收集一些课上的思考题以及部分书上练习题,已完结。

集合论

若有集列{An,n≥1},{Bn,n≥1},{Cn,n≥1}\{A_n,n\geq 1\},\{B_n,n\geq 1\},\{C_n,n\geq 1\}满足An=Bn+Cn,n≥1A_n=B_n+C_n,n\geq 1,那么有

lim‾⁡n→∞An=lim‾⁡n→∞Bn∪lim‾⁡n→∞Cn \varlimsup_{n\to\infty}A_n=\varlimsup_{n\to\infty}B_n\cup\varlimsup_{n\to\infty}C_n

直观理解:当x∈lim‾⁡n→∞An\displaystyle x\in\varlimsup_{n\to\infty}A_n,说明xx属于无穷多个AnA_n,
那么xx要么属于无穷多个BnB_n,要么属于无穷多个CnC_n(否则存在一个充分大的NN,使得x∉ANx\not\in A_N,矛盾)


注:如果改为下极限则结论不一定成立。实际上,

lim‾⁡n→∞An⊇lim‾⁡n→∞Bn∪lim‾⁡n→∞Cn \varliminf_{n\to\infty}A_n\supseteq\varliminf_{n\to\infty}B_n\cup\varliminf_{n\to\infty}C_n

(当然将右边的并改成交,等号就成立了)

若集列{An,n≥1}\{A_n,n\geq 1\}收敛且lim⁡n→∞An=⋃n=1∞An\displaystyle\lim_{n\to\infty}A_n=\bigcup_{n=1}^\infty A_n,那么{An,n≥1}\{A_n,n\geq 1\}单调不降。

反例:
令A1={1},A2={2},An={1,2}(n≥3)A_1=\{1\},A_2=\{2\},A_n=\{1,2\}(n\geq 3),则易得

lim‾⁡n→∞An=lim‾⁡n→∞An={1,2} \varliminf_{n\to\infty}A_n=\varlimsup_{n\to\infty}A_n=\{1,2\}

而A1⊈A2A_1\nsubseteq A_2,所以集列不是单调不降的。

同理,lim⁡n→∞An=⋂n=1∞An\displaystyle\lim_{n\to\infty}A_n=\bigcap_{n=1}^\infty A_n也无法推出{An,n≥1}\{A_n,n\geq 1\}单调不增。

设{An,n≥1}\{A_n,n\geq 1\}为任一集列,问下面等式是否成立?

(1)lim‾⁡n→∞An=(lim‾⁡n→∞A2n−1)∪(lim‾⁡n→∞A2n)(2)lim‾⁡n→∞An=(lim‾⁡n→∞A2n−1)∩(lim‾⁡n→∞A2n) \begin{aligned} (1)\quad \varlimsup_{n\to\infty}A_n=(\varlimsup_{n\to\infty}A_{2n-1})\cup(\varlimsup_{n\to\infty}A_{2n})\\ (2)\quad \varliminf_{n\to\infty}A_n=(\varliminf_{n\to\infty}A_{2n-1})\cap(\varliminf_{n\to\infty}A_{2n}) \end{aligned}
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均成立。直观理解:
(1)(1):当x∈lim‾⁡n→∞An\displaystyle x\in\varlimsup_{n\to\infty}A_n,则xx属于无穷多个AnA_n,那它一定属于无穷多个奇数项或无穷多个偶数项。
(2)(2):当x∈lim‾⁡n→∞An\displaystyle x\in\varliminf_{n\to\infty}A_n,则xx至多不属于有限个AnA_n,那它最终一定同时属于无穷个奇数项与无穷个偶数项。

证明:

χlim‾⁡n→∞An=lim‾⁡n→∞χAn,χlim‾⁡n→∞An=lim‾⁡n→∞χAn \chi_{\varlimsup_{n\to\infty}A_n}=\varlimsup_{n\to\infty}\chi_{A_n}, \chi_{\varliminf_{n\to\infty}A_n}=\varliminf_{n\to\infty}\chi_{A_n}

其中χA(x)\chi_A(x)表示AA的示性函数。

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证明:以第一个式子为例,
若χlim‾⁡n→∞An(x)=1\chi_{\varlimsup_{n\to\infty}A_n}(x)=1,说明xx属于无穷多个AnA_n,即χAn(x)=1\chi_{A_n}(x)=1对无穷个AnA_n均成立,所以lim‾⁡n→∞χAn=1\varlimsup_{n\to\infty}\chi_{A_n}=1。
(二者均为00情况同理)

这个等式将集列的上下极限与数列的上下极限联系在了一起。

设f(x)是定义在[0,1][0,1]上的实值函数,且存在常数MM,使得对于[0,1][0,1]中的任意有限个数x1,x2,⋯ ,xnx_1,x_2,\cdots,x_n,均有

∣f(x1)+f(x2)+⋯+f(xn)∣≤M |f(x_1)+f(x_2)+\cdots+f(x_n)|\leq M

证明集合E={x∈[0,1]:f(x)≠0}E=\{x\in[0,1]: f(x)\neq 0\}为可数集.

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证明:设集列En={x∈[0,1]:∣f(x)∣≥1n,n∈Z+}E_n=\{x\in[0,1]: |f(x)|\geq\frac{1}{n},n\in \Z^+\},则E=⋃n=1∞En\displaystyle E=\bigcup_{n=1}^\infty E_n。
设EE不是可数集,则一定存在n0∈Z+n_0\in\Z^+,使En0E_{n_0}为不可数集(否则可数个可数集的并仍然为可数集)。
即存在一个不可数集A⊂[0,1]A\subset[0,1],使得任意x∈A,∣f(x)∣>1n0x\in A,|f(x)|>\dfrac{1}{n_0}.
再设A=A++A−A=A^++A^-,其中

A+={x∈A:f(x)>1n0},A−={x∈A:f(x)<−1n0} A^+=\{x\in A:f(x)>\frac{1}{n_0}\},A^-=\{x\in A:f(x)< -\frac{1}{n_0}\}

那么A+A^+与A−A^-之中一定有一个不可数集,不妨设是A+A^+。那么就能从中取任意kk个不相同的数x1,x2,⋯ ,xkx_1,x_2,\cdots,x_k,有

∣f(x1)+f(x2)+⋯+f(xk)∣>kn0 |f(x_1)+f(x_2)+\cdots+f(x_k)|>\frac{k}{n_0}

而这里kk可以趋于无穷大,那么一定存在kk,使得kn0>M\frac{k}{n_0}>M,产生矛盾。
故原命题成立。

证明x∈A′x\in A'当且仅当对任意的ϵ>0\epsilon>0,(U(x,ϵ)∖{x})∩A≠∅(U(x,\epsilon)\setminus\{x\})\cap A\neq\varnothing.

