4.2勒贝格积分的极限定理

第8讲勒贝格控制收敛定理及应用一、勒贝格控制收敛定理问题 ()d ()d (lim l d im ).b b bk k a a a k k f x x f x x f x x →∞→∞==⎰⎰⎰ lim ()(),k k f x f x →∞=若能否推出极限运算与积分运算只有在很强的条件下(一致 收敛)才能交换二者次序——黎曼积分的局限性定理 (勒贝格控制收敛定理)1){(},n k k f x E ∞=⊆是上的可测函数列设若注 定理中控制函数的可积性是必不可少的.(2) ,, ()(),() a.e. ,()k k f x F x x E F x E ∈≤∈存在使得对任意的(),()(),k f x f x E ∈则且(1) lim ()(),a.e. .k k f x f x x E →∞=∈lim ()d ()d .k E E k f x x f x x →∞=⎰⎰[0,),E =+∞设考虑反例 函数序列[0,]1, [0,]()(),1,2,0, k k x k f x x k x kχ∈⎧===⎨>⎩{}()(),()1,a.e. ,k f x F x F x E ≥控制的函数必须{}()()1,k f x E f x ≡显然在上处处收敛于()F x E L 则在上不是可积的.()f x E L 在上也不可积的.k y x O推论1 (勒贝格有界收敛定理)注 推论1中的条件(3)不能缺少.0,(),a.e. ,(2) k M f x M x E >≤∈存在常数 控制函数的可积性 (3) ().m E <+∞ 1){(},n k k f x E ∞=⊆是上的可测函数列设若(1) lim ()(),a.e. .k k f x f x x E →∞=∈(),()(),k f x f x E ∈则且lim ()d ()d .k E E k f x x f x x →∞=⎰⎰推论2 (逐项积分)1()()(1,2,), ()d ,i i E i u x E i u x x ∞=∈=<+∞∑⎰ 且设有则1(1)();i i u x E ∞=∑ 在上几乎处 处收敛 (2)()(),f x E ∈其和函数且1()d .i i E u x x ∞==∑⎰1()()d d E E i i x u x f x x ∞=⎡⎤=⎢⎥⎣⎦⎰⎰∑例1 分析 [0,1],lim ()0,n n x f x →∞∈=则对有[]0,1,x ∈当时由于[]0,111sup |()0|sin12n n n x f x f n β∈⎛⎫=-≥= ⎪⎝⎭0,→二、应用举例1220lim()sin d .1n nx R nx x n x →∞+⎰求极限先积分后求极限实难进行, 故需交换次序.解 22()sin ,[0,1]1n nx f x nx x n x=∈+令 ()0,[0,1].n f x x →∈即[]{()}0,1.n f x ⇒在上不一致收敛00.10.20.30.40.50.60.70.80.91-0.2-0.100.10.20.30.40.5x (10 x/(1+100 x 2)) sin(10 x)22()sin ,[0,1]1n nx f x nx x n x =∈+1n =2n =3n =非一致收敛的几何直观验证勒贝格控制收敛定理221()(),[0,1].122n nx nx f x F x x n x nx ∆≤≤==∈+注意到 由R 积分和L 积分的关系, 以及勒贝格控制收敛定理有22[0,1]lim ()sin d 1n nx L nx x n x →∞=+⎰22[0,1]()sin d 1lim n nx L nx x n x →∞⎛⎫= ⎪+⎝⎭⎰[0,1]()0d 0.L x ==⎰1220lim()sin d 1n nx R nx x n x →∞+⎰求函数列积分的极限问题1) 若利用R 积分理论来求, 则需验证函数列在积分区间[a , b ]上的一致收敛性.则利用R 积分与L 积分的关系, 以及勒贝格控制收敛定理.[,]()([,]),()([,]),()()d ()()d .b a b a f x a b f x a b L f x x R f x x ∈∈=⎰⎰若则且 2) 若函数列在区间上不一致收敛, R 积分理论失效亦是如此，直接利用逐项积分性质毋庸置疑。

