116
§4.6 乘积测度与Fubini定理
教学目的 本节讨论测度空间的乘积空间,并且证明一个重要的定理
—Fubini定理.
本节要点 乘积测度的构造利用了§2.2测度的延拓定理. Fubini定理是
积分理论的基本定理之一,它是关于二元函数的二重积分,累次积分交换积
分顺序的定理.Fubini定理在理论推导和计算积分方面有广泛的应用.
设X和Y是两个非空集, ., YBXA ?? 称BA×为YX ×中的矩形(定义
?=×??=?× BA , ).
例如,平面可以看成是直线与直线的乘积, 即
1
R =×
1
R .
2
R 当A和B是直线上的有
界区间时, BA×就是平面上的通常意义下的矩形. 本节在抽象空间的情形下讨论乘积空间,
但可以将
1
R =×
1
R
2
R这一特殊情形作为直观模型. 通过直接验证, 不难证明矩形具有如
下性质(图6—1):
(1). ).()()()(
21212211
BBAABABA ∩×∩=×∩×
(2). )].()[(])[()()(
21211212211
BBAABAABABA ?×∩∪×?=×?×
图6-1
设),,( μAX和),,( νBY是两个测度空间. 若,A∈A ,B∈B 则称BA×为可测矩形. 设
C是可测矩形的全体所成的集类. 利用上面所列的矩形的性质, 容易验证C是一个半环.
由C生成的代数?σ )(Cσ称为A与B的乘积σ -代数, 记为.BA×