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证明:
充分性:若x∈A′x\in A',则任意ϵ>0\epsilon>0,U(x,ϵ)U(x,\epsilon)包含AA的无穷多个点。所以(U(x,ϵ)∖{x})(U(x,\epsilon)\setminus\{x\})一定包含AA的无穷多个点(否则邻域只有AA的有限多个点),故与AA的交集一定非空。
必要性:
法1:若对任意的ϵ>0\epsilon>0,(U(x,ϵ)∖{x})∩A≠∅(U(x,\epsilon)\setminus\{x\})\cap A\neq\varnothing,
那么可以令ϵ=ϵ0\epsilon=\epsilon_0(任意值),并取x0∈(U(x,ϵ)∖{x})∩A≠∅x_0\in(U(x,\epsilon)\setminus\{x\})\cap A\neq\varnothing;
再令ϵ=min⁡(ϵ02,d(x0,x))\epsilon=\min\left(\dfrac{\epsilon_0}{2},d(x_0,x)\right),再取x1∈(U(x,ϵ)∖{x})∩Ax_1\in(U(x,\epsilon)\setminus\{x\})\cap A;
以此类推,可取出一个无穷点列{xn,n≥0}⊂A\{x_n,n\geq 0\}\subset A且均位于(U(x,ϵ)∖{x})∩A(U(x,\epsilon)\setminus\{x\})\cap A内,故x∈A′x\in A'.
法2(反证法):若∀ϵ>0\forall\epsilon>0,(U(x,ϵ)∖{x})∩A≠∅(U(x,\epsilon)\setminus\{x\})\cap A\neq\varnothing,且x∉A′x\not\in A',那么U(x,ϵ)∖{x}U(x,\epsilon)\setminus\{x\}只包含AA的有限个点,记为x1,x2,⋯ ,xkx_1,x_2,\cdots,x_k。
那么取ϵ′=12min⁡{d(x1,x),d(x2,x),⋯ ,d(xk,x)}\epsilon' =\dfrac{1}{2}\min\{d(x_1,x),d(x_2,x),\cdots,d(x_k,x)\},则(U(x,ϵ′)∖{x})∩A=∅(U(x,\epsilon')\setminus\{x\})\cap A=\varnothing,矛盾,故x∈A′x\in A'。

若AA为开集,A∘A^\circ为AA的内部,那么A∘A^\circ也是开集。

对于任意x∈A∘x\in A^\circ,满足存在ϵ>0\epsilon>0,使得U(x,ϵ)⊂AU(x,\epsilon)\subset A。
任意y∈U(x,ϵ)y\in U(x,\epsilon),令ϵy=min⁡{d(x,y)−ϵ−d(x,y)}\epsilon_y=\min\{d(x,y)-\epsilon-d(x,y)\},则U(y,ϵy)⊂U(x,ϵ)U(y,\epsilon_y)\subset U(x,\epsilon),所以U(y,ϵy)⊂AU(y,\epsilon_y)\subset A,y∈A∘y\in A^\circ.
所以U(x,ϵ)⊂A∘U(x,\epsilon)\subset A^\circ,A∘A^\circ为开集。

证明:
(1)GδG_{\delta}型集和FδF_{\delta}型集都是Borel集.
(2)GδG_{\delta}型集未必是开集,FδF_{\delta}型集未必是闭集.
(3)闭集一定是GδG_{\delta}型集,开集一定是FδF_{\delta}型集.

补充定义1:若E⊂RnE\subset\R^n是可列个开集的交集,则称EE为GδG_\delta型集;若EE是可列个闭集的并集,则称EE是FσF_\sigma型集。
补充定义2:由Rn\R^n所有开子集构成集类生成的σ−\sigma-代数记称为Borel−σ-\sigma代数(记为B\mathcal{B}),其元素称为Borel集。

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(1)证明:设GG为GδG_\delta型集,则G=⋂GiG=\bigcap G_i(GiG_i均为开集),那么Gi∈BG_i\in\mathcal{B}。而Borel集对可列交封闭,所以G∈BG\in\mathcal{B};
设FF为FσF_\sigma型集,则F=⋃FiF=\bigcup F_i(FiF_i均为闭集),那么Fic∈BF_i^c\in\mathcal{B}(因为FicF_i^c为开集),所以Fi∈BF_i\in\mathcal{B}(σ−\sigma-代数性质),进而F∈BF\in\mathcal{B}。
(2)反例:
GδG_\delta型集:G=⋂n=1∞Gn\displaystyle G=\bigcap_{n=1}^\infty G_n,其中Gn=(−1n,1n)G_n=\left(-\dfrac{1}{n},\dfrac{1}{n}\right),那么G={0}G=\{0\}不是开集;
FσF_\sigma型集:对上面的每个GnG_n取补集即可。(Gc=R∖{0}G^c=\R\setminus\{0\}不是闭集)
(3)设FF为闭集,令

