Gelen matematik , Fatou lemması bir kurar eşitsizlik ilgili Lebesgue ait alt sınırı a dizisi arasında fonksiyonları bu fonksiyonların integralin alt sınıra. Lemma almıştır Pierre Fatou .
Fatou'nun lemması, Fatou-Lebesgue teoremini ve Lebesgue'in baskın yakınsama teoremini ispatlamak için kullanılabilir .
Standart ifade
Daha sonra gelende, ifade eder ve cebiri Borel kümeleri üzerinde .
Teorem - Fatou'nun lemması. Bir ölçü alanı ve bir küme verildiğinde , -ölçülebilir negatif olmayan fonksiyonlar dizisi olsun . Her biri için ayarlayarak işlevi tanımlayın .
Sonra ise -measurable ve ayrıca , integral nerede sonsuz olabilir .
Fatou'nun lemması, varsayımları neredeyse her yerde geçerliyse, doğru kalır . Diğer bir deyişle, dizinin her biri için azalmayacağı şekilde bir boş küme olması yeterlidir Bunu görmek için , Fatou'nun lemasında görünen integrallerin , eğer üzerinde her bir fonksiyonu değiştirirsek değişmeyeceğine dikkat edin .
Kanıt
Fatou lemması yok değil gerektiren monoton yakınsama teoremi , ama ikincisi hızlı bir kanıt sunmak kullanılabilir. İntegrallerin tanımlarından doğrudan bir kanıt aşağıda daha ayrıntılı olarak verilmiştir.
Her durumda ispat, özelliklerinin analiz edilmesiyle başlar . Bunlar tatmin edici:
- dizi herhangi bir x noktasında noktasal olarak azalmaz ve
-
, .
Çünkü f'nin ölçülebilir olduğunu hemen görüyoruz .
Monoton Yakınsama Teoremi ile
Dahası,
Monoton Yakınsama Teoremi ve özelliği (1) ile limit ve integral değiştirilebilir:
son adımın özelliği (2) kullandığı yer.
"İlk ilkelerden"
Monoton yakınsama teoreminin "gizli" olmadığını göstermek için, aşağıdaki kanıt burada oluşturulanlar dışında Lebesgue integralinin herhangi bir özelliğini kullanmaz.
Ifade tarafından setine basit -measurable fonksiyonları öyle ki üzerinde .
Monotonluk -
- Her yerdeyse o zaman
- Eğer ve sonra
- F negatif değilse ve ölçülebilir kümelerin azalan olmayan zinciri nerede ise , o zaman
Kanıt -
1. yana sahip olduğumuz
Lebesgue integralinin tanımı ve supremumun özellikleri,
2. Kümenin gösterge fonksiyonu olsun . Lebesgue integralinin tanımından şu çıkarılabilir:
Biz fark ederseniz, her için dış önceki özelliğiyle Kombine, eşitsizlik ima
3. Öncelikle, f bir kümenin gösterge fonksiyonu ise, ölçülerin monotonluğuna göre iddianın geçerli olduğuna dikkat edin . Doğrusallıkla, bu aynı zamanda hemen basit fonksiyonlar iddiasını da ifade eder.
Herhangi bir basit işlevi üzerinde desteklenen yana S n basit ve desteklenen X , biz olmalı
-
.
Tersi için, yukarıdaki By ile g ∈ SF ( f ) varsayalım ,
Şimdi ana teoreme dönüyoruz
Kanıt -
Kapalı aralıkların Borel σ - cebirini oluşturduğunu hatırlayın . Böylece her için, göstermeye yeterli olduğunu, . Şimdi bunu gözlemle
Sağ taraftaki her set, sayılabilir kavşaklar altında kapalı olan. Dolayısıyla sol taraf da üyesidir .
Benzer bir şekilde, doğrulamak için yeterlidir her için, . Sıra noktasal olarak azalmadığı için,
-
.
Adım 2 - Basit bir fonksiyon ve gerçek bir sayı verildiğinde ,
Sonra , ve .
Kanıt -
Adım 2a. Birinci dereceden kanıtlamak için, yazma s ağırlıklı toplamı olarak gösterge fonksiyonları arasında ayrık kümeler :
-
.
Sonra
-
.
Yana önceden görüntü Borel kümesinin ölçülebilir fonksiyonu altında , ölçülebilir ve -algebras sonlu kesişme ve birlikler altında kapatılır, ilk talep izler.
Adım 2b. İkinci iddiayı kanıtlamak için, her biri için, dikkat ve her ,
Adım 2c. Üçüncü iddiayı kanıtlamak için, varsayalım ki çelişki var
Sonra , her biri için . Sınırı almak ,
Bu, bizim ilk varsayımımızla çelişiyor .
3. Adım - 2. adımdan ve monotonluktan,
Adım 4 - Her biri için ,
-
.
Kanıt -
Aslında, Lebesgue integralinin negatif olmama ve monotonluğunun tanımını kullanarak , elimizde
-
.
Adım 4'e göre, eşitsizlik
-
.
Limiti getiri olarak almak
-
,
gereğince, gerektiği gibi.
