Theorem: Dominated Convergence Theorem DCT (real-valued functions)
令 sequence {fn}⊂L1 滿足
(a) fn→f almost everywhere
(b) 存在非負函數 g∈L1 使得 |fn|≤g almost everywhere for all n
則f∈L1且
limn∫fn=∫f
Proof: 先證 f∈L1:由於 fn→f almost everywhere 且 fn∈L1,可知 f measurable (see Proposition 2.11/2.12 )。由於 |fn|≤g almost everywhere 故 |f|≤g almost everywhere,故 f∈L1。
接著我們證 limn∫fn=∫f:注意到 |fn|≤g almost everywhere,故我們有
−g≤fn≤g almost everywhere換言之,我們有
fn+g≥0 almost everywhere與
g−fn≥0almost everywhere也就是說 {fn+g},{g−fn}∈L+。由 Fatou Lemma 我們有
∫liminfn(fn+g)⩽liminf∫(fn+g);∫liminfn(g−fn)⩽liminf∫(g−fn)(∗)注意到上述積分不等式左方,積分項有以下結果 (利用 limsup or liminf 的性質),我們有 liminfn(fn+g)=g+liminfnfn 以及 liminfn(g−fn)=g+liminfn(−fn)=g−limsupnfn同理,對於積分不等式右方,我們有
liminf∫(fn+g)=liminf(∫fn+∫g)=liminf∫fn+∫g與
liminf∫(g−fn)=∫g+liminf(−∫fn)=∫g−limsup∫fn
將此結果帶入 (∗) 我們有
{∫liminfn(fn+g)⩽liminf∫(fn+g);∫liminfn(g−fn)⩽liminf∫(g−fn)⇒{∫g+∫liminfnfn⩽liminf∫fn+∫g;∫g−∫limsupnfn⩽∫g−limsup∫fn⇒{∫liminfnfn⩽liminf∫fn;−∫limsupnfn⩽−limsup∫fn 注意到 f=limnfn=lim infnfn=lim supnfn ,而且 {x:limnfn≠f(x)} 的測度為 0,故 ∫f=∫lim inffn=∫lim supfn。 現在我們進一步改寫上式
{∫f⩽liminf∫fn;∫f⩾limsup∫fn⇒limsup∫fn⩽∫f⩽liminf∫fn亦即 ∫fn→∫f。至此得證。◻
Remarks:
lim inf(ak+b+k)=lim infak+lim infbk 不全為然。Counter example?
上述等式成立僅僅 limak=a 則 lim infk(ak+bk)=a+lim infbk。
If you can’t solve a problem, then there is an easier problem you can solve: find it. -George Polya
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