这一页在讲什么
「和的积分 = 积分的和」对简单函数已经证过(第 32 页)。对一般的非负可测函数,直接用定义(上确界)证明很麻烦;有了单调收敛定理,只要三步:用台阶从下逼近 和 → 台阶的和逼近 → 对台阶用已知的可加性,再取极限。
- 位置:第 5 部分「MCT、Fatou 引理、DCT、BCT」。前两页(第 36 页、第 37 页)刚证完单调收敛定理(MCT),这一页是它的第一个应用。
- 要解决的问题:积分最基本的运算规则——可加性——对一般的非负可测函数还没有证明。第 32 页 只对简单函数证过;而 第 33 页 把一般函数的积分定义成一个上确界,上确界的加法并不好处理(下面「为什么这不是废话」用一个具体例子说明难在哪里)。
- 本页的做法展示了测度论里反复出现的套路:先对简单函数证,再用 MCT 推广到非负可测函数。
- 下一页(第 39 页)换一个方向问:如果函数列不单调,MCT 的结论还成立吗?答案是否定的。
- 概率意义:对非负随机变量 哪怕其中的期望是
先补基础
- 在每个点上把两个函数值加起来。
- 本页 取值在 中,约定 (两个非负数相加不会出现 这种没有意义的式子,所以 在每个点都有定义,并且仍取值在 中。
- 例:(则 是常数函数。
若 都在 中(允许极限是 那么
- 都有限时,这就是微积分里「和的极限等于极限的和」。
- 若 因为 有 所以 若 把上一句里 与 的角色对调即可。
- 例:非负时不会出现 的麻烦。
课件原文逐句精读
Proposition 31 For measurable ,
标题:MCT 把简单函数的可加性推广到所有
命题 31 对可测函数 有
MCT extends simple-function additivity|标题:用 MCT 推广简单函数的可加性
- simple-function additivity:简单函数的可加性,即 第 32 页 的
- extends ... to all :推广到所有非负(可测)函数。
- 标题把证明方法也说出来了:推广的工具就是 MCT。
Proposition 31|逐个条件看
- measurable(老师画了下划线): 必须可测,积分才有定义(第 29 页、第 33 页)。
- (老师在 上方补写):值域 已经说了非负,老师再写一遍是强调:非负才能用 MCT,而且非负时加法不会遇到
- 取值可以是 积分也可以是 :等式两边按「理解。例如 时,命题说
设 是测度空间, 可测。则 可测,并且
为什么这不是废话:上确界不好直接相加
非负函数的积分定义为 (第 33 页)。想直接从定义证明可加性,要证两个不等号:
- 「容易:任取台阶 则 也是台阶,并且 所以 先固定 对 取上确界,再对 取上确界,得
- 「困难:要说明每一个垫在 下面的台阶 面积都不超过 自然的想法是把 拆成「 下面的台阶 + 下面的台阶」,可这常常拆不开。
拆不开的例子:在 上取 台阶 垫在 下面(其实就等于它)。假如 其中 那么在每个点都有 中间的不等号只能取等号,于是 但 取无穷多个值,不是简单函数。所以这个最好的台阶根本拆不成两个台阶之和。
MCT 绕开了这个困难:我们不需要拆任何一个台阶,只需要一列特别挑选的台阶 而 MCT 保证这一列就足以逼近 (本页例 4 会把这一列具体算出来)。
老师板书在说什么
- 在印刷的 measurable 下画了一条下划线;在 上方写
- Pf.(Pf 下面画线) are simple
- (右边写着)MCT.
- 右下角:#(证毕)
第 1 行:两处标注
measurable 下的下划线、 上的 正是命题的两个条件:一个保证积分有定义,一个保证能用 MCT。
第 2 行:证明要用的三列函数
第 3 行:把 f + g 写成极限
因为 在每个点成立,所以 这一步只是换一种写法,还没有用任何定理。
第 4 行:极限和积分交换,再把积分拆开
这一行其实做了两件事:
- 交换极限与积分:这就是 MCT,条件是 非负、可测、逐点递增。
- 拆开:这是简单函数的可加性(第 32 页)。
第 5 行:再用两次 MCT
(各用一次 MCT),再用「极限的加法」得 老师在这一行右边写的「MCT」同时说明了第 4 行的交换和第 5 行的两个极限。

从上往下读这三行,每个等号背后的理由是:
- 第一个等号:只是改写;
- 第二个等号:MCT(对 加上简单函数的可加性(第 32 页);
- 第三个等号:MCT 用两次(对 再加上极限的加法。
右边的「MCT.」是整个证明的关键词;右下角的 # 表示证毕。
例子
在 上(勒贝格测度),
这里 连续,用微积分也能算;命题 31 保证对任何非负可测函数(包括很不规则的)都成立。
在 上,(见 第 36 页 例 3),(命题给出 与直接判断(由单调性 一致。非负时不会出现 ,这是非负函数理论方便的地方。
设 可测。令 由命题 31 反复使用, 递增到 由 MCT:
非负函数的级数,积分和求和可以随意交换顺序。这是后面非常常用的结论(例如第 3 讲 Borel–Cantelli 引理的另一种证法 第 4 页)。
推导:一步一步来
找台阶 它们的和也是台阶,并且递增到 对 用一次 MCT,对 各用一次 MCT,中间用简单函数的可加性连起来。
- 取逼近列:由二进逼近(第 34 页),存在非负可测简单函数
- 和是非负可测简单函数:设 取值 (在集合 上), 取值 (在 上)。那么 最多取 个值 并且每个取值集合 是若干个 的并,有限次交、并之后仍可测(这就是 第 32 页 的公共加细)。
- 和是递增的:两个不等式相加得
- 和收敛到 :对每个点 由极限的加法(基础补课),第 3、4 步合起来就是
- 可测:它是递增可测函数列 的极限,由 MCT 的第一个结论(第 36 页 第 5 行)可测。
- 串起来:
板书把第 6 步压成了三行等式,最后的「MCT」同时说明了第一个和第三个等号的理由。注意整个证明一次减法都没有,所以积分等于 的情形不需要单独讨论。
常见疑问与易错点
答:MCT 要求非负、递增。有正有负时要先拆成正部和负部,并要求可积(避免 这是 第 43 页 的内容。
答:是。 取有限个值 取有限个值 和最多取 个值 每个取值集合是若干 的并,所以可测(推导第 2 步)。
答:不行。MCT 只对递增列保证 如果台阶列逐点收敛但不递增,积分可能收敛到错误的值:下一页 第 39 页 的尖峰 就是一列台阶,逐点趋于 0(除了一个点),积分却一直是 1。二进逼近的好处正是它保证递增。
答:要加条件。若 只取有限值且 由 (两项都非负可测)和命题 31,再把有限的 移过去即可。如果 就不行:取 (在 上), 的积分是 0,而 没有意义。第 41 页 的逆 Fatou 引理正要用到这种「先相加、再减去有限积分」的技巧。
小结与自测
- 命题 31:非负可测函数的积分可加,(可以是
- 直接从上确界定义证「很难:垫在 下面的台阶可能拆不成两个台阶之和( 的例子)。
- 证法:台阶逼近 ⇒ 简单函数可加 + 三次 MCT。
- 推论:非负函数的级数可以逐项积分。
- 「先简单函数、再 MCT」是测度论的标准套路。
1. 命题 31 的证明里一共用了几次 MCT?分别用在哪里?
点开看答案
三次:对 对 对 各一次。第一次把 写成 后两次说明
2. 用例 3 的结论计算
点开看答案
逐项积分:(数值约为 即 关键是每一项非负,所以可以交换积分与求和。
3. 设 都可测, 只取有限值且 用命题 31 证明
点开看答案
可测(在 的点上 没有 因为 有限)。 是两个非负可测函数之和,由命题 31,因为 是有限数,两边减去它得 (若 两边都是
| 中文 | English | 白话解释 |
|---|---|---|
| 简单函数 | simple function | 只取有限个值的可测函数,是若干示性函数的线性组合,图像像台阶。 |
| 单调收敛定理 | monotone convergence theorem (MCT) | 非负可测函数单调递增地收敛时,积分也收敛:∫fₙ ↑ ∫f。 |
| 可测函数 | measurable function | 对每个 a,集合 {f > a} 都可测;这样的函数才能积分。 |
| 上确界 | supremum (sup) | 最小的上界。最大值不一定存在,但有上界的实数集一定有上确界。 |
| Fatou 引理 | Fatou's lemma | 非负可测函数列满足 ∫ liminf fₙ ≤ liminf ∫ fₙ(只保证这个方向)。 |
| 控制收敛定理 | dominated convergence theorem (DCT) | fₙ → f 几乎处处且 |fₙ| ≤ g、g 可积时,∫fₙ → ∫f。 |
| 有界收敛定理 | bounded convergence theorem (BCT) | 有限测度上一致有界、几乎处处收敛的函数列,积分收敛;是 DCT 的特例。 |
| 函数 | function / map | f: A → B 给 A 中每个元素指定 B 中唯一一个元素。 |
| 测度 | measure | 给 σ-代数里的每个集合一个 [0, ∞] 中的「大小」,空集为 0,并且可数可加。 |
| 随机变量 | random variable | 从样本空间到实数的(可测)函数,把结局翻译成数字;随机性来自「实现了哪个 ω」。 |
| 期望 | expectation | 随机变量对概率测度的积分 E[X] = ∫ X dP,也就是「加权平均」。 |
| 测度空间 | measure space | 三元组 (S, 𝓜, μ):空间、σ-代数、测度。 |
| 逐点收敛 | pointwise convergence | 对定义域里的每一个点 x,数列 fₙ(x) 都收敛到 f(x);这样得到的函数 f 叫逐点极限。 |
| 上极限 | limit superior (lim sup) | 数列「尾部的最大可能值」的极限;对集合则表示「发生无穷多次」。 |
| 勒贝格测度 | Lebesgue measure | 实数轴上「长度」的严格版本,定义在勒贝格可测集上,m([a,b]) = b − a。 |
| 级数 | series | 无穷多项相加 a₁ + a₂ + …,它的值是前 n 项和在 n → ∞ 时的极限。 |
| Borel–Cantelli 引理 | Borel–Cantelli lemma | 概率之和有限 ⇒ 只发生有限次;独立且概率之和无穷 ⇒ 发生无穷多次。 |
| 集合 | set | 把一些对象放在一起当成一个整体,例如 {1,2,3}。 |
| 示性函数 | indicator function | 𝟏_A(x) 在 x ∈ A 时取 1,否则取 0;它的积分就是 A 的测度。 |
| 正部 | positive / negative part | f⁺ = max(f, 0),f⁻ = max(−f, 0),f = f⁺ − f⁻,|f| = f⁺ + f⁻。 |
| 可积 | integrable (L¹) | ∫|f| dμ < ∞。全体可积函数记作 L¹(μ)。 |
| 无意识统计学家定律 | law of the unconscious statistician (LOTUS) | 求 g(X) 的期望,不必先求出 g(X) 的分布,直接把 g 对 X 的分布 𝓛(X) 积分;X 有密度 f 时就是 E g(X) = ∫ g(x) f(x) dx。 |
| 换测度 | change of measure | 用 E_Q[X] = E_P[X · dQ/dP] 在两个概率之间换算期望。 |