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什麼是 Lᵖ 空間?

認識那些 p 次冪可積的函數集合、度量其大小的 Lᵖ 範數,以及讓這一切成立的微妙一步:把幾乎處處相等的函數壓成同一個點。

定義

固定一個測度空間 (X, M, μ)。對實數 p 滿足 1 ≤ p < ∞,空間 Lᵖ(μ) 是 X 上那些使 |f|ᵖ 的積分有限的 可測函數 f 的全體。該積分取 1/p 次冪,就是 f 的 Lᵖ 範數,記作 ‖f‖ₚ = (∫ |f|ᵖ dμ)^(1/p)。因此 f 屬於 Lᵖ 當且僅當 ‖f‖ₚ < ∞。

p = 1 的情形回到普通的 可積函數:‖f‖₁ = ∫ |f| dμ。p = 2 的情形給出平方可積函數,是唯一同時是 Hilbert 空間的 Lᵖ。更大的 p 對 |f| 的大值加權更重,因此屬於更高的 Lᵖ 是對函數允許長多高的更強要求。

為何要在零測集意義下工作

微妙之處在此。我們希望 ‖·‖ₚ 是真正的 範數,而範數必須滿足 ‖f‖ = 0 ⇒ f = 0。但 ∫ |f|ᵖ = 0 只能迫使 f 幾乎處處 為 0,而非處處為 0——一個在單點取 1、別處取 0 的函數其 Lᵖ 範數為零卻不是零函數。因此原始的 ‖·‖ₚ 只是半範數。

補救辦法是:當兩個函數幾乎處處相等時宣布它們等價,並把這個 等價類 當作 Lᵖ 的真正對象。於是 ‖f‖ₚ = 0 意味著 f 的類是零類,那些點質量反例隨之消失。從此 Lᵖ 的元素是函數的等價類,儘管我們仍像寫單個函數那樣書寫它。

Claim: on Lᵖ (classes mod a.e. equality), ‖f‖ₚ = 0  iff  f = 0 in Lᵖ.

(⇐) If f is the zero class, pick the representative f ≡ 0.
    Then ∫ |0|ᵖ dμ = 0, so ‖f‖ₚ = 0.

(⇒) Suppose ‖f‖ₚ = 0, i.e. ∫ |f|ᵖ dμ = 0.
    Let A = { x : |f(x)| > 0 }, and A_n = { x : |f(x)| > 1/n }.
    On A_n we have |f|ᵖ > (1/n)ᵖ, so
        0 = ∫ |f|ᵖ dμ ≥ ∫_{A_n} |f|ᵖ dμ ≥ (1/n)ᵖ · μ(A_n).
    Hence μ(A_n) = 0 for every n.
    Since A = ∪_n A_n is a countable union of null sets,
        μ(A) ≤ Σ μ(A_n) = 0.
    So f = 0 almost everywhere, i.e. f is the zero class. ∎
只有在按幾乎處處相等取商之後,‖·‖ₚ 才能分離點。