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符號測度、絕對連續性與 Radon–Nikodym

壓軸篇。允許測度取負值,對其分解,並問何時一個測度是另一個的「加權版本」。Radon–Nikodym 定理回答了它:絕對連續恰好等價於密度的存在。最後以依測度收斂與依範數收斂作結。

符號測度

(X, M) 上的 符號測度 ν 是可數可加的,但允許取值於 (−∞, +∞](或 [−∞, +∞)),且 ν(∅) = 0。典型例子是 ν(E) = ∫_E g dμ,其中 g 是變號的 可積函數。Hahn 分解把 X 拆為正集 P 與負集 N,Jordan 分解把 ν = ν⁺ − ν⁻ 寫成兩個分別居於 P、N 上的真正(非負)測度 之差。

絕對連續性與密度

測度 ν 關於 μ 絕對連續,記作 ν ≪ μ,若每個 μ 零測集也是 ν 零測集:μ(E) = 0 ⇒ ν(E) = 0。直觀上 ν 看不見 μ 忽略的任何東西。Radon–Nikodym 定理 說,對 σ 有限測度,這等價於 ν 由密度給出:存在非負可測 g 使對一切 E 有 ν(E) = ∫_E g dμ。該 g 是 Radon–Nikodym 導數 dν/dμ,在 μ 幾乎處處 相等意義下唯一。

Easy direction: density ⇒ absolute continuity.

Suppose ν(E) = ∫_E g dμ  with g ≥ 0 measurable.
Let E satisfy μ(E) = 0.
Then the integrand g·1_E is 0 μ-almost everywhere,
since it can be nonzero only on E, a μ-null set. Hence
        ν(E) = ∫_E g dμ = ∫ g·1_E dμ = 0.
So μ(E) = 0 ⇒ ν(E) = 0, i.e. ν ≪ μ. ∎

Uniqueness of the density.
If ∫_E g₁ dμ = ∫_E g₂ dμ for all E, take
        E = { g₁ > g₂ }.  Then ∫_E (g₁ − g₂) dμ = 0
with integrand ≥ 0, forcing μ(E) = 0; symmetrically μ{g₂ > g₁}=0.
Thus g₁ = g₂ μ-a.e. ∎
密度 ⇒ 絕對連續只需一行;密度幾乎處處唯一。

依測度收斂與依範數收斂

序列 fₙ → f 依測度收斂,若對每個 ε > 0 有 μ{ |fₙ − f| > ε } → 0。這確實弱於 Lᵖ 範數 收斂:範數收斂蘊含依測度收斂(由 Chebyshev),但反之不然。下面的行波例子展示了各種收斂如何成立而其餘失敗。

Chebyshev: norm convergence ⇒ convergence in measure.
For ε > 0, on the set A = { |fₙ − f| > ε } we have |fₙ−f|ᵖ > εᵖ, so
    εᵖ · μ(A) ≤ ∫_A |fₙ−f|ᵖ dμ ≤ ‖fₙ − f‖ₚᵖ.
Thus  μ{ |fₙ−f| > ε } ≤ ‖fₙ − f‖ₚᵖ / εᵖ → 0.

Converse fails — the 'sliding bump' on [0,1] (Lebesgue):
  enumerate dyadic intervals I = [j/2ᵏ, (j+1)/2ᵏ] in order of length,
  and let fₙ = 1_{Iₙ}.  The bump width → 0, so for 0 < ε < 1:
      μ{ fₙ > ε } = length(Iₙ) → 0   (converges in measure to 0),
  yet ‖fₙ‖ₚ = length(Iₙ)^(1/p) → 0 here too — refine instead with
      gₙ = 2^{k/p} · 1_{Iₙ}.  Then ‖gₙ‖ₚ = 1 for all n (no norm limit),
  while still gₙ → 0 in measure. So in measure ⇏ in norm. ∎
Chebyshev 給出一個方向;一個加高的滑動波包否定逆命題。