(image)

Teoria miary i całki

3.3 Różniczkowanie miar

W tym podrozdziale będziemy zawsze zakładali, że \(\mu \) i \(\nu \) są miarami nieujemnymi określonymi na przestrzeni mierzalnej \((X,\frak M)\).

  • Obserwacja 3.3.1 Jeżeli \(f\in \mathcal M^+(X,\frak M)\), to miara \(\nu \) zadana wzorem

    \[ \nu (A)=\int _Af\,d\mu , \ A\in \frak M \]

    spełnia warunek

    \begin{equation} \label {w12} \mu (A)=0 \Rightarrow \nu (A)=0. \end{equation}

Dowód. Z Twierdzenia 2.1.32 wiemy, że \(\nu \) jest miarą. Jeżeli \(f\in \mathcal M^+(X,\frak M)\), to istnieje ciąg funkcji prostych mierzalnych \(f_n\nearrow f\), \(f_n=\sum _{j=1}^{k(n)}a_j^n\chi _{A_j^n}\). Jeżeli \(A\in \frak M\), \(\mu (A)=0\), to

\[ \nu (A)=\int _Af\,d\mu =\lim _{n\to \infty }\int _Af_n\,d\mu =\lim _{n\to \infty }\sum _{j=1}^{k(n)}a_j^n\mu (A_j^n\cap A)=0. \]



Naszym celem jest udowodnienie twierdzenia odwrotnego do Obserwacji 3.3.1, czyli do znalezienia charakteryzacji wszystkich miar spełniających warunek (3.3.1).

  • Definicja 3.3.2

    • 1. Mówimy, że miara \(\nu \) jest absolutnie ciągła względem miary \(\mu \), (piszemy \(\nu <<\mu \)), gdy

      \[ \forall \, A\in \frak M: \mu (A)=0 \Rightarrow \nu (A)=0. \]

    • 2. Mówimy, że miara \(\mu \) jest skupiona na zbiorze \(A\in \frak M\), gdy

      \[ \forall \, B\in \frak M: \mu (B)=\mu (A\cap B). \]

    • 3. Mówimy, że miara \(\nu \) jest osobliwa względem miary \(\mu \) (piszemy \(\nu \bot \mu \)), gdy istnieją zbiory \(A,B\in \frak M\), \(A\cap B=\emptyset \) takie, że \(\mu \) jest skupiona na \(A\) i \(\nu \) jest skupiona na \(B\).

    • 4. Jeżeli miary \(\mu \) i \(\nu \) są związane wzorem \(\nu (A)=\int _Af\,d\mu \), dla \(A\in \frak M\), to funkcję
      \(f\in \mathcal M^+(X,\frak M)\) nazywamy gęstością miary \(\nu \) względem miary \(\mu \) lub pochodną Radona5–Nikodyma6 i piszemy \(\nu =f\mu (d\nu =fd\mu )\) lub \(f=\frac {d\nu }{d\mu }\).

  • Obserwacja 3.3.3 Niech \(\mu \), \(\nu \), \(\nu _1\), \(\nu _2\) będą miarami na \((X,\frak M)\). Wtedy

    • 1. \(\nu \bot \mu \) wtedy i tylko wtedy, gdy istnieje zbiór \(C\in \frak M\) taki, że \(\mu (C)=0\) i \(\nu (C’)=0\);

    • 2. jeżeli \(\nu \bot \mu \), to \(\mu \bot \nu \);

    • 3. jeżeli \(\nu _1\bot \mu \) i \(\nu _2\bot \mu \), to \((\nu _1+\nu _2)\bot \mu \);

    • 4. jeżeli \(\nu _1<< \mu \) i \(\nu _2<< \mu \), to \((\nu _1+\nu _2)<< \mu \);

    • 5. jeżeli \(\nu _1<< \mu \) i \(\nu _2\bot \mu \), to \(\nu _1\bot \nu _2\);

    • 6. jeżeli \(\nu << \mu \) i \(\nu \bot \mu \), to \(\nu =0\).

Dowód. Punkt \((1)\). Jeżeli istnieje zbiór \(C\in \frak M\) taki, że \(\mu (C)=0\) i \(\nu (C’)=0\), to \(\mu \) jest skupiona na \(C’\) i \(\nu \) jest skupiona na \(C\). I odwrotnie gdy istnieją zbiory \(A,B\in \frak M\), \(A\cap B=\emptyset \) takie, że \(\mu \) jest skupiona na \(A\) i \(\nu \) jest skupiona na \(B\), to można przyjąć \(C=B\).

Punkt \((2)\) wynika z symetrii warunku z punktu (1).

