复测度
本章主要内容是给出一个复测度的快速概括,各个定理的理解和命题的使用,以便拿到书后能对该章的思路给出一定的理解,并且把精力投入到对于细节的把握上。
全变差
首先我们是对一个复测度的引入,复测度首先是一个$\sigma-$代数上的复函数,并且定义为级数形式。
$$ \mu(E)=\sum^{\infty}_{n=1}\mu(E_i){\quad}(E{\in}\mathfrak{M}) $$
其中$E=\bigcup{E_i}$,且$i{\neq}j$时,有$E_i{\cap}E_j{=}\varnothing$。(划分)
接下来我们需要考虑一个问题:前面我们学习过正测度,现在推广到复测度,那么这个复测度首先要存在,也就是级数必须要收敛(且调换顺序也收敛——重排收敛)。然后要证明这个复测度必须满足测度的定义。
正测度的控制:
接下来我们考虑取一个正测度$\lambda$来控制这个复测度$\mu$,使得这个正测度尽可能小,接近这个复测度:
也就是对$E{\in}\mathfrak{M}$的每一个划分,都满足
$$ \lambda(E)=\sum^{\infty}_{i=1}\lambda(E_i){\ge}\sum^{\infty}_{i=1}|\mu(E_i)| $$
从而启发我们定义一个集函数$|\mu|$为:
$$ |\mu|(E)=\sup\sum^{\infty}_{i=1}|\mu(E_i)|{\quad}(E{\in}\mathfrak{M}) $$
于是这个$|\mu|$为我们所能取到的最小的$\lambda$(正测度)。
我们称这个集函数$|\mu|$为$\mu$的全变差,称为全变差测度。
接下来是要证明这个全变差测度确实是一个测度。并且探讨其拥有的性质。
定理6.2指出:在$\sigma-$代数$\mathfrak{M}$上的复测度$\mu$的全变差$|\mu|$是$\mathfrak{M}$上的一个正测度。
其主要难点是在于可数可加性的证明:关键在于该等式的成立,从一个特殊划分和任意划分两个方向证明。
引理6.3告诉我们在有限集上复数的级数的一个平均值估计。(这个可以应用在定理6.4的证明中)
定理6.4告诉我们:全变差测度是有界的。(所以有时候称其为有界变差)
这个证明是从反证法的思路开始,用到引理6.3,且不断分割为两个不相交集合,从而利用可数可加性得到矛盾。
命题6.5是给出了复测度的线性性质(线性相加与数乘),并且给定范数,直接构成复测度的赋范线性空间。
命题6.6是针对实测度的全变差测度,定义了正负变差,根据前面的定理6.2,正负变差都是正测度,且根据定理6.4知道是有界变差。而正负变差则为这个正测度的若尔当分解。
绝对连续性
绝对连续性质中,首先给出了$\sigma-$代数$\mathfrak{M}$的一个正测度$\mu$,和$\mathfrak{M}$上的任意测度$\lambda$(可以是正测度或者是复测度)
绝对连续性指的是,对于每一个正测度$\mu(E)=0$的$E{\in}\mathfrak{M}$,我们都有$\lambda(E)=0$成立,记作$\lambda{\ll}\mu$,称作$\lambda$关于$\mu$绝对连续。其蕴意指的是:任意测度$\lambda$在正测度$\mu$为0的集合上,其测度也为0。
然后给出了集中函数的定义:
存在一个集合$A{\in}\mathfrak{M}$,使得$\lambda(E)=\lambda(A{\cap}E)$对于每一个$E{\in}\mathfrak{M}$成立,称呼$\lambda$集中于$A$上。直观上可以理解为:拿一个集合$A$去不断交上这些划分,发现任意测度$\lambda$关于这个划分的测度,完全可以用交集部分的测度来代替。且等价于$E{\cap}A=\varnothing$时,$\lambda(E)=0$。
最后给出一个互相奇异的测度关系:
首先有$\mathfrak{M}$上两个测度$\lambda_1$和$\lambda_2$,存在不相交的集合$A$和$B$,使得$\lambda_1$集中在$A$上,$\lambda_2$集中在$B$上,则记为
$$ \lambda_1{\perp}\lambda_2 $$
命题6.8给出了这些概念的一些性质。其证明也很详细。
最后我们说明一些很重要的定理:(是在$\sigma-$有限测度上进行的)
引理6.9告诉我们:对于一个正$\sigma-$有限测度,存在对集合$X$上每一点的一个函数$w{\in}L^1(\mu)$,其范围为$0<w(x)<1$。这个关键是可以用有限测度来代替任意测度,本质上两个测度是有一样的零测度集。(这个和绝对连续性一致)
定理6.10告诉我们:针对正$\sigma-$有限测度$\mu$和复测度$\lambda$,有两个结果:
(1)存在唯一的一对复测度$\lambda_a$和$\lambda_s$,使得