Gk={x∈Rn:d(x,F)<1k} G_k=\{x\in\R^n:d(x,F)< \frac{1}{k}\}

则任意y∈Gky\in G_k,取

ϵy=min⁡{d(y,F),1k−d(y,F)} \epsilon_y=\min\{d(y,F),\frac{1}{k}-d(y,F)\}

则U(y,ϵy)⊂GkU(y,\epsilon_y)\subset G_k,yy属于GkG_k内部,即GkG_k为开集;
下面证F=⋂GkF=\bigcap G_k:
因为任意z∈Fz\in F,z∈⋂Gkz\in\bigcap G_k,而任意w∉Fw\not\in F,总存在k0∈Nk_0\in N使d(w,F)≥1k0d(w,F)\geq\frac{1}{k_0},即w∉Gk0⇒w∉⋂Gkw\not\in G_{k_0}\Rightarrow w\not\in\bigcap G_k。所以F=⋂GkF=\bigcap G_k。
综上,FF属于GδG_\delta型集。(同理可证开集属于FσF_\sigma型集,只需要FF和⋂Gk\bigcap G_k取补集即可)

设f(x)f(x)是定义在Rn\mathbb{R}^n上的实值函数,证明f∈C(Rn)f \in\mathcal{C}(\mathbb{R}^n)(即ff是连续函数)当且仅当对任意的常数aa,集合{x:f(x)≤a}\{x : f(x) \leq a\}和{x:f(x)≥a}\{x : f(x) \geq a\}都是闭集。

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  1. 充分性
    若ff是连续函数,则存在一个点列{xn;n≥1}⊂{x:f(x)≤a}\{x_n;n\geq 1\}\subset\{x:f(x)\leq a\},且lim⁡n→∞xn=x\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=x,则有f(x)=lim⁡n→∞f(xn)≤a\displaystyle f(x)=\lim_{n\to\infty}f(x_n)\leq a,即x∈{x:f(x)≤a}x\in\{x:f(x)\leq a\},故{x:f(x)≤a}\{x:f(x)\leq a\}是闭集;同理{f(x)≥a}={x:−f(x)≤−a}\{f(x)\geq a\}=\{x:-f(x)\leq -a\}也是闭集。
  2. 必要性
    若ff不是连续函数,则存在x0∈R1x_0\in\R^1,ϵ0>0\epsilon_0>0,使任意δ>0\delta>0,∣x−x0∣<δ|x-x_0|< \delta时,∣f(x)−f(x0)∣≥ϵ0|f(x)-f(x_0)|\geq\epsilon_0。
    于是存在一点列{xn;n≥1},lim⁡n→∞xn=x0\{x_n;n\geq 1\},\displaystyle\lim_{n\to\infty}x_n=x_0,且f(xn)≥f(x0)+ϵ0f(x_n)\geq f(x_0)+\epsilon_0或f(xn)≤f(x0)−ϵ0f(x_n)\leq f(x_0)-\epsilon_0。又由任意aa,集合{x:f(x)≤a}\{x : f(x) \leq a\}和{x:f(x)≥a}\{x : f(x) \geq a\}都是闭集,所以x0∈{x:f(x)≥f(x0)+ϵ0}x_0\in\{x:f(x)\geq f(x_0)+\epsilon_0\}或x0∈{x:f(x)≤f(x0)−ϵ0}x_0\in\{x:f(x)\leq f(x_0)-\epsilon_0\},均矛盾。所以f(x)f(x)在x0x_0处连续,进而ff为连续函数。

证明:设ff是定义在Rn\R^n上的实值函数,则f∈C(Rn)f\in\mathcal{C}(\R^n)当且仅当对任意的G∈O(R1),f−1(G)∈O(Rn)G\in\mathcal{O}(\R^1),f^{-1}(G)\in\mathcal{O}(\R^n).

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  1. 充分性
    即证当ff为Rn\R^n上连续函数时,对任意R1\R^1上开集GG,f−1(G)f^{-1}(G)为开集。
    对任意x∈f−1(G)x\in f^{-1}(G),f(x)∈Gf(x)\in G,所以存在ϵ>0\epsilon>0,使(f(x)−ϵ,f(x)+ϵ)⊂G(f(x)-\epsilon,f(x)+\epsilon)\subset G。又由ff的连续性,存在δ>0\delta>0,使∣y−x∣<δ|y-x|< \delta时,f(y)∈(f(x)−ϵ,f(x)+ϵ)f(y)\in(f(x)-\epsilon,f(x)+\epsilon),所以f(y)∈Gf(y)\in G,y∈f−1(G)y\in f^{-1}(G)。
    因此U(x,δ)⊂f−1(G)U(x,\delta)\subset f^{-1}(G),f−1(G)f^{-1}(G)为开集。
  2. 必要性
    即证当任意R1\R^1上开集GG,f−1(G)f^{-1}(G)为开集,则ff为Rn\R^n上连续函数。
    对任意x∈Rnx\in\R^n,任意ϵ>0\epsilon>0,令G=(f(x)−ϵ,f(x)+ϵ)G=(f(x)-\epsilon,f(x)+\epsilon),则f(x)∈Gf(x)\in G,x∈f−1(G)x\in f^{-1}(G)。又因为f−1(G)f^{-1}(G)为开集,所以存在δ>0\delta>0,使任意y∈U(x,δ)y\in U(x,\delta),有y∈f−1(G)y\in f^{-1}(G),即f(y)∈Gf(y)\in G。
    所以∣f(y)−f(x)∣<ϵ|f(y)-f(x)|< \epsilon,ff在Rn\R^n上连续。

另一种证明(利用上一题的结论):

  1. 必要性
    取G=(a,+∞)G=(a,+\infty)(aa为任意常数),则有f−1(G)={x:f(x)>a}f^{-1}(G)=\{x:f(x)>a\}是开集,即{x:f(x)≤a}\{x:f(x)\leq a\}是闭集;同理取G=(−∞,a)G=(-\infty,a),可得{x:f(x)≥a}\{x:f(x)\geq a\}是闭集。由上题的必要性,可得ff是连续函数。
  2. 充分性
    由上题的充分性可得,{x:f(x)>a}\{x:f(x)>a\}和{x:f(x)<a}\{x:f(x)< a\}都是开集,所以取任意开区间(a,b)(a,b),有
{x:f(x)∈(a,b)}={x:f(x)>a}∩{x:f(x)<b}∈O(Rn) \{x:f(x)\in(a,b)\}=\{x:f(x)>a\}\cap\{x:f(x)< b\}\in\mathcal{O}(\R^n)

即f−1((a,b))∈O(Rn)f^{-1}((a,b))\in\mathcal{O}(\R^n)。又由开集构造定理,任意开集GG,有G=⋃k(ak,bk)\displaystyle G=\bigcup_k(a_k,b_k),故

f−1(G)=f−1(⋃k(ak,bk))=⋃kf−1((ak,bk))∈O(Rn). f^{-1}(G)=f^{-1}\left(\bigcup_k(a_k,b_k)\right)=\bigcup_k f^{-1}((a_k,b_k))\in\mathcal{O}(\R^n).

