-ALGEBRA . Družino podmnožic množice imenujemo -algebra na , če velja: 1. 2. za } elementov iz je tudi unija ⋃ 3. za vsako števno družino { . Elemente družine imenujemo merljive množice. Množico , opremljeno z družino pa merljiv prostor. Oznaka . Če namesto 3 zahtevamo: 3'. unija vsake končne poddružine v je v , pravimo, da je algebra na . Trditev: Vsaka -algebra je zaprta za števne preseke; če je { } poljubno zaporedje množic iz , je ⋂ . Zgled: poljubna množica. 1. { } je -algebra, vsebovana v vsaki -algebri na . 2. Potenčna množica je -algebra, ki vsebuje vsako -algebro na . BORELOVE MNOŽICE poljubna družina podmnožic dane . Presek vseh algeber na , ki vsebujejo družino , imenujemo -algebra, generirana z . To je najmanjša -algebra, ki vsebuje . Če je topološki prostor in družina vseh odprtih podmnožic v , imenujemo -algebro generirano z Borelova -algebra, njene elemente pa Borelove množice. Oznaka: . Primer: Presek števne družine odprtih množic v topološkem prostoru je Borelova množica. MERLJIVE PRESLIKAVE merljiva prostora. Preslikava je merljiva, če je za vsako . Preslikava je merljiva natanko takrat, ko je praslika vsake merljive množice merljiva. Zgled: Konstantna preslikava, ki vse točke preslika v isto točko , je merljiva. Trditev: Naj bo Borelova -algebra na topološkem prostoru , pa poljuben merljiv prostor. Preslikava je merljiva ko je za vsako odprto . Posledica: Vsaka zvezna preslikava med topološkima prostoroma je merljiva glede na Borelovi -algebri na in . Pravimo, da je Borelova preslikava. Trditev: Naj bo poljuben merljiv prostor. Funkcija je merljiva ]) ko je za vsak ko je za vsak ( ) ( . ̅ [ ] { }. ̅ merljiva funkcija, je za vsak Posledica: Če je merljiva tudi funkcija Zgled: Za vsako podmnožico označimo s njeno karakteristično funkcijo, ki je definirana: { . Za vsak ([ je: ) { Zaporedje funkcij konvergira enakomerno proti funkciji , če je | | . Funkcijo , katere zaloga vrednosti je končna množica, imenujemo stopničasta funkcija. Naj bo { } zaloga vrednosti stopničaste funkcije . Za vsak naj bo { }. Potem lahko izrazimo kot linearno kombinacijo ∑ karakterističnih funkcij množic : . Prostor vseh kompleksnih omejenih Borelovih funkcij na merljivem prostoru bomo označili z . Izrek: Prostor vseh merljivih stopničastih funkcij na je gost v , kar pomeni da je vsaka omejena Borelova funkcija na enakomerna limita kakega zaporedja merljivih stopničastih funkcij. Izrek: Za vsako merljivo funkcijo [ ] obstaja naraščajoče (ne nujno strogo) zaporedje merljivih stopničastih funkcij [ , ki konvergira proti po točkah. (ker je zaporedje naraščajoče in konvergira proti mora biti za vsak ) POZITIVNA MERA Zgledi: dolžina podmnožic v , ploščina ravninskih likov, prostornina teles v prostoru. Pozitivna mera na merljivem prostoru je funkcija [ ], ki zadošča: 1. ∑ 2. ⋃ za vsako zaporedje disjunktnih množic . (števna aditivnost) Trojko bomo imenovali prostor z mero. Če namesto 2. zahtevamo: ∑ 2’. ⋃ za vsako končno družino disjunktnih podmnožic (končna aditivnost). Števno aditivno pozitivno mero imenujemo kar mera. Pozitivno mero na merljivem prostoru imenujemo končna mera, če je . Če se da izraziti kot unija kake števne družine množic iz , ki imajo končno mero, pravimo, da je -končna mera. Trditev: Končno aditivna pozitivna mera je monotona (za vsaki množici iz je ). Trditev: Za vsako pozitivno mero na merljivem prostoru in poljubno zaporedje { } je (⋃ ) ∑ . Trditev: Končno aditivna funkcija [ ] na merljivem prostoru je mera ko za vsako naraščajoče zaporedje množic iz velja: ⋃ . Posledica: Naj bo prostor z mero in { } padajoče zaporedje množic v . Če je , potem je ⋂ . Zgledi: 1. Diracova mera: , njena potenčna množica, pa poljuben element. { . 