Punkt \((3)\). Załóżmy, że istnieją zbiory \(A,B\in \frak M\): \(\mu (A)=0\), \(\nu _1(A’)=0\) i \(\mu (B)=0\),
\(\nu _2(B’)=0\). Niech \(C=A\cup B\) wtedy mamy \(\mu (C)=\mu (A\cup B)\leq \mu (A)+\mu (B)=0\) oraz \(C’=A’\cap B’\) i wtedy \(\nu _1(C’)+\nu _2(C’)\leq \nu _1(A’)+\nu _2(B’)=0\), czyli \((\nu _1+\nu _2)\bot \mu \).

Punkt \((4)\). Jeżeli \(A\in \frak M\) jest taki, że \(\mu (A)=0\), \(\nu _1(A)=0\) i \(\nu _2(A)=0\), to wtedy \(\nu _1(A)+\nu _2(A)=0\), czyli \((\nu _1+\nu _2)<< \mu \).

Punkt \((5)\). Jeżeli istnieje zbiór \(C\in \frak M\) taki, że \(\mu (C)=0\) i \(\nu _2(C’)=0\) i wtedy \(\nu _1(C)=0\), czyli \(\nu _1\bot \nu _2\).

Punkt \((6)\). Z punktu (5) wynika, że \(\nu \bot \nu \), a wtedy to \(\nu =0\).



  • Ćwiczenie 3.3.4 Mamy \(\Le ^1|_{[0,1]}\bot \Le ^1|_{[2,3]}\) oraz \(\Le ^1\bot \delta _0\).

  • Twierdzenie 3.3.5 Załóżmy, że miary \(\mu \), \(\lambda \) są miarami \(\sigma \)-skończonymi.

    • 1. (Rozkład Lebesgue’a) Istnieje dokładnie jedna para miar \(\lambda _a\) i \(\lambda _o\) taka, że

      \[ \lambda =\lambda _a+\lambda _o, \ \lambda _a<<\mu , \ \lambda _o\bot \mu . \]

    • 2. (Twierdzenie Radona-Nikodyma) Istnieje dokładnie jedna funkcja \(f\in \mathcal M^+(X,\mu )\) (z dokładnością \(\mu \)-p.w.) taka, że

      \[ \forall \, E\in \frak M: \lambda _a(E)=\int _Ef\,d\mu . \]

      Ponadto, jeżeli \(\lambda (X)<+\infty \), to \(f\in L^1(X,\mu )\).

Zanim podamy dowód Twierdzenia 3.3.5 przypomnimy kilka faktów dotyczących przestrzeni Hilberta7.

  • Uwaga 3.3.6 Niech \((X,\frak M,\mu )\) będzie przestrzenią mierzalną z miarą. Zdefiniujmy normę

    \[ ||f||_2:=\left (\int _X|f|^2\,d\mu \right )^{\frac 12}, \]

    przestrzeń

    \[ L^2(X,\mu ):=\{f\in \mathcal M(X): ||f||_2<+\infty \} \]

    i relację równoważności w tej przestrzeni

    \[ f\sim g \iff f=g \ \mu -\text {p.w.} \]

    Wtedy \(L^2(X,\mu )/{\sim }\) jest przestrzenią wektorową oznaczaną również przez \(L^2(X,\mu )\).

    Przestrzeń \(L^2(X,\mu )\) jest przestrzenią Hilberta z iloczynem skalarnym

    \[ \langle f,g\rangle =\int _{X}fg\,d\mu . \]

    W dowolnej przestrzeni Hilberta z iloczynem skalarnym \(\langle \cdot ,\cdot \rangle \) zachodzi

    • • nierówność Schwarza8: dla dowolnych \(x,y\in H\) mamy

      \[ |\langle x,y\rangle |\leq ||x||||y||, \ \text {gdzie} \ ||x||=\sqrt {\langle x,x\rangle }. \]

    • • twierdzenie Riesza9: dla dowolnego ciągłego funkcjonału liniowego10 \(L\) na \(H\) istnieje dokładnie jeden \(y\in H\) taki, że

      \[ L(x)=\langle x,y\rangle . \]

Teraz udowodnimy Twierdzenie 3.3.5.

Dowód.(von Neumanna11)

Jednoznaczność rozkładu Lebesgue’a.

Niech \(\lambda =\lambda _a+\lambda _o=\lambda _a’+\lambda _o’\), wtedy \(\lambda _a-\lambda _a’=\lambda _s’-\lambda _s\) oraz

\[ \lambda _a-\lambda _a’<<\mu \ \text {i} \ \lambda _o’-\lambda _o\bot \mu , \]

czyli z Obserwacji 3.3.3 mamy \(\lambda _a-\lambda _a’=\lambda _o’-\lambda _o=0\).