设f(x)f(x)是定义在R1\R^1上的实值函数,证明ff的连续点集为GδG_\delta型集.

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证明:构造GδG_\delta型集⋂Gn\bigcap G_n,其中Gn={x:∣f(x1)−f(x2)∣<1n,x1,x2∈(x−δx,x+δx)}G_n=\{x: |f(x_1)-f(x_2)|< \dfrac{1}{n},x_1,x_2\in(x-\delta_x,x+\delta_x)\},下面分两步证明:

  1. ff的连续点集为⋂Gn\bigcap G_n。设ff在xx处连续,则任意ϵ>0\epsilon>0,存在δx>0\delta_x>0使∣y−x∣<δx,∣f(y)−f(x)∣<ϵ|y-x|< \delta_x,|f(y)-f(x)|< \epsilon。那么任意y,z∈(x−δx,x+δx),∣f(y)−f(z)∣≤∣f(y)−f(x)∣+∣f(z)−f(x)∣<2ϵy,z\in(x-\delta_x,x+\delta_x),|f(y)-f(z)|\leq |f(y)-f(x)|+|f(z)-f(x)|< 2\epsilon。
    令1n=2ϵ\frac{1}{n}=2\epsilon,则x∈Gnx\in G_n对所有nn均成立,即x∈⋂Gnx\in\bigcap G_n;
  2. GnG_n为开集。任意x∈Gnx\in G_n,取y∈U(x,δx2)y\in U(x,\frac{\delta_x}{2}),并令δy=min⁡{y−(x−δx2),(x+δx2)−y}\delta_y=\min\{y-(x-\frac{\delta_x}{2}),(x+\frac{\delta_x}{2})-y\},则U(y,δy)⊂U(x,δx2)∈U(x,δx)U(y,\delta_y)\subset U(x,\frac{\delta_x}{2})\in U(x,\delta_x)。
    所以有y∈Gny\in G_n,即GnG_n为开集。
    综上,命题得证。

可测集

(1)设A,B⊂RnA,B\subset\R^n,且m∗(A),m∗(B)<∞m^*(A),m^*(B)< \infty,证明∣m∗(A)−m∗(B)∣≤m∗(A△B)|m^*(A)-m^*(B)|\leq m^*(A\triangle B).
(2)设A,B,C⊂RnA,B,C\subset\R^n,且m∗(A△B)=m∗(B△C)=0m^*(A\triangle B)=m^*(B\triangle C)=0,证明m∗(A△C)=0m^*(A\triangle C)=0.

A△BA\triangle B表示AA和BB的对称差((A∖B)∪(B∖A)(A\setminus B)\cup(B\setminus A))
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(1)证明:因为

m∗(A)≤m∗((A△B)∪B)≤m∗(A△B)+m∗(B) m^*(A)\leq m^*((A\triangle B)\cup B)\leq m^*(A\triangle B)+m^*(B)

同理m∗(B)≤m∗(A△B)+m∗(A)m^*(B)\leq m^*(A\triangle B)+m^*(A),又由m∗(A),m∗(B)<∞m^*(A),m^*(B)< \infty,因此∣m∗(A)−m∗(B)∣≤m∗(A△B)|m^*(A)-m^*(B)|\leq m^*(A\triangle B).
(2)证明:因为

0=m∗(A△B)+m∗(B△C)≥m∗((A△B)∪(B△C))=m∗((A∪B∪C)∖(A∩B∩C))≥m∗(A△C) 0=m^*(A\triangle B)+m^*(B\triangle C)\geq m^*((A\triangle B)\cup(B\triangle C))=m^*((A\cup B\cup C)\setminus(A\cap B\cap C))\geq m^*(A\triangle C)

所以m∗(A△C)=0m^*(A\triangle C)=0.

设{En,n≥1}\{E_n, n \geq 1\}是Rn\mathbb{R}^n中的可测集列,若

m(⋃n=1∞En)<∞, m\left( \bigcup_{n=1}^{\infty} E_n \right) < \infty,

证明

m(lim‾⁡n→∞En)≥lim‾⁡n→∞m(En). m\left( \varlimsup_{n \to \infty} E_n \right) \geq \varlimsup_{n \to \infty} m(E_n).
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证明:设⋃k=n∞Ek=An\displaystyle\bigcup_{k=n}^\infty E_k=A_n,则An∈MA_n\in\mathcal{M}且En⊂AnE_n\subset A_n,所以m(En)≤m(An)m(E_n)\leq m(A_n)。又因为{An,n≥1}\{A_n,n\geq 1\}单调不增,所以{An}\{A_n\}收敛,进而lim‾⁡n→∞m(En)≤lim‾⁡n→∞m(An)\displaystyle\varlimsup_{n\to\infty}m(E_n)\leq\varlimsup_{n\to\infty}m(A_n);
又由{An,n≥1}\{A_n,n\geq 1\}的上连续性,

m(lim‾⁡n→∞En)=m(⋂n=1∞An)=m(lim⁡n→∞An)=m(lim‾⁡n→∞An) m\left(\varlimsup_{n\to\infty}E_n\right)=m\left(\bigcap_{n=1}^\infty A_n\right)=m\left(\lim_{n\to\infty}A_n\right)=m\left(\varlimsup_{n\to\infty}A_n\right)

综上,m(lim‾⁡n→∞En)≥lim‾⁡n→∞m(En).\displaystyle m\left( \varlimsup_{n \to \infty} E_n \right) \geq \varlimsup_{n \to \infty} m(E_n).

