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搭建積分:先簡單函數,再非負函數

先定義簡單函數的積分,驗證它良定義,再取上確界以達到每個非負可測函數。這是其餘一切賴以建立的地基。

第一步:簡單函數的積分

把一個非負簡單函數寫成標準形式:s = 對 k 求和 a_k·1_{A_k},其中 a_k 是它的兩兩不同的取值,A_k = {x : s(x) = a_k} 是互不相交的可測集簡單函數的積分由唯一合理的公式定義——值乘以大小,對所有片求和。

Standard form:  s = sum_{k=1..n} a_k * 1_{A_k},   a_k distinct,  A_k disjoint measurable

Definition:  integral of s  =  sum_{k=1..n} a_k * m(A_k)

(here m = Lebesgue measure;  use the convention 0 * infinity = 0)

Example.  On [0,5] let
    s = 3 on [0,2),   s = 0 on [2,4),   s = 7 on [4,5]
Then  A_1 = [0,2), m=2 ;  A_2 = [2,4), m=2 ;  A_3 = [4,5], m=1
    integral of s = 3*2 + 0*2 + 7*1 = 6 + 0 + 7 = 13.
值乘以測度再求和:階梯函數的積分就是它的總(帶號)面積。

第二步:用上確界處理非負可測函數

現在設 f 是任意非負可測函數(允許取值於 [0, +∞])。用簡單函數從下方逼近它,並取這種逼近中最好的。非負函數的積分定義為落在 f 下方的那些簡單函數積分的上確界

Definition (f >= 0 measurable):

  integral of f  =  sup { integral of s :  s simple, 0 <= s <= f everywhere }

The sup is over a NON-EMPTY set (s = 0 always qualifies)
and it may equal +infinity.  So integral of f always EXISTS in [0, +infinity].

Approximate from below — the canonical staircase:
  for level n, set    s_n(x) = min( n, floor(2^n f(x)) / 2^n )
  -> each s_n is simple, 0 <= s_1 <= s_2 <= ... <= f,
     and s_n(x) -> f(x) at every x  (increasing pointwise limit).
用越來越細的階梯從下方逼近;它們積分的上確界就是 f 的積分。

順帶得到的性質

兩條基本性質從上確界定義中立刻得出。單調性: 若 0 <= f <= g,則 integral f <= integral g,因為 f 下方的每個簡單函數也都在 g 下方,故 f 的上確界是在更小的集合上取的。非負性: 總有 integral f >= 0。它們呼應著測度的單調性,並將在接下來的收斂定理中被反覆使用。