2. Mera, ki šteje točke: , njena potenčna množica. Za vsak bo število elementov množice (ki je , če je neskončna). naj NAPOLNITEV PROSTORA Z MERO . je merljiva ko je merljiva množica . Naj bosta merljiva prostora, . Podmnožico v oblike , kjer je imenujemo merljiv pravokotnik. Produktna -algebra je -algebra na , generirana z vsemi merljivimi pravokotniki, torej najmanjša -algebra na , ki vsebuje vse merljive pravokotnike. Trditev: Naj bosta merljiva prostora, v kartezičnem produktu pa vzemimo produktno -algebro . Potem velja: 1. Koordinatni projekciji sta merljivi preslikavi. 2. merljiv prostor, poljubna preslikava, pa njeni komponenti. je merljiva ko sta merljivi obe preslikavi . Posledica: Naj imata topološka prostora števni bazi topologije in naj bo poljubna preslikava, kjer je poljuben merljiv prostor. Preslikava je Borelova (se pravi merljiva, ko vzamemo na Borelovo -algebro generirano s produktno topologijo) ko sta njeni komponenti Borelovi preslikavi. Posledica: Vsota in produkt dveh merljivih preslikav , kjer je poljuben merljiv prostor, pa bodisi ali [ ], sta merljivi preslikavi. Posledica: Linearna kombinacija merljivih preslikav z vrednostmi v (ali ) je merljiva. ZAPOREDJA MERLJIVIH FUNKCIJ Za vsako zaporedje { } [ ], lahko sestavimo novo zaporedje { }. To zaporedje je padajoče (ne nujno strogo), zato ima posplošeno limito v [ ], ki jo imenujemo zgornja limita ali limes superior. . Podobno definiramo spodnjo limito ali limes inferior kot . Zaporedje funkcij [ ] konvergira po točkah k funkciji , če je za vsak . Za splošno zaporedje funkcij [ ] lahko definiramo kot funkcijo, ki ima v točki vrednost , torej: ( ) za . Podobno: ( za . ) ̅ sta tudi funkciji Lema: Za vsako zaporedje merljivih funkcij in merljivi. ̅ sta funkciji Posledica: Za vsako zaporedje merljivih funkcij in merljivi. Limita po točkah konvergentnega zaporedja merljivih funkcij je torej merljiva. APROKSIMACIJA S STOPNIČASTIMI FUNKCIJAMI Prostor z mero imenujemo poln, če je vsaka podmnožica katerekoli množice z merljiva, tj. . Vsak merljiv prostor je mogoče dopolniti do polnega prostora s povečanjem -algebre: Trditev: Naj bo prostor z mero. Naj bo družina vseh tistih , ki se dajo izraziti kot , kjer je pa poljubna podmnožica kake množice z . Za vsako tako množico naj bo ̃ . Potem je -algebra na , ki vsebuje , ̃ pa mera na , ki se ujema z mero na množicah iz . Prostor ̃ je poln prostor z mero. ZUNANJA MERA Zunanja mera na množici je preslikava [ ], ki zadošča: 1. 