Istnienie rozkładu i pochodnej Radona–Nikodyma.

I. Załóżmy na początek, że miary \(\mu \) i \(\lambda \) są skończone.

Niech \(\varphi =\mu +\lambda \) będzie miarą dodatnią. Zauważmy, że

\[ \int _Xf\,d\varphi =\int _Xf\,d\lambda +\int _Xf\,d\mu , \]

co można łatwo sprawdzić najpierw dla \(f=\chi _E\), potem dla \(f\in \mathcal M^+_0\) i w końcu dla \(f\in \mathcal M^+\). Jeżeli funkcja \(f\in L^2(X,\varphi )\), to z nierówności Schwarza otrzymujemy

\[ \left |\int _Xf\,d\lambda \right |\leq \int _X|f|\,d\lambda \leq \int _X|f|\,d\varphi \leq \left (\int _X|f|^2\,d\varphi \right )^{\frac 12}\left (\varphi (X)\right )^{\frac 12}. \]

Ponieważ \(\varphi (X)<+\infty \), to odwzorowanie

\[ f\mapsto \int _Xf\,d\lambda \]

jest funkcjonałem ciągłym na \(L^2(X,\varphi )\). Zatem z twierdzenia Riesza istnieje dokładnie jedna funkcja \(g\in L^2(X,\varphi )\) (\(g\) jest określona \(\varphi \)-p.w.) taka, że

\begin{equation} \label {w14} \forall \, f\in L^2(X,\varphi ): \, \int _Xf\,d\lambda =\int _Xfg\,d\varphi . \end{equation}

Dla \(E\in \frak M\), \(\varphi (E)>0\) i \(f=\chi _E\) mamy z równości (3.3.2)

\[ \lambda (E)=\int _Xf\,d\lambda =\int _Eg\,d\varphi , \]

a więc

\[ 0\leq \frac {1}{\varphi (E)}\int _Eg\,d\varphi \leq \frac {1}{\lambda (E)}\int _Eg\,d\varphi =1. \]

Stąd wnioskujemy, że \(g(x)\in [0,1]\) dla \(\varphi \)-p.w. \(x\in X\). Aby to wykazać weźmy odcinek \((a-r,a+r)\subset \R \setminus [0,1]\). Wystarczy pokazać, że \(\varphi (E)=0\), gdzie \(E=g^{-1}((a-r,a+r))\). Gdyby \(\varphi (E)>0\), to

\[ \left |\frac {1}{\varphi (E)}\int _Eg\,d\varphi -a \right |=\frac {1}{\varphi (E)}\left |\int _E(g-a)\,d\varphi \right |\leq \frac {1}{\varphi (E)}\int _E|g-a|\,d\varphi \leq \frac {1}{\varphi (E)}\int _Er\,d\varphi =r, \]

czyli \(\frac {1}{\varphi (E)}\int _Eg\,d\varphi \notin [0,1]\). Możemy teraz poprawić funkcję \(g\) na zbiorze miary zero tak, aby otrzymać

\[ \forall \, x\in [0,1]: 0\leq g(x)\leq 1. \]

Równość (3.3.2) możemy napisać w postaci

\[ \forall \, f\in L^2(X,\varphi ): \, \int _Xf\,d\lambda =\int _Xfg\,d\varphi =\int _Xfg\,d\mu +\int _Xfg\,d\lambda , \]

czyli

\begin{equation} \label {w15} \forall \, f\in L^2(X,\varphi ): \, \int _X(1-g)f\,d\lambda =\int _Xfg\,d\mu . \end{equation}

Zdefiniujmy zbiory

\[ A:=\{x\in X: 0\leq g(x)<1\} \ \text {oraz} \ B:=\{x\in X: g(x)=1\}, \]

a wtedy mamy

\[ \forall \, E\in \frak M: \lambda _a(E):=\lambda (A\cap E) \ \text {oraz} \ \lambda _o(E):=\lambda (B\cap E). \]

Biorąc \(f=\chi _B\) w równości (3.3.3) mamy

\[ 0=\int _B(1-g)\,d\lambda =\int _X(1-g)\chi _B\,d\lambda =\int _Xg\chi _B\,d\mu =\int _X\chi _B\,d\mu =\mu (B), \]

czyli \(\mu (B)=0\), a więc \(\lambda _o\bot \mu \).

