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符号测度、绝对连续性与 Radon–Nikodym

压轴篇。允许测度取负值,对其分解,并问何时一个测度是另一个的「加权版本」。Radon–Nikodym 定理回答了它:绝对连续恰好等价于密度的存在。最后以依测度收敛与依范数收敛作结。

符号测度

(X, M) 上的 符号测度 ν 是可数可加的,但允许取值于 (−∞, +∞](或 [−∞, +∞)),且 ν(∅) = 0。典型例子是 ν(E) = ∫_E g dμ,其中 g 是变号的 可积函数。Hahn 分解把 X 拆为正集 P 与负集 N,Jordan 分解把 ν = ν⁺ − ν⁻ 写成两个分别居于 P、N 上的真正(非负)测度 之差。

绝对连续性与密度

测度 ν 关于 μ 绝对连续,记作 ν ≪ μ,若每个 μ 零测集也是 ν 零测集:μ(E) = 0 ⇒ ν(E) = 0。直观上 ν 看不见 μ 忽略的任何东西。Radon–Nikodym 定理 说,对 σ 有限测度,这等价于 ν 由密度给出:存在非负可测 g 使对一切 E 有 ν(E) = ∫_E g dμ。该 g 是 Radon–Nikodym 导数 dν/dμ,在 μ 几乎处处 相等意义下唯一。

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 ⇒ 绝对连续只需一行;密度几乎处处唯一。

依测度收敛与依范数收敛

序列 fₙ → f 依测度收敛,若对每个 ε > 0 有 μ{ |fₙ − f| > ε } → 0。这确实弱于 Lᵖ 范数 收敛:范数收敛蕴含依测度收敛(由 Chebyshev),但反之不然。下面的行波例子展示了各种收敛如何成立而其余失败。

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 给出一个方向;一个加高的滑动波包否定逆命题。