. Пусть функция

ϕ

(

x, y

)

непрерывна по совокупности переменных

x, y

R

1

. Тогда функция

ϕ

(

t

) =

ϕ

[

x

(

t

)

, y

(

t

)]

– измеримая на

[

a, b

]

.

Доказательство.

Определим на отрезке

[

a, b

]

множества:

A

1

=

{

t

[

a, b

]

|

x

(

t

)

не определена

}

, B

1

=

{

t

[

a, b

]

|

y

(

t

)

не определена

}

,

A

2

=

{

t

[

a, b

]

| |

x

(

t

)

|

=

∞}

,

B

2

=

{

t

[

a, b

]

| |

y

(

t

)

|

=

∞}

,

A

3

=

{

t

[

a, b

]

|

h

n

(

t

)

6→

x

(

t

)

}

,

B

3

=

{

t

[

a, b

]

|

k

n

(

t

)

6→

y

(

t

)

}

.

Здесь

{

h

n

(

t

)

}

и

{

k

n

(

t

)

}

ступенчатые функции такие, что

h

n

(

t

)

п.в.

x

(

t

)

и

k

n

(

t

)

п.в.

y

(

t

)

при

n

→ ∞

. Функция

ϕ

(

t

)

определена и конечна на множестве