设E⊂RnE\subset\R^n,证明存在GδG_\delta型集GG,使得G⊃EG\supset E,且m∗(G)=m∗(E)m^*(G)=m^*(E).

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证明:
若m∗(E)=∞m^*(E)=\infty,则取G=RnG=\R^n,则GG为GδG_\delta型集且G⊃E,m∗(G)=∞=m∗(E).G\supset E,m^*(G)=\infty=m^*(E).
当m∗(E)<∞m^*(E)< \infty,对任意正整数jj,存在EE的一个LL-覆盖{Ij,k,k≥1}\{I_{j,k},k\geq 1\},满足

∑k=1∞∣Ij,k∣<m∗(E)+1j \displaystyle\sum_{k=1}^\infty|I_{j,k}|< m^*(E)+\frac{1}{j}

令Aj=⋃k=1∞Ij,k\displaystyle A_j=\bigcup_{k=1}^\infty I_{j,k},则AjA_j为开集且

Aj⊃E,m∗(Aj)≤∑k=1∞∣Ij,k∣<m∗(E)+1j A_j\supset E,\quad m^*(A_j)\leq\sum_{k=1}^\infty|I_{j,k}|< m^*(E)+\frac{1}{j}

再令G=⋂j=1∞Aj\displaystyle G=\bigcap_{j=1}^\infty A_j,则GG为GδG_\delta型集且E⊂GE\subset G,另有

m∗(E)≤m∗(G)≤m∗(Aj)<m∗(E)+1j,∀j≥1 m^*(E)\leq m^*(G)\leq m^*(A_j)< m^*(E)+\frac{1}{j},\quad \forall j\geq 1

令j→∞j\to\infty,则m∗(G)=m∗(E)m^*(G)=m^*(E).

证明E∈ME\in\mathcal{M}当且仅当对任意的ϵ>0\epsilon>0,存在开集G1,G2G_1,G_2,使得G1⊃E,G2⊃EcG_1\supset E,G_2\supset E^c且m(G1∩G2)<ϵm(G_1\cap G_2)< \epsilon.

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必要性:因为E∈ME\in\mathcal{M},所以任意ϵ>0\epsilon>0,存在开集GG与闭集FF满足F⊂E⊂GF\subset E\subset G,且m(G∖E)<ϵ2,m(E∖F)<ϵ2m(G\setminus E)< \dfrac{\epsilon}{2},m(E\setminus F)< \dfrac{\epsilon}{2}。令G1=G,G2=FcG_1=G,G_2=F^c,则

m(G1∩G2)≤m(G∖E)+m(Fc∖Ec)=m(G∖E)+m(E∖F)≤ϵ m(G_1\cap G_2)\leq m(G\setminus E)+m(F^c\setminus E^c)=m(G\setminus E)+m(E\setminus F)\leq\epsilon

充分性:由条件得任意正整数kk,存在G1k⊃E,G2k⊃EcG_{1k}\supset E,G_{2k}\supset E^c,满足m∗(G1k∖E)≤m(G1k∩G2k)<1km^*(G_{1k}\setminus E)\leq m(G_{1k}\cap G_{2k})< \dfrac{1}{k}.
令G∗=⋂k=1∞G1k\displaystyle G^*=\bigcap_{k=1}^\infty G_{1k},则G∗G^*为GδG_{\delta}型集,G∗⊃EG^*\supset E且

m∗(G∗∖E)≤m∗(G1k∖E)<1k→0,k→∞ m^*(G^*\setminus E)\leq m^*(G_{1k}\setminus E)< \frac{1}{k}\to 0,\quad k\to\infty

所以m∗(G∗∖E)=0m^*(G^*\setminus E)=0,即G∗∖E∈MG^*\setminus E\in\mathcal{M}。又因为G∗∈MG^*\in\mathcal{M},所以E=G∗∖(G∗∖E)∈ME=G^*\setminus(G^*\setminus E)\in\mathcal{M}.

可测函数

设ff是定义在Rn\mathbb{R}^n上的实值函数,则f∈M(Rn)f \in \mathcal{M}(\mathbb{R}^n)当且仅当对任意的G∈O(R1)G \in \mathcal{O}(\mathbb{R}^1),f−1(G)∈Mf^{-1}(G)\in \mathcal{M}。

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必要性显然:对任意t∈R1t\in\R^1,取G=(t,∞)∈O(R1)G=(t,\infty)\in\mathcal{O}(\R^1),则有{x∈R1:f(x)>t}=f−1(G)∈M\{x\in\R^1:f(x)>t\}=f^{-1}(G)\in\mathcal{M},所以f∈M(Rn)f\in\mathcal{M}(\R^n)。
充分性:
如果f∈M(Rn)f \in \mathcal{M}(\mathbb{R}^n),那么∀s,t∈R1\forall s,t\in\R^1,s<ts< t,有

{x∈Rn:s<f(x)<t}={x∈R1:f(x)<t}∩{x∈Rn:f(x)>s}∈M \{x\in\R^n:s< f(x)< t\}=\{x\in\R^1:f(x)< t\}\cap\{x\in\R^n:f(x)>s\}\in\mathcal{M}

因此f−1(s,t)∈Mf^{-1}(s,t)\in\mathcal{M}。又由开集构造定理,任意G∈O(R1)G \in \mathcal{O}(\mathbb{R}^1),有G=⋃k=1∞(ak,bk)\displaystyle G=\bigcup_{k=1}^\infty(a_k,b_k),所以

f−1(G)=f−1(⋃k=1∞(ak,bk))=⋃k=1∞f−1((ak,bk))∈M. f^{-1}(G)=f^{-1}\left(\bigcup_{k=1}^\infty(a_k,b_k)\right)=\bigcup_{k=1}^\infty f^{-1}\left((a_k,b_k)\right)\in\mathcal{M}.