Ponieważ funkcja \(g\) jest ograniczona, to do równości (3.3.3) można podstawić funkcję \(f=(1+g+\dots +g^n)\chi _E\), gdzie \(n\in \N \), \(E\in \frak M\). Wtedy otrzymujemy

\begin{equation} \label {w16} \int _E(1-g^{n+1})\,d\lambda =\int _Eg(1+g+\dots +g^n)\,d\mu . \end{equation}

Dla \(x\in B\) mamy \(g(x)=1\) i wtedy \(1-g(x)^{n+1}=0\) oraz dla \(x\in A\) mamy \(g^{n+1}(x)\nearrow 0\), \(n\to \infty \). Zatem przy \(n\to \infty \) dostajemy

\[ \int _E(1-g^{n+1})\,d\lambda =\int _{E\cap B}(1-g^{n+1})\,d\lambda +\int _{E\cap A}(1-g^{n+1})\,d\lambda \to \int _{E\cap A}1\,d\lambda =\lambda (E\cap A)=\lambda _a(E). \]

Ponadto \(g(1+g+\dots +g^n)\nearrow \frac {g}{1-g}=h\in \mathcal M^+(X)\) (\(h=+\infty \) na zbiorze miary zero \(B\)). Z twierdzenia o zbieżności monotonicznej mamy

\[ \int _Eg(1+g+\dots +g^n)\,d\mu \to \int _Eh\,d\mu , \ n\to \infty , \]

czyli

\[ \lambda _a(E)=\int _Eh\,d\mu . \]

Biorąc \(E=X\) mamy

\[ +\infty > \lambda _a(X)=\int _Xh\,d\mu \]

czyli \(h\in L^1(X,\mu )\) i \(\lambda _a<<\mu \).

II. Załóżmy, że \(\mu \) jest \(\sigma \)-skończona i \(\lambda \) jest skończona.

Wtedy istnieją zbiory rozłączne mierzalne \(X_n\) takie, że \(\mu (X_n)<+\infty \) i \(X=\bigcup _{n=1}^{\infty }X_n\). Stosujemy punkt I do miar na zbiorze \(X_n\). Dostajemy rozkład miar \(\lambda (E\cap X_n)\), które w sumie dają rozkład miary \(\lambda \). Otrzymujemy również funkcje \(h_n\) na \(X_n\), które definiują funkcję \(h\) na \(X\) (\(x\in X_n\) to \(h(x)=h_n(x)\)). Ponieważ \(\lambda (X)<+\infty \), \(h\in L^1(X,\mu )\).

III. Załóżmy, że miary \(\mu \) i \(\lambda \) są \(\sigma \)-skończone.

Powtarzamy rozumowanie z punktu II. Wtedy tylko funkcja \(h\) nie musi być całkowalna.

Jednoznaczność pochodnej Radona–Nikodyma.

Załóżmy, że istnieją dwie funkcje \(h_1\) i \(h_2\) takie, że

\[ \forall \,E\in \frak M: \ \lambda _a(E)=\int _Eh_1\,d\mu =\int _Eh_2\,d\mu . \]

Jeżeli \(\lambda \) jest skończona, to \(h_1,h_2\in L^1(X,\mu )\) i wtedy

\[ \forall \,E\in \frak M: \ \int _E(h_1-h_2)\,d\mu =0, \]

czyli \(h_1=h_2\) \(\mu \)-p.w.

Jeżeli \(\lambda \) jest \(\sigma \)-skończona, to wtedy dla dowolnego \(n\in \N \) mamy \(h_1=h_2\) \(\mu \)-p.w. na zbiorze \(X_n\), z czego wynika, że \(h_1=h_2\) \(\mu \)-p.w.



Twierdzenie Radona–Nikodyma nie jest prawdziwe dla miar, które nie są \(\sigma \)-skończone.

  • Przykład 3.3.7 Niech \(\mu \) będzie miarą liczącą na \(\R \). Wtedy mamy \(\Le ^1<<\mu \), ale nie istnieje funkcja \(f\) taka, że \(\Le ^1=f\,\mu \). Dla dowodu nie wprost przypuśćmy, że taka funkcja istnieje. Wtedy można znaleźć \(x\in \R \) taki, że \(f(x)>0\) i otrzymać

    \[ 0<f(x)=f(x)\mu (\{x\})=\int _{\{x\}}f\,d\mu =\Le ^1(\{x\})=0. \]

5 Johann Karl August Radon (1887-1956) – austriacki matematyk.

6 Otto Marcin Nikodym (1887-1974) – polski matematyk.

7 David Hilbert (1862-1943) – niemiecki matematyk.

8 Karl Hermann Amandus Schwarz (1843-1921) – matematyk niemiecki.

9 Frigyes Riesz (1880-1956) – węgierski matematyk.

10 tzn. \(L:H\to \R \) jest liniowe i istnieje \(C>0\) takie, że dla dowolnego \(x\in H\) mamy \(||L(x)||\leq C||x||\).

11 John von Neumann (1903-1957) – węgierski matematyk.