$$ \lambda=\lambda_a+\lambda_s,\lambda_a{\ll}\mu,\lambda_s{\perp}\mu $$
实际上就是一个测度分解。这个称为勒贝格分解。
(2)存在唯一的一个$h{\in}L^1(\mu)$,使得
$$ \lambda_a(E)=\int_Ehd{\mu}{\quad}(E{\in}\mathfrak{M}) $$
这个意味着勒贝格分解后的正有限测度$\lambda_a$,对每个划分$E$,可以写为一个积分形式。其中这个$h$被称为$\lambda_a$关于$\mu$的拉东-妮柯迪姆导数。
证明方法是由冯诺伊曼提出的:用到引理6.9做出代替,然后对特征函数先做,对可测函数做,希尔伯特空间的里斯表示(唯一性),完备性保证了存在性。取到勒贝格分解,然后证明上面(1)的性质,并且证明$h$属于$L^1(\mu)$即可。
最后讨论了$\lambda$是复测度可以用正负变差化为正测度做,而对于$\mu$和$\lambda$都是$\sigma-$有限测度,则$h$所属空间会更弱。若超出$\sigma-$有限性则定理有不成立的情况。(考虑计数测度)
定理6.11告诉我们$\lambda{\ll}\mu$为什么称为“连续”:实际上$\lambda{\ll}\mu$,等价于:对每一个$\varepsilon>0$,对应有一个$\sigma>0$,对于所有的$E{\in}\mathfrak{M},\mu(E)<\delta$时,有$|\lambda(E)|<\varepsilon$。这个等价性质有时也被作为绝对连续的定义。
而当$\lambda$是一个正的无界测度,则性质$\lambda{\ll}\mu$不蕴含后面的性质。并且给了反例
拉东-妮柯迪姆定理的推论
定理6.12告诉我们复测度可以表示为一个绝对值为1的可测函数与其全变差测度的乘积,即为
$$ d{\mu}=hd{|\mu|},|h(x)|=1,x{\in}X $$
这也称为极分解。
首先根据拉东-妮柯迪姆可以得到一个$h{\in}L^1(|\mu|)$,然后再做一个特殊划分,使得这个可测函数$h$绝对值控制为1即可。(通过勒贝格分解的再划分得到极分解)
定理6.13告诉我们:若正测度可以写为积分形式,则其全变差也可以写为积分形式。
定理6.14(哈恩分解)告诉我们,存在两个不相交的集合$A,B$,使得$A{\bigcup}B=X$,对于实测度$\mu$的正负变差,满足
$$ \mu^+(E)=\mu(A{\cap}E){\quad}\mu^-(E)=-\mu(B{\cap}E){\quad}(E{\in}\mathfrak{M}) $$
并且有推论:若$\mu=\lambda_1-\lambda_2$,则$\lambda_1{\ge}\mu^+$和$\lambda_2{\ge}\mu^-$。
$L^p$上的有界线性泛函
这个主题是由$L^p(\mu)$,其中$\mu$为正测度,其空间上的有界线性泛函是否都能写成这样的形式?
$$ \Phi_g(f)=\int_Xfgd{\mu},f{\in}L^p(\mu),g{\in}L^q(\mu) $$
且这样的表示是否唯一?
回答:对于$p=\infty$,是否定的。对于$1<p<\infty$,是肯定的。下面对于$\sigma-$有限情况,$p=1$也是肯定的。
定理6.16告诉我们:对于$\sigma-$有限的正测度,且$1{\le}p<\infty$,上面的回答是肯定的。
换句话说:在所述条件下,$L^q(\mu)$等距同构于$L^p(\mu)$的对偶空间。
里斯表示定理
这个是定理2.14的复形式
命题6.18其实阐述了一个思路:首先$X$是一个局部紧的豪斯托夫空间,而之前的定理2.14刻画了在$C_c(X)$空间上的正的线性泛函。
现在我们要刻画$C_c(X)$空间上的有界线性泛函:因为$C_c(X)$是$C_0(X)$关于上确界范数的稠密子空间,于是每一个这样的$\Phi$有唯一一个到$C_0(X)$上的有界线性泛函的开拓。于是我们可以转向先处理巴拿赫空间$C_0(X)$。
考虑$\mu$是复博雷尔测度,然后中间证明$\mu$是正则的,于是可以定义$C_0(X)$空间上的有界线性泛函。
定理6.19告诉我们的就是上面的定义$C_0(X)$空间上的有界线性泛函:存在唯一一个复的正则博雷尔测度$\mu$,使得
$$ \Phi{f}=\int_Xfd{\mu}{\quad}(f{\in}C_0(X)) $$
而且若
$$ \int{f}d{\mu}=\int{f}hd{|\mu|},|h|=1 $$
则有
$$ \|\Phi\|=|\mu|(X) $$
最后结合$C_0(X)$与$C_c(X)$的关系,刻画了$C_c(X)$上的有界线性泛函,这部分的证明是比较复杂的。