Adım 5 - İspatı tamamlamak için, Lebesgue integrali tanımını Adım 4'te belirlenen eşitsizliğe uygularız ve şunları dikkate alırız :
Kanıt tamamlandı.
Kesin eşitsizlik örnekleri
Uzayı Borel σ-cebiri ve Lebesgue ölçümü ile donatın .
Bu diziler noktasal olarak (sırasıyla tekdüze olarak) sıfır fonksiyonuna (sıfır integrali ile) yakınsar , ancak her birinin integrali vardır.
Olumsuz olmamanın rolü
F 1 , f 2 , dizisinin negatif kısımlarıyla ilgili uygun bir varsayım . . . Aşağıdaki örnekte gösterildiği gibi, Fatou'nun lemması için işlevler gereklidir. Let S Borel σ-cebir ve Lebesgue ölçü ile yarı hat [0, ∞) ifade etmektedir. Her doğal sayı için n tanımla
Bu dizi, S üzerinde eşit olarak sıfır fonksiyonuna yakınsar ve 0 limitine sonlu sayıda adımda ulaşılır: her x ≥ 0 için, n > x ise , o zaman f n ( x ) = 0. Bununla birlikte, her fonksiyon f n'nin integrali -1'dir. Fatou'nun lemasının aksine, bu değer kesinlikle limitin (0) integralinden daha küçüktür.
Aşağıda Fatou'nun lemasının uzantıları ve varyasyonları bölümünde tartışıldığı gibi, sorun, sekans üzerinde aşağıdan tek tip integrallenebilir bir sınırın olmaması, 0 ise yukarıdan tekdüze sınır olmasıdır.
Ters Fatou lemma
F 1 , f 2 olsun . . . bir ölçü uzayında ( S , Σ , μ ) tanımlanan genişletilmiş gerçek değerli ölçülebilir fonksiyonlar dizisi olabilir . Negatif olmayan bir entegre edilebilir işlevi varsa g üzerinde S şekilde f , n ≤ gr tüm n , daha sonra
Not: Burada integrallenebilir , g'nin ölçülebilir olduğu anlamına gelir .
İspat taslağı
Biz Lebesgue integrali ve dizisine Fatou lemmasının doğrusallık uygulamak beri bu dizinin tanımlanır her yerde-neredeyse olmayan negatif.
Fatou lemasının uzantıları ve çeşitleri
Entegre edilebilir alt sınır
F 1 , f 2 olsun . . . bir ölçü uzayında tanımlanan genişletilmiş gerçek değerli ölçülebilir fonksiyonlar dizisi ( S , Σ , μ ). Bir integre işlevi varsa g üzerinde S şekilde f , n ≥ - g tüm n , o
Kanıt
Fatou'nun lemmasını f n + g ile verilen negatif olmayan diziye uygulayın .
Noktasal yakınsama
Önceki ayarda f 1 , f 2 , dizisi varsa . . . noktasal olarak bir f μ fonksiyonuna yakınsar - S üzerinde neredeyse her yerde , o zaman
Kanıt
O Not f fonksiyonlarının alt sınırı ile anlaşmak zorundadır f n hemen hemen her yerde ve ölçümü sıfır olan bir dizi integrali değerleri integralin değeri üzerinde bir etkisi olmadığı da.
Ölçüde yakınsama
Son iddia, eğer f 1 , f 2 , dizisi ise geçerlidir . . . ölçü olarak bir f fonksiyonuna yakınsar .
Kanıt
Böyle bir alt dizi var
Bu alt dizi aynı zamanda ölçü olarak f'ye yakınsadığı için , hemen hemen her yerde noktasal olarak f'ye yakınsayan başka bir alt dizi vardır, dolayısıyla Fatou'nun lemasının önceki varyasyonu bu alt diziye uygulanabilir.
Fatou'nun Farklı Ölçülere Sahip Lemması
Fatou'nun Lemması'nın yukarıdaki tüm ifadelerinde, entegrasyon tek bir sabit ölçü μ ile ilgili olarak gerçekleştirildi. Bu μ varsayalım n ölçülebilir alan (ilgili önlemlerin bir dizisidir S , Σ (bakınız bu şekilde) önlemlerin Yakınsama )
Daha sonra, f n negatif olmayan integrallenebilir fonksiyonlar ve f noktasal limitleri daha düşük olduğu için,
Kanıt
|
Burada biraz daha güçlü bir şey kanıtlayacağız. Yani, f n'nin , S'nin bir E alt kümesinde neredeyse her yerde μ- yakınsamasına izin vereceğiz . Bunu göstermeye çalışıyoruz.
İzin Vermek
-
.
Sonra μ (EK) = 0 ve
Böylece, değiştirilmesi E tarafından EK biz varsayabiliriz f n yakınsama f izlemeli herhangi basit bir işlev için bu, E. İleri'ye not φ Elimizdeki
Dolayısıyla, Lebesgue İntegralinin tanımına göre, eğer φ herhangi bir negatif olmayan basit fonksiyon f'den küçük veya f'ye eşitse , o zaman
göstermek yeterlidir
Let bir minimum, negatif olmayan bir değer cp. Tanımlamak
İlk önce ne zaman olduğunu düşünüyoruz . Bu μ (A) ' nın sonsuz olması gerekir çünkü
burada M Bunun (zorunlu olarak sonlu) en yüksek değerdir φ ulaşır.