设m(E)<∞m(E) < \infty,对任意的n≥1n \geq 1,fn∈M(E)f_n \in \mathcal{M}(E),且fn→a.e.ff_n \xrightarrow{a.e.} f。证明存在一列可测集Ek⊂EE_k \subset E,k≥1k \geq 1,使得
m(E∖⋃k=1∞Ek)=0\displaystyle m\left( E \setminus \bigcup_{k=1}^{\infty} E_k \right) = 0,且{fn,n≥1}\{f_n, n \geq 1\}在每个EkE_k上一致收敛到ff。

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证明:因为m(E)<∞m(E) < \infty,fn→a.e.ff_n \xrightarrow{a.e.} f,所以由Egorov定理,fn→a.un.ff_n \xrightarrow{a.un.} f,即对任意k≥1k\geq 1,存在可测集Fk⊂EF_k\subset E,使m(Fk)≤1km(F_k)\leq\dfrac{1}{k},且{fn,n≥1}\{f_n, n \geq 1\}在E∖FkE\setminus F_k上一致收敛到ff。
那么令Ek=E∖FkE_k=E\setminus F_k,则EkE_k为可测集且

E∖⋃k=1∞Ek=E∖⋃k=1∞(E∖Fk)=⋂k=1∞Fk. E \setminus \bigcup_{k=1}^{\infty} E_k =E \setminus \bigcup_{k=1}^{\infty} (E\setminus F_k)=\bigcap_{k=1}^{\infty}F_k.

又m(⋂k=1∞Fk)<m(Fk)≤1k\displaystyle m\left(\bigcap_{k=1}^{\infty}F_k\right)< m(F_k)\leq\frac{1}{k},故令k→∞k\to\infty得m(⋂k=1∞Fk)=0\displaystyle m\left(\bigcap_{k=1}^{\infty}F_k\right)=0,故命题得证。

利用Riesz定理证明:设函数f,g,fn,gn(n≥1)f, g, f_n, g_n (n \geq 1)都是EE上的可测函数,m(E)<∞m(E) < \infty且fn→mf,gn→mgf_n \xrightarrow{m} f,g_n \xrightarrow{m} g,则fngn→mfgf_n g_n \xrightarrow{m} f g。

Riesz 定理:设在EE上fn→mff_n \xrightarrow{m} f,则存在子列{fnk,k≥1}\{f_{n_k}, k \geq 1\}使得fnk→a.e.ff_{n_k} \xrightarrow{a.e.} f成立。

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证明:若结论不成立,则存在一个子列{fnkgnk}\{f_{n_k}g_{n_k}\},存在ϵ0>0,δ0>0\epsilon_0>0,\delta_0>0,使对任意kk,

m({∣fnkgnk−fg∣>ϵ0})≥δ0. m(\{|f_{n_k}g_{n_k}-fg|>\epsilon_0\})\geq\delta_0.

而又因为fn→mf,gn→mgf_n \xrightarrow{m} f,g_n \xrightarrow{m} g,由Riesz定理,存在子列{fnkj}\{f_{n_{k_j}}\}使fnkj→a.e.ff_{n_{k_j}}\xrightarrow{a.e.}f;
同理,因为gnkj→mgg_{n_{k_j}}\xrightarrow{m}g,所以存在子列{gnkjl}\{g_{n_{k_{j_l}}}\},使gnkjl→a.e.gg_{n_{k_{j_l}}}\xrightarrow{a.e.}g。
于是f,gf,g取相同指标子列{fnkjlgnkjl}\{f_{n_{k_{j_l}}}g_{n_{k_{j_l}}}\},有fnkjlgnkjl→a.e.fgf_{n_{k_{j_l}}}g_{n_{k_{j_l}}}\xrightarrow{a.e.}fg,于是由Lebesgue定理,fnkjlgnkjl→mfgf_{n_{k_{j_l}}}g_{n_{k_{j_l}}}\xrightarrow{m}fg,故

m(∣fnkjlgnkjl−fg∣≥ϵ0)→0 m(|f_{n_{k_{j_l}}}g_{n_{k_{j_l}}}-fg|\geq\epsilon_0)\to 0

矛盾。故原命题成立。

设ff为定义在E⊂RnE \subset \mathbb{R}^n上的广义实值函数,对任意的δ>0\delta > 0,存在闭子集F⊂EF \subset E,使得m(E∖F)<δm(E\setminus F) < \delta,ff在FF上连续,证明f∈M(E)f \in\mathcal{M}(E)。

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此题即为Lusin定理的逆命题。

证明:由条件可知,对任意n≥1n\geq 1,存在闭子集Fn⊂EF_n\subset E,使m(E∖Fn)<1nm(E\setminus F_n)< \dfrac{1}{n},且ff在FnF_n上连续。由上面的集合论第10题(对应书上练习1.20)可知,对任意t∈Rt\in\R,{x∈Fn:f(x)>t}\{x\in F_n:f(x)>t\}为开集,所以为可测集。
记F=⋃n=1∞Fn\displaystyle F=\bigcup_{n=1}^\infty F_n,那么{x∈F:f(x)>t}=⋃n=1∞{x∈Fn:f(x)>t}\displaystyle\{x\in F:f(x)>t\}=\bigcup_{n=1}^\infty\{x\in F_n:f(x)>t\}为开集(可测集)。
另外m(E∖F)=m(E∖⋃n=1∞Fn)=0\displaystyle m(E\setminus F)=m\left(E\setminus\bigcup_{n=1}^\infty F_n\right)=0,所以{x∈E∖F:f(x)>t}\{x\in E\setminus F:f(x)>t\}必为可测集。于是{x∈E:f(x)>t}={x∈F:f(x)>t}∪{x∈E∖F:f(x)>t}\{x\in E:f(x)>t\}=\{x\in F:f(x)>t\}\cup\{x\in E\setminus F:f(x)>t\}为可测集,故f∈M(E)f\in\mathcal{M}(E)。