2. , če ∑ 3. ⋃ za vsako zaporedje množic . Trditev: Naj bo poljubna družina podmnožic neprazne množice in . Naj bo [ ] poljubna funkcija, da je . Potem je funkcija ∑ [ ], , kjer inf teče po vseh števnih poddružinah { } , da je ⋃ , zunanja mera. Naj bo zunanja mera na . je -merljiva, če je za vsako . Družino vseh -merljivih podmnožic v označimo z . Pogoj je ekvivalenten za vsako . Smemo vzeti , sicer izpolnjeno. Izrek (Caratheodorij): Za vsako zunanjo mero na je družina -algebra na , zožitev | je mera na njej in | je poln prostor z mero. RAZŠIRITEV MERE IZ ALGEBRE NA SIGMA ALGEBRO Mera na algebri je taka funkcija [ ], da je in ⋃ ∑ za vsako zaporedje disjunktnih množic , katerih unija je v . Vsako mero na algebri lahko razširimo do zunanje mere. Izrek: Naj bo mera na algebri podmnožic kake množice . Za vsako ∑ naj bo , kjer teče inf po vseh zaporedjih { } , da je . Tedaj je zunanja mera na in za . ⋃ Izrek: Naj bo algebra na , mera na , zunanja mera, ki jo porodi po pr. izreku in | ( -algebra, ki jo porodi po Cara. izreku). Potem je in za vsako je . Torej je edina razširitev na -algebro , če je -končna ( unija kake števne družine množic iz s končno mero). POLALGEBRE IN POLMERE Polalgebra na je družina , ki vsebuje , je zaprta za končne preseke in za se da izraziti kot unija končno mnogo disjunktnih množic iz . Polmera na polalgebri je funkcija [ ] z lastnostmi: 1. 2. če so paroma disjunktne in njihova unija , potem je ∑ 3. če je { } tako zaporedje paroma disjunktnih , da je tudi njihova unija ∑ v , je . ⋃ Zgled: Lebesguevo mero na konstruiramo iz dolžine intervalov. Družina vseh intervalov na ni -algebra, niti algebra. Naj bo družina, ki vsebuje , vse intervale oblike [ in [ . Ta družina ni algebra, je pa polalgebra. S predpisom ([ je ) ( ) ([ ) na definirana polmera. Trditev: Za vsako polalgebro na je družina vseh končnih unij paroma disjunktnih elementov iz algebra na , ki vsebuje . Trditev: Naj bo polalgebra na , polmera na njej, pa algebra generirana z (ki po pr.trd. sestoji iz vseh končnih unij paroma disjunktnih elementov iz ). Potem je s predpisom ̃(⋃ ) ∑ ( paroma disjunktne) definirana mera na . LEBESGUE-STILTJESOVE MERE Naj bo (ne nujno strogo) naraščajoča z leve zvezna funkcija. Ker je monotona, obstajata v ̅ limiti: in . Na polalgebri definiramo funkcijo s predpisom ([ ) ( ) ([ ) . Trditev: Funkcija je polmera na . kot: ∫ prostor s pozitivno mero. Merljiva stopničasta funkcija je zapisana kanonično, če so [ paroma različne konstante, pa paroma disjunktne z unijo . Integral funkcije po definiramo ∑ . Dogovor: . Za karakteristično funkcijo merljive množice je torej ∫ . Lema: Če sta merljivi stopničasti na je ∫ . ∫ Lema: Za vsako merljivo stopničasto [ na je s predpisom definirana pozitivna mera na . ∫ Lema: Naj bosta [ merljivi stopničasti funkciji in 1. ∫ ∫ ∫ 2. ∫ . ∫ NENEGATIVNE MERLJIVE FUNKCIJE prostor z mero. Za vsako merljivo funkcijo množica vseh takih merljivih stopničastih funkcij [ [ [ ]. Velja: ] naj bo ], da je . Za vsako merljivo funkcijo [ ] naj bo ∫ . ∫ ∫ Če je stopničasta merljiva nenegativna funkcija, je ∫ za ∫ vsako zaradi monotonosti integrala stopničastih funkcij. Lema: Za vsaki merljivi funkciji z vrednostmi v [ ] je ∫ . ∫ Izrek (LMK): Naj bo naraščajoče zaporedje merljivih funkcij na z vrednostmi v [ ] in njihova limita po točkah. Potem je ∫ . ∫ Izrek: Za vsako zaporedje merljivih funkcij [ ] je ∫ ∑ ∑ ∫ . Lema: Za vsako merljivo [ ] je s predpisom ∫ definirana mera na . Za vsako merljivo [ ] je ∫ ∫ . ∫ Lema: Za in merljivo [ ] je ∫ . ∫ Lema (Fatou): Za vsako zaporedje merljivih funkcij [ ] je . ∫ ∫ Trditev: { } padajoče zaporedje nenegativnih merljivih funkcij z limito . , če je ∫ . ∫ ∫ KOMPLEKSNE MERLJIVE FUNKCIJE prostor s pozitivno mero. ̅ { }. ̅ merljiva funkcija, je merljiva tudi | |. ̅ je integrabilna, če je ‖ ‖ . ∫| | Množico vseh integrabilnih funkcij na označimo z . Za funkcije v , kjer je Lebesgueova mera na (ali ali njena zožitev na kako merljivo podmnožico) bomo rekli, da so Lebesgueovo integrabilne. ‖ ‖ je polnorma na , kar pomeni, da velja: ‖ ‖ ‖ ‖ ‖ za 1. ‖ | |‖ ‖ za 2. ‖ ‖ . ̅ (ali ̅ ) je skoraj povsod enaka glede na Merljiva funkcija mero , če ima množica točk, kjer je različna od , mero , torej če velja { } . Funkciji sta skoraj povsod enaki, če je skoraj povsod enaka glede na . Neka lastnost velja skoraj povsod na , če ima množica tistih točk , za katere ne velja, mero . Če je ̅: | | in | | . ̅ naj bo ∫ Za vsako merljivo funkcijo , če je ∫ ∫ vsaj eden od integralov na desni končen. Za vsako merljivo definirajmo ∫ . ∫ ∫ Trditev: Velja: 1. Integral je linearen funkcional na :∫ ∫ ∫ za . 2. Za vsaki merljivi iz sledi ∫ . ∫ | ∫| | . 3. Za vsako velja |∫ Izrek (LDK): { } zaporedje merljivih kompleksnih funkcij na , ki | konvergira s.p. po točkah k . Če obstaja , da je | za | skoraj vsak , potem je , torej tudi . ∫| ∫ ∫ Lema: { } tako zaporedje iz , da je ∑ ‖ ‖ , potem ∑ ∑ ∫ konvergira s.p. proti neki in ∫ . Izrek: je poln. Trditev: Za vsako konvergentno zaporedje { } v obstaja podzaporedje { }, ki konvergira proti s.p. POVEZAVA MED LEBESGUEOVIM IN RIEMANNOVIM INTEGRALOM NA ] Definicija Riemannovega integrala omejene funkcije [ . Za vsako particijo naj bo in . Spodnja in zgornja Riemannova ∑ ∑ vsota: in , kjer je . Če je supremum po vseh particijah spodnjih vsot enak infimumu zgornjih vsot, to vrednost imenujemo Riemannov integral in označimo z ∫ . ] Trditev: Omejena funkcija [ , ki je Riemannovo, je tudi Lebesgueovo integrabilna in ∫ STOPNIČASTE FUNKCIJE Naj bo ∑ Trditev: ∫| | Pozitivni in negativni del funkcije ∫[ Lebesgueove mere na [ ]. Trditev: Omejena funkcija [ skoraj povsod zvezna. , kjer ] ] pomeni , zožitev je Riemannovo integrabilna ko je KONVERGENCE SKORAJ POVSOD, SKORAJ ENAKOMERNO IN PO MERI Zaporedje merljivih kompleksnih funkcij na konvergira proti funkciji skoraj enakomerno, če za obstaja , da je in zaporedje funkcij | konvergira proti | enakomerno. Zaporedje funkcij je skoraj enakomerno Cauchyjevo, če za obstaja , da je in je zaporedje funkcij | enakomerno Cauchyjevo (tj. | | ). Trditev: Zaporedje merljivih funkcij { } je skoraj enakomerno konvergentno ko je skoraj enakomerno Cauchyjevo. Tedaj konvergira proti limitni funkciji s.p. Izrek (Jegorov): Naj bo merljiv prostor s končno mero . Če zaporedje merljivih funkcij konvergira proti skoraj povsod, potem konvergira proti skoraj enakomerno. Zaporedje kompleksnih merljivih funkcij na merljivem prostoru { | | konvergira po meri proti , če za velja: } . { Zaporedje je Cauchyjevo po meri, če za velja: } | | . Trditev: Če zaporedje merljivih funkcij { } konvergira proti skoraj enakomerno, potem konvergira tudi po meri. Posledica: prostor s končno mero. Če zaporedje merljivih funkcij konvergira s.p., potem konvergira tudi po meri. Zgled: Zaporedje Borelovih funkcij na konvergira proti povsod, vendar ne skoraj enakomerno, niti po meri. Trditev: Zaporedje merljivih funkcij je konvergentno po meri ko je Cauchyjevo po