Sonra, tanımlıyoruz
Bizde var
Ancak A n , iç içe geçmiş bir fonksiyon dizisidir ve dolayısıyla, μ altındaki süreklilik sayesinde ,
-
.
Böylece,
-
.
Aynı zamanda,
bu durumda iddiayı kanıtlamak.
Geriye kalan durum ne zaman . Bu μ (A) ' nın sonlu olmasına sahip olmalıyız . Yukarıda olduğu gibi, maksimum φ değerini M ile belirtin ve ε> 0'ı sabitleyin . Tanımlamak
O halde A n , birleşimi A'yı içeren iç içe geçmiş kümeler dizisidir. Dolayısıyla, AA n , boş kesişimi olan azalan kümeler dizisidir. Yana bir sonlu ölçü vardır, (biz iki ayrı vakalar dikkate gerekli bu yüzden)
Böylece, öyle n var ki
Bu nedenle
öyle N var ki
Dolayısıyla
Aynı zamanda,
Dolayısıyla
Bu eşitsizlikleri birleştirmek şunu verir:
Dolayısıyla, gönderme £ değenni 0'a ve n liminf alarak, bunu almak
kanıtı tamamlamak.
|
Koşullu beklentiler için Fatou'nun lemması
Olarak olasılık kuramı , gösterimin bir değişiklik ile, Fatou lemma yukarıda versiyonları elde edilen dizilere uygulanabilir olan rastgele değişken X 1 , x 2 ,. . . bir olasılık uzayında tanımlanmış ; integraller beklentilere dönüşür . Ek olarak, şartlı beklentiler için bir versiyon da var .
Standart versiyon
X 1 , X 2 olsun . . . bir olasılık uzayında negatif olmayan rasgele değişkenler dizisi ve
bir alt cebir olsun . Sonra
-
neredeyse kesin .
Not: Negatif olmayan rastgele değişkenler için koşullu beklenti her zaman iyi tanımlanmıştır, sonlu beklentiye gerek yoktur.
Kanıt
Bir gösterim değişikliğinin yanı sıra, ispat, yukarıdaki Fatou'nun lemasının standart versiyonu için olana çok benzer, ancak koşullu beklentiler için monoton yakınsama teoremi uygulanmalıdır.
Let X anlamında olabildikleri alt sınırı X n . Her k doğal sayısı için rastgele değişkeni noktasal olarak tanımlayın
Ardından Y 1 , Y 2 , dizisi . . . artıyor ve noktasal olarak X'e yakınsıyor . İçin k ≤ n , elimizdeki Y k ≤ X n , böylece
-
neredeyse kesin
tarafından şartlı beklenti monotonicity dolayısıyla
-
neredeyse kesin
çünkü istisnai olasılık sıfır kümelerinin sayılabilir birleşimi yine bir boş kümedir . X'in tanımını , Y k'nin noktasal sınırı olarak temsilini, koşullu beklentiler için monoton yakınsama teoremini, son eşitsizliği ve alt sınır tanımını kullanarak, neredeyse kesin olarak
Düzgün bir şekilde entegre edilebilen negatif parçalara uzatma
X 1 , X 2 olsun . . . bir olasılık uzayında rastgele değişkenlerin bir dizisi ve bir alt -cebir olalım
. Negatif kısımlar
koşullu beklentiye göre tekdüze bir şekilde integrallenebilir, yani ly > 0 için bir c > 0 vardır öyle ki
-
,
sonra
-
neredeyse kesin.
Not: Sette
tatmin eder
eşitsizliğin sol tarafı artı sonsuz olarak kabul edilir. Alt limitin koşullu beklentisi bu sette iyi tanımlanmayabilir, çünkü negatif kısmın koşullu beklentisi de artı sonsuz olabilir.
Kanıt
Ε > 0 olsun . Koşullu beklentiye göre tekdüze bütünleşebilirlik nedeniyle, bir c > 0 vardır öyle ki
Dan beri
burada x + : = max { x , 0} bir gerçek x'in pozitif bölümünü , koşullu beklentinin monotonluğunu (veya yukarıdaki konvansiyonu) ve koşullu beklentiler için Fatou'nun lemasının standart versiyonunu ifade eder
-
neredeyse kesin.
Dan beri
sahibiz
-
neredeyse kesin
dolayısıyla
-
neredeyse kesin.
Bu iddia anlamına gelir.
Referanslar
-
Carothers, NL (2000). Gerçek Analiz . New York: Cambridge University Press. sayfa 321 –22. ISBN 0-521-49756-6 .
-
Royden, HL (1988). Gerçek Analiz (3. baskı). Londra: Collier Macmillan. ISBN 0-02-404151-3 .
-
Weir, Alan J. (1973). "Yakınsama Teoremleri". Lebesgue Entegrasyonu ve Ölçümü . Cambridge: Cambridge University Press. s. 93–118. ISBN 0-521-08728-7 .