勒贝格逐项积分定理是数学分析领域的重要定理之一，它为我们理解积分与极限之间的关系提供了重要的理论基础。

在本文中，我将对勒贝格逐项积分定理进行深入探讨，并尝试给出其证明，同时还会结合勒贝格控制收敛定理进行分析。

我将从基本概念出发，逐步展开讨论，帮助读者充分理解这一重要定理。

1. 勒贝格积分的概念在开始探讨勒贝格逐项积分定理之前，我们首先需要了解勒贝格积分的基本概念。

勒贝格积分是对变量在某个区间上的函数进行积分的一种方法，与黎曼积分不同的是，勒贝格积分对函数的可积性有更加严格的要求。

这种积分方法在处理一些特殊的函数和收敛性问题时具有重要的应用价值。

2. 逐项积分的概念在研究级数的收敛性时，我们常常会接触到逐项积分的概念。

逐项积分是将级数中的每一项进行单独的积分，然后再考察这些积分的收敛性。

逐项积分在分析级数的收敛性和积分之间的关系时起着重要的作用，而勒贝格逐项积分定理正是对逐项积分的一个重要的推广和应用。

3. 勒贝格逐项积分定理的表述勒贝格逐项积分定理是关于逐项积分和函数极限交换次序的定理。

它指出，如果级数在某个区间上逐项积分后收敛，那么这个逐项积分所得的函数的极限与原级数在该区间上的逐项积分所得的函数的极限是相同的。

这个定理在分析级数的逐项积分和函数极限的关系时起着至关重要的作用。

4. 勒贝格逐项积分定理的证明为了证明勒贝格逐项积分定理，我们需要结合勒贝格控制收敛定理来进行分析。

勒贝格控制收敛定理是判别逐项积分收敛的重要定理，它为我们提供了一种有效的方法来判断逐项积分的收敛性。

通过对级数的逐项积分进行适当的控制，我们可以得到逐项积分的收敛性，从而进一步推导出勒贝格逐项积分定理。

5. 个人观点与理解在我看来，勒贝格逐项积分定理是数学分析领域中的一个重要定理，它揭示了级数逐项积分和函数极限之间的深刻关系。

通过对该定理的深入理解，我们不仅可以更加深刻地理解级数的收敛性和逐项积分的性质，还可以为解决一些实际问题提供重要的理论支持。

lebesgue积分的几个充要条件Lebesgue分是一种实用的数学概念，它用于衡量定义在某一特定函数上的极限。

它于1902年由法国数学家H. 依拉克莱(Henri Lebesgue)提出，是现代分析学中最基础而又最重要的定义之一。

它被广泛用于各种不同的数学问题，如求解偏微分方程、研究随机过程、处理信号等等。

Lebesgue分的几个充要条件是：（1）长性：函数的积分和总面积大于等于0，即积分函数f(x)，其面积I=∫af(x)dx≥0；（2）均值定理：当f(x)为连续函数时，即积分函数f(x)，其面积I=∫af(x)dx既可以计算函数的积分，又可以计算函数的平均值，即有I=∫a[f(x)]dx=f(x)dx/n；（3）许使用分段/离散函数，一般情况下，可以用离散函数替代连续函数来计算积分，即可以用一个小的窗口，以一定的步长来计算离散函数的积分，而不需要使用连续函数；（4）法性质：即函数的积分可以分解为多个积分，并可以结合得到最后的总积分，即有I=∫af(x)dx=∑∫af1(x)dx+∫af2(x)dx+……+∫afn(x)dx；（5）盖定理：函数的积分可以用来表示定义域[a,b]的面积，也可以用来表示图像下面的积分面积，即有I=∫af(x)dx=∫bak(x)dx，其中k(x)为图像下面的函数；（6）换性质：函数积分的顺序是可以换的，即有I=∫af(x)dx=∫bf(b-x)dx；（7）线性性质：函数积分与系数相乘是线性关系，即有I=∫af(x)dx=c∫af(x)dx，其中c∈R。

Lebesgue分有很多种应用，它可以用来测量一个连续函数的极限界限，也可以用来计算多变量的函数的积分。

它也被广泛应用于函数分析、统计信号处理、最优化、概率和复变函数等领域，用来研究复杂的数学结构。

例如，可以用它来计算多元函数的导数、研究随机过程，解决最优化问题，研究复杂的微积分函数结构等等。

虽然Lebesgue分有一些明确的充要条件，但它们在实际应用中也不是绝对的。

勒贝格积分学习内容本章的中心内容是建立一种新的积分−− 勒贝格积分理论。

它也是实变函数数论研究的中心内容。

一、关于勒贝格积分的建立本章首先引入测度有限点集上有界函数的积分，这是全章的基础，建立有界函数的积分时应注意两点：一是黎曼积分意义下的积分区间，现已被一般点集所代替；二是分划的小区间长度，现已被点集的测度所代替。

一般集合上一般函数的积分是通过两步完成的。

第一步是建立非负函数的积分。

它是通过非负函数表示为有界函数列的极限、把无穷测度集合表示为测度有限集列的极限来完成的。

第二步是建立一般函数的积分，它是将其分解两个非负函数(正部与负部)的差的办法来完成的。

二、勒贝格积分的性质勒贝格积分的性质主要反映在以下几个方面：(1)勒贝格积分是一种绝对收敛积分，即)(x f 在E 上可积当且仅当)(x f 在E 上可积()(x f 在E 上可测)，这是它与黎曼积分重要区别之一。

(2)勒贝格积分的绝对连续性，设)(x f 在E 上可积，则对任意0>ε，存在0>δ，使当E e ⊂且 δ<e m 时，恒有ε<⎰ex x f d )( (3)勒贝格积分的唯一性．即0d )(=⎰E x x f 的充要条件是..0)(e a x f =于E ．由此可知，若)(x f 与)(x g 几乎相等，则它们的可积性与积分值均相同。