证明:设ff为R1\mathbb{R}^1上的单调函数,则f∈M(R1)f \in \mathcal{M}(\mathbb{R}^1)。

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对任意实数tt,记集合At≔{x∈R1:f(x)>t}A_t\coloneqq\{x\in\R^1:f(x)>t\},则AtA_t可能为空集(如t=π,f(x)=arctan⁡xt=\pi,f(x)=\arctan x),属于可测集。
当At≠∅A_t\neq\varnothing,则任意x∈Atx\in A_t,有t<f(x)t< f(x),那么任意y>xy>x,有f(y)≥f(x)>tf(y)\geq f(x)>t,故[x,∞)⊂At[x,\infty)\subset A_t,即AtA_t为区间,属于可测集。
综上,AtA_t一定是可测集,故f∈M(R1)f\in\mathcal{M}(\R^1)。

可积函数

设ff是定义在[0,1][0,1]上的单调不降的函数,证明对任意E⊂[0,1],m(E)=tE \subset [0,1],m(E) = t,有

∫[0,t]f(x)dx≤∫Ef(x)dx. \int_{[0,t]} f(x)\mathrm{d}x \leq \int_E f(x)\mathrm{d}x.
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证明:因为

[0,t]=[0,t]∩E+[0,t]∩([0,1]∖E),E=[0,t]∩E+(t,1]∩E. [0, t] = [0, t] \cap E + [0, t] \cap ([0, 1] \setminus E), \quad E = [0, t] \cap E + (t, 1] \cap E.

所以m([0,t]∩([0,1]∖E))=m((t,1]∩E)m([0, t] \cap ([0, 1] \setminus E)) = m((t, 1] \cap E) ,且

∫Ef=∫[0,t]∩Ef+∫(t,1]∩Ef≥∫[0,t]∩Ef+f(t)m((t,1]∩E)=∫[0,t]∩Ef+f(t)m([0,t]∩([0,1]∖E))≥∫[0,t]∩Ef+∫[0,t]∩([0,1]∖E)f=∫[0,t]f. \begin{aligned} \int_E f &= \int_{[0, t] \cap E} f + \int_{(t, 1] \cap E} f \geq \int_{[0, t] \cap E} f + f(t)m((t, 1] \cap E)\\ &= \int_{[0, t] \cap E} f + f(t)m([0, t] \cap ([0, 1] \setminus E))\\ &\geq \int_{[0, t] \cap E} f + \int_{[0, t] \cap ([0, 1] \setminus E)} f = \int_{[0, t]} f. \end{aligned}

说实话这道题我感觉没怎么考查可积函数的知识,主要是集合与测度的等式构造。

设{fn,n≥1}⊂M+(E),fn⟶mf\{f_n,n\geq 1\}\subset\mathcal{M}^+(E),f_n\stackrel{m}{\longrightarrow}f,证明∫Ef≤lim‾⁡n→∞∫Efn\displaystyle\int_E f\leq \varliminf_{n\to\infty}\int_E f_n。

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证明:由下极限的定义,存在子列{fnk}\{f_{n_k}\}使得

lim⁡k→∞∫Efnk=lim‾⁡n→∞∫Efn. \lim_{k\to\infty} \int_E f_{n_k} = \varliminf_{n\to\infty} \int_E f_n .

又因为fnk⟶mff_{n_k}\stackrel{m}{\longrightarrow}f,所以由Risez定理,存在子列{fnkj}\{f_{n_{k_j}}\}使得fnkj⟶a.e.ff_{n_{k_j}}\stackrel{a.e.}{\longrightarrow}f。又因为{fnkj}⊂M+(E)\{f_{n_{k_j}}\}\subset\mathcal{M}^+(E),所以由Fatou引理,

∫Ef≤lim‾⁡j→∞∫Efnkj=lim⁡k→∞∫Efnk=lim‾⁡n→∞∫Efn. \int_E f\leq \varliminf_{j\to\infty}\int_E f_{n_{k_j}}=\lim_{k\to\infty} \int_E f_{n_k}=\varliminf_{n\to\infty} \int_E f_n.

设f(x,y)∈L([0,1]×[0,1])f(x, y) \in \mathcal{L}([0, 1] \times [0, 1]),证明

∫01(∫0yf(x,y)dx)dy=∫01(∫x1f(x,y)dy)dx. \int_0^1 \left( \int_0^y f(x, y)\mathrm{d}x \right)\mathrm{d}y = \int_0^1 \left( \int_x^1 f(x, y)\mathrm{d}y \right)\mathrm{d}x.
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令D={(x,y):x≤y}D = \{(x, y) : x \leq y\},由f(x,y)∈L([0,1]×[0,1])f(x, y) \in \mathcal{L}([0, 1] \times [0, 1])及∣f⋅χD∣≤∣f∣|f \cdot \chi_D| \leq |f|知,f(x,y)χD(x,y)∈L([0,1]×[0,1])f(x, y)\chi_D(x, y) \in \mathcal{L}([0, 1] \times [0, 1])。由 Fubini 定理知

∫01(∫01f(x,y)χD(x,y)dx)dy=∫01(∫01f(x,y)χD(x,y)dy)dx, \int_0^1 \left( \int_0^1 f(x, y)\chi_D(x, y) \mathrm{d}x \right)\mathrm{d}y = \int_0^1 \left( \int_0^1 f(x, y)\chi_D(x, y) \mathrm{d}y \right)\mathrm{d}x,

即

∫01(∫0yf(x,y)dx)dy=∫01(∫x1f(x,y)dy)dx. \int_0^1 \left( \int_0^y f(x, y)\mathrm{d}x \right)\mathrm{d}y = \int_0^1 \left( \int_x^1 f(x, y) \mathrm{d}y \right)\mathrm{d}x.

微分与积分

设f∈BV[0,a]f \in\mathcal{BV}[0, a],

F(x)={1x∫0xf(t)dt,0<x≤a,0,x=0. F(x) = \begin{cases} \displaystyle\frac{1}{x} \int_0^x f(t) \mathrm{d}t, & 0 < x \leq a, \\[10pt] 0, & x = 0. \end{cases}

证明:F∈BV[0,a]F \in\mathcal{BV}[0, a].