meri. Limita takega zaporedja je skoraj povsod enolično določena. Trditev: Za vsako po meri konvergentno zaporedje merljivih funkcij obstaja podzaporedje, ki konvergira s.p. Trditev: Če zaporedje konvergira proti po normi prostora, potem konvergira tudi po meri. Trditev: Če zaporedji merljivih funkcij konvegirata po meri proti in , potem zaporedje konvergira po meri proti . Če je mera končna, konvergira proti . Trditev: Če zaporedje nenegativnih merljivih funkcij konvergira proti po meri, je ∫ . ∫ PRODUKTNA MERA produktna -algebra, generirana z merljivimi pravokotniki , kjer . Trditev: Množica { } vseh merljivih pravokotnikov je polalgebra in s predpisom je definirana polmera na njej. Polmero iz trditve lahko enolično razširimo do mere na -algebri , če sta meri in končni, saj je tedaj tudi polmera -končna. Tako definirano mero na bomo imenovali produkt mer in označili z . Za vsako podmnožico in vsaka definiramo -prerez in -prerez kot { } in { }. ̅ (ali ̅ ) definiramo njena prereza kot Za vsako funkcijo in . Prereza sta funkciji na in . Velja: in . Trditev: Za vsako množico je in za vsaka . Prav tako sta za vsako merljivo (glede na -algebro ) funkcijo na funkciji in merljivi (zaporedoma glede na -algebro in ). Monoton razred na množici je družina podmnožic v , ki ima lastnosti: 1. za vsako naraščajoče zaporedje množic je tudi , ⋃ 2. za vsako padajoče zaporedje množic iz je tudi ⋂ . Lema: Če je algebra na , potem je monotoni razred generiran z tudi algebra, torej -algebra. Zato je enak -algebri, generirani z . Izrek: prostora s -končnima merama. Za vsako množico sta funkciji in merljivi in velja . ∫ ∫ Izrek: merljiva prostora s -končnima merama: 1. Tonelli: Za vsako merljivo funkcijo [ ] (merljivo glede na algebro ) sta funkciji (zaporedoma glede na -algebri ∫ in ∫ merljivi in ) in ∫ ) ) (*). ∫ (∫ ∫ (∫ 2. Fubini: Za vsako funkcijo je za -skoraj vsak , za -skoraj vsak , akoraj povsod definirani funkciji in sta zaporedoma v in in velja ∫ ∫ enakost (*). Enak zaključek velja tudi, če predpostavko nadomestimo s predpostavko, da je merljiva in vsaj eden od dvakratnih | | integralov ∫ (∫ | ) , ∫ (∫ | ) končen. Varianta Fubini-Tonelli-jevega izreka: polna prostora s končnima merama. Naj bo napolnitev prostora . Če je nenegativna merljiva (glede na -algebro ), potem sta funkciji in skoraj povsod merljivi (zaporedoma glede na -algebri in ), funkciji in sta merljivi in dvojni integral ∫ ∫ ∫ je enak obema ustreznima dvakratnima integraloma (kot v prejšnjem izreku). Enaki zaključki veljajo tudi v primeru, ko predpostavko, da je nenegativna merljiva, nadomestimo s predpostavko, da je ; v tem primeru sta funkciji in tudi skoraj povsod integrabilni, in pa integrabilni. ABSOLUTNA ZVEZNOST IN VZAJEMNA SINGULARNOST MER Naj bo pozitivna, pa kompleksna ali pozitivna mera na -algebri . Pravimo, da je absolutno zvezna glede na , če je za vsako , za katero je . To bomo zapisali kot . Lema: | | . Izrek: Naj bo kompleksna, pa pozitivna mera na -algebri . Potem je ko velja: za vsak obstaja , da za vsak iz | sledi | . Mera na -algebri je skoncentrirana na množici , če je za vsako . Meri in na sta vzajemno singularni, če sta skoncentrirani na disjunktnih podmnožicah. Vzajemno singularnost mer in bomo označili kot . Velja: Kompleksni meri in sta vzajemno singularni ko obstajata taki | | množici , da je in | | . POZITIVNI IN NEGATIVNI DEL REALNE MERE Naj bo realna mera na . Množica je -pozitivna, če je za vsako merljivo podmnožico . Podobno definiramo -negativne množice. Podmnožica je -ničelna, če je za vsako merljivo podmnožico . Velja: je -ničelna ko je hkrati -pozitivna in -negativna. Lema: Merljiva podmnožica -pozitivne množice je -pozitivna. Števna unija pozitivnih množic je -pozitivna. Podobno velja za -negativne in -ničelne množice. Izrek (Hahnov razcep realne mere): Za vsako realno mero na merljivem prostoru obstaja taka -pozitivna množica in -negativna množica , da je in . Ti dve množici sta -skoraj enolični: če je ̃ in ̃ kak drug tak par, sta ̃ in ̃ -ničelni množici. Izrek (Jordanov razcep realne mere): Za vsako realno mero na merljivem prostoru obstajata enolično določeni taki (končni) pozitivni meri in na , da je = in . | | za vsako realno mero . Iz Velja: sledi | | | | | |. Za vsako pozitivno mero je | | . Velja tudi | | | | | |. | | | | in . Velja: Za realno mero in pozitivno mero je ko je in . LEBESGUE-RADON-NIKODYMOV IZREK Za funkcijo je kompleksna mera absolutno zvezna ∫ glede na . Velja tudi obratno in vsako kompleksno mero lahko zapišemo kot vsoto dveh kompleksnih mer od katerih je ena absolutno zvezna, druga pa vzajemno singularna z . Izrek (lebesgue-Radon-Nikody): Naj bo kompleksna, pa pozitivna končna mera na merljivem prostoru . Obstajata enolično določeni kompleksni meri in , da je in . Za vsako glede na absolutno zvezno kompleksno mero obstaja natanko en , da je . ∫ Zapisu pravimo Lebesgueov razcep mere, funkcijo pa imenujemo Radon-Nikodymov odvod mere glede na in označimo z . Velja: VARIACIJA KOMPLEKSNE MERE V analizi velikokrat nastopajo mere, katerih vrednosti niso samo nenegativna realna števila, temveč kompleksna ali vektorji v kakem normiranem prostoru. Kompleksna mera na merljivem prostoru je števno aditivna preslikava ∑ . Števna aditivnost pomeni ⋃ za vsako zaporedje paroma disjunktnih množic v . Vrsta ∑ je absolutno konvergentna (vsota neodvisna od vrstnega reda členov). merljiv prostor s pozitivno mero . Za vsako funkcijo je s predpisom definirana kompleksna mera na . ∫ Trditev: Končno aditivna funkcija je kompleksna mera ko ima vsaj eno od lastnosti: 1. za vsako naraščajoče zaporedje množic je (⋃ ) , 2. za vsako padajoče zaporedje množic je (⋂ ) . Vsak zapis merljive množice kot unije zaporedja paroma ⋃ disjunktnih merljivih podmnožic bomo imenovali števen razcep množice . Naj bo kompleksna mera na -algebri . Funkcijo | | [ ], definirano ∑ | |, kjer supremum teče po vseh števnih s predpisom | | razcepih množice , imenujemo variacija mere . Velja: | | | | za vsak . Naj bosta merljivi množici. Če je števen razcep množice , potem ∑ | | je { } števen razcep množice , zato je ∑ | | | | | | . Lema: | | | | za vsaki merljivi množici . Izrek: Za vsako kompleksno mero na -algebri je | | pozitivna mera na . Za vsako kompleksno mero sta s predpisoma in definirani realni meri na (to je meri z vrednostmi v ). Imenujemo jih realni in imaginarni del mere . | | Velja: | | | |. Izrek: Variacija vsake kompleksne mere na vsakem merljivem prostoru je končna mera | | . in -končni pozitivni, . Potem je ∫ pa kompleksna mera na . ∫ . Predpostavimo
© Copyright 2024