勒貝格微分定理
數學上,勒貝格微分定理是實分析的一條定理。這條定理大致是說,一個局部可積函數在幾乎每點的值,都是函數在該點為中心的無限小的球上的平均。換言之,該函數的定義域上幾乎處處都是勒貝格點。
定理敘述
設f∈Lloc1(Rk){displaystyle fin mathrm {L_{loc}^{1}} (mathbb {R} ^{k})}為实值或复值的局部可積函數,m為Rk{displaystyle mathbb {R} ^{k}}的勒貝格測度。那麼Rk{displaystyle mathbb {R} ^{k}}中幾乎處處的x都符合
- limr→01m(B(x,r))∫B(x,r)|f(y)−f(x)|dm(y)=0{displaystyle lim _{rto 0}{frac {1}{m(B(x,r))}}int _{B(x,r)}left|f(y)-f(x)right|dm(y)=0}
使上式成立的点称为f{displaystyle f}的勒贝格点。
證明
因為這定理是關於函數的局部性質,不失一般性,可假設函數f定義在有界集合中,故f為可積函數。
定義
- (Trf)(x)=1m(B(x,r))∫B(x,r)|f(y)−f(x)|dm(y){displaystyle (T_{r}f)(x)={frac {1}{m(B(x,r))}}int _{B(x,r)}left|f(y)-f(x)right|dm(y)}
- (Tf)(x)=lim supr→0(Trf)(x){displaystyle (Tf)(x)=limsup _{rto 0}(T_{r}f)(x)}
那麼這定理就是對幾乎處處的x有Tf = 0。只需證對任何y > 0,集合{Tf > y}的測度為零。
對連續函數,這定理顯然成立。連續函數在L1(Rk){displaystyle mathrm {L} ^{1}(mathbb {R} ^{k})}中稠密,故此對任意正整數n,有連續函數g使得‖f−g‖L1<1/n{displaystyle |f-g|_{mathrm {L} ^{1}}<1/n}。
令h=f−g{displaystyle h=f-g}。由於g連續,有Tg = 0。
用三角不等式有
- (Trh)(x)≤1m(B(x,r))∫B(x,r)|h|dm+|h(x)|{displaystyle (T_{r}h)(x)leq {frac {1}{m(B(x,r))}}int _{B(x,r)}left|hright|dm+|h(x)|}
設Mh=supr>01m(B(x,r))∫B(x,r)|h|dm{displaystyle Mh=sup _{r>0}{frac {1}{m(B(x,r))}}int _{B(x,r)}left|hright|dm}。(Mh為h的哈代-李特爾伍德極大函數。)從上式得
- Th≤Mh+|h|{displaystyle Thleq Mh+|h|}
因為Trf≤Trg+Trh=Trh{displaystyle T_{r}fleq T_{r}g+T_{r}h=T_{r}h},所以有
- Tf≤Th≤Mh+|h|{displaystyle Tfleq Thleq Mh+|h|}
若Tf > y,則有Mh > y/2或者|h| > y/2。因此{Tf>y}⊂{Mh>y/2}∪{|h|>y/2}{displaystyle {Tf>y}subset {Mh>y/2}cup {|h|>y/2}}
由哈代-李特爾伍德極大不等式得
- m{Mh>y/2}≤3k(2/y)‖h‖L1<3k⋅2/(ny){displaystyle m{Mh>y/2}leq 3^{k}(2/y)|h|_{mathrm {L} ^{1}}<3^{k}cdot 2/(ny)}
由積分的基本性質有
- m{|h|>y/2}y/2≤‖h‖L1{displaystyle m{|h|>y/2}y/2leq |h|_{mathrm {L} ^{1}}}
故得
- m{|h|>y/2}≤2/(ny){displaystyle m{|h|>y/2}leq 2/(ny)}
因此
- m{Tf>y}≤m{Mh>y/2}+m{|h|>y/2}<2(3k+1)/(ny){displaystyle {begin{aligned}&m{Tf>y}\&leq m{Mh>y/2}+m{|h|>y/2}\&<2(3^{k}+1)/(ny)end{aligned}}}
因為上式對所有正整數n成立,從而知m{Tf > y}=0。定理得證。
參考
- Rudin, Walter (1987), Real and complex analysis, International Series in Pure and Applied Mathematics (3rd ed.), McGraw-Hill.
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