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证明:因为f∈BV[0,a]f \in\mathcal{BV}[0, a],所以由Jordan定理,存在两个单调不减函数φ\varphi和ψ\psi,使得f=φ−ψf=\varphi-\psi。记

Φ(x)=1x∫0xφ(t)dt,Ψ(x)=1x∫0xψ(t)dt \Phi(x)=\frac{1}{x}\int_0^x\varphi(t)\mathrm{d}t,\Psi(x)=\frac{1}{x}\int_0^x\psi(t)\mathrm{d}t

下面证明Φ(x)\Phi(x)在[0,a][0,a]上单调不减。对任意0<x<y0 < x < y,由φ\varphi的单调性知

∫xyφ(t)dt≥(y−x)φ(x)≥(y−x)1x∫0xφ(t)dt=(y−x)Φ(x). \int_x^y \varphi(t)\mathrm{d}t \geq (y - x) \varphi(x) \geq (y - x) \frac{1}{x} \int_0^x \varphi(t)\mathrm{d}t = (y - x) \Phi(x).

又因为∫0xφ(t)dt=xΦ(x)\displaystyle \int_0^x \varphi(t)\mathrm{d}t=x\Phi(x),于是

yΦ(y)=∫0yφ(t)dt=∫0xφ(t)dt+∫xyφ(t)dt≥xΦ(x)+(y−x)Φ(x)=yΦ(x), y \Phi(y) = \int_0^y \varphi(t)\mathrm{d}t = \int_0^x \varphi(t)\mathrm{d}t + \int_x^y \varphi(t)\mathrm{d}t \geq x \Phi(x) + (y - x) \Phi(x) = y \Phi(x),

故Φ(y)≥Φ(x)\Phi(y)\geq\Phi(x),Φ(x)\Phi(x)在[0,a][0,a]上单调不减。同理Ψ(x)\Psi(x)在[0,a][0,a]上单调不减。于是由Jordan定理,F=Φ−Ψ∈BV[0,a]F=\Phi-\Psi\in\mathcal{BV}[0,a]。

设ff为[a,b][a, b]上的单调不减函数,且∫abf′(x)dx=f(b)−f(a)\displaystyle\int_a^b f'(x) \mathrm{d}x = f(b) - f(a),证明f∈AC[a,b]f \in\mathcal{AC}[a, b]。

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根据微积分基本定理,只需证ff满足牛顿-莱布尼茨公式∫axf′(t)dt=f(x)−f(a)\displaystyle\int_a^xf'(t)\mathrm{d}t=f(x)-f(a)。
因为ff在[a,b][a, b]上的单调不减,故由单调函数可微性定理,f′∈L[a,b]f'\in\mathcal{L}[a,b]且∫abf′(x)dx≤f(b)−f(a)<∞\displaystyle\int_a^b f'(x) \mathrm{d}x \leq f(b) - f(a)< \infty;
再构造函数F(x)=∫axf′(t)dt−(f(x)−f(a))\displaystyle F(x)=\int_a^xf'(t)\mathrm{d}t-(f(x)-f(a)),则对任意x,yx,y满足a≤x<y≤ba\leq x< y\leq b时,

F(y)−F(x)=∫xyf′(t)dt−(f(y)−f(x))≤f(y)−f(x)−(f(y)−f(x))=0 F(y)-F(x)=\int_x^yf'(t)\mathrm{d}t-(f(y)-f(x))\leq f(y)-f(x)-(f(y)-f(x))=0

又由条件得F(a)=F(b)=0F(a)=F(b)=0,因此F≡0F\equiv 0,故ff满足牛顿-莱布尼茨公式,f∈AC[a,b]f \in\mathcal{AC}[a, b]。

设ff在[a,b][a, b]上可微,f′∈R[a,b]f' \in \mathcal{R}[a, b],证明⋁ab(f)=∫ab∣f′(x)∣dx.\displaystyle\bigvee_a^b(f)=\int_a^b |f'(x)| \mathrm{d}x.

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一方面,对任意的a≤x<y≤ba \leq x < y \leq b,有

∣f(y)−f(x)∣=∣∫xyf′(t)dt∣≤∫xy∣f′(t)∣dt. |f(y) - f(x)| = \left| \int_x^y f'(t) \mathrm{d}t \right| \leq \int_x^y |f'(t)| \mathrm{d}t.

于是,对[a,b][a, b]上的任意分割PP,Vf(P)≤∫ab∣f′(t)∣dt\displaystyle V_f(P) \leq \int_a^b |f'(t)| \mathrm{d}t成立,从而f∈BV[a,b]f \in\mathcal{BV}[a, b]且

⋁ab(f)≤∫ab∣f′(x)∣dx. \bigvee_{a}^{b}(f) \leq \int_a^b |f'(x)| \mathrm{d}x.

另一方面,对[a,b][a, b]的任意分割P:a=x0<x1<⋯<xn=bP : a = x_0 < x_1 < \dots < x_n = b,

⋁ab(f)≥Vf(P)=∑i=1n∣f(xi)−f(xi−1)∣=∑i=1n∣f′(ξi)∣∣xi−xi−1∣, \bigvee_{a}^{b}(f) \geq V_f(P) = \sum_{i=1}^{n} |f(x_i) - f(x_{i-1})| = \sum_{i=1}^{n} |f'(\xi_i)| |x_i - x_{i-1}|,

其中最后一个等号由 Riemann 积分中的微分中值定理得到。
于是又由f′∈R[a,b]f' \in \mathcal{R}[a, b]及 Riemann 积分中的积分中值定理,

∫ab∣f′(x)∣dx=lim⁡∥P∥→0∑i=1n∣f′(ξi)∣∣xi−xi−1∣≤⋁ab(f). \int_a^b |f'(x)| \mathrm{d}x = \lim_{\|P\| \to 0} \sum_{i=1}^n |f'(\xi_i)| |x_i - x_{i-1}| \leq \bigvee_{a}^{b}(f).

综上,命题得证。