(4)可积函数可用连续函数积分逼近，设)(x f 是可积函数，对任意0>ε，存在],[b a 上的连续函数)(x ϕ，使εϕ<-⎰],[d )()(b a x x x f此外尚有许多与黎曼积分类似的性质，如线性性、单调性、介值性等，望同学们自己总结、比较三、关于积分极限定理积分极限定理是本章的重要内容，这是由于积分号下取极限和逐项积分，无论在理论上还是应用上都有着十分重要的意义，其中勒贝格控制收敛定理(定理5.4.1)，列维渐升函数列积分定理(定理5.4.2)和法都定理(定理5.4.4)在现代数学中都有广泛的应用。

勒贝格微分定理勒贝格微分定理是1870年由德国数学家威廉勒贝格(WilhelmLebesgue)提出的定理，其定义了一个函数在某一区域上的无穷累积和以及在该区域上一阶导数的关系。

作为统计学中最基本的定理，它改变了人们对函数的理解，开拓了对函数的分析，并且被广泛应用于非线性运筹学、概率计量、偏微分方程等领域，因而被誉为20世纪数学史上最重要的定理之一。

一、定理的定义勒贝格微分定理的定义如下：设R为实数域上的某一区域，若函数f(x)在R上可导，则$$int_{a}^{b} f(x)dx=f(b)-f(a)$$其中，a，b均为R上的点。

二、证明一般情况下，函数f(x)在R上一定是连续函数，并且可导，则根据微积分中对连续函数求积分定理可得：$$int_{a}^{b} f(x)dx=F(b)-F(a)$$其中F(x)=f(x)，F(x)为f(x)的反函数。

令F(x)=F(x)-F(x)，即有$$int_{a}^{b} f(x)dx=f(x)-f(x)$$又因为f(x)在R上可导，则f(x)也是连续函数，根据上式可得 $$int_{a}^{b} f(x)dx=f(b)-f(a)$$三、应用勒贝格微分定理被广泛应用于非线性运筹学、概率计量、偏微分方程等领域。

在非线性运筹学中，通过该定理可求解一些复杂的极值问题；在概率计量中，它可用来推导期望值、方差等基本概念；在偏微分方程中，可应用它来求解一些椭圆型偏微分方程的解等等。

四、总结勒贝格微分定理是20世纪数学史上最重要的定理之一，它改变了人们对函数的理解，开拓了对函数的分析，并被广泛的应用到各个领域，如非线性运筹学、概率计量、偏微分方程等。

它的定义是：设R为实数域上的某一区域，若函数f(x)在R上可导，则$$int_{a}^{b} f(x)dx=f(b)-f(a)$$其中，a，b均为R上的点。

勒贝格积分的性质与应用摘要：在函数勒贝格积分存在的条件下，对勒贝格积分的性质进行思考和证明，将勒贝格积分性质进行扩展和进一步的研究。

同时，对勒贝格积分性质的应用进行整理，突出勒贝格积分的优点，从而对勒贝格积分性质和应用形成更加清晰的认识，促进与积分性质相关问题的解决，提高应用实变函数理论分析问题与解决实际问题的能力。

关键词：勒贝格积分性质应用0.引言黎曼积分的出现，使得一大类在牛顿积分意义下或柯西积分意义下不可积的函数进行积分变成了可能,从而使得常见的积分问题基本上都能得到完满的解决,但黎曼可积的函数主要的还是连续函数,或者说不连续点不太多的函数[1]。

针对Riemann积分中存在的缺陷,法国数学家勒贝格成功的引入了一种新的积分,即Lebesgue积分。

勒贝格积分是实变函数论的中心内容，积分理论建立在勒贝格测度论的基础上，是黎曼积分理论的升华，它不仅包含了黎曼积分理论的成果，而且很大程度上摆脱了黎曼积分的困境。

勒贝格意义上的积分，使得可积函数类大大增加，而且具有良好的性质，积分与极限交换顺序的条件也大大减弱，使积分运算更加便捷，更适合数学各分支及很多实际问题的需要[2][3]。

1.勒贝格积分的双向性[4]在黎曼积分中，函数黎曼可积与函数具有黎曼积分值是等价的。

但在勒贝格积分中，函数勒贝格可积与函数具有勒贝格积分值并不等价。

勒贝格可积与勒贝格积分的定义区别：勒贝格积分存在:设f(x)是E上的可测函数，若非负可测函数f+(x)，f−(x)在E上的积分不同时为+∞，则称f(x)在E上有积分，并定义f(x)在E上的积分为∫f(x) E dx=∫f+(x)Edx−∫f−(x)Edx。

积分值为有限数或±∞。

勒贝格可积：设f(x)是E上的可测函数，若非负可测函数f+(x)，f−(x)在E上的积分都为有限数时，即当f+(x)与f−(x)均在E上可积时，称f(x)在E上可积，其积分值为有限数。

2.勒贝格积分的性质目前关于勒贝格积分的诸多性质，大多都是在函数勒贝格可积的条件下给出的，然而有很多实际问题当中出现的函数虽然具有勒贝格积分，但不是勒贝格可积的，这类积分就不能用勒贝格可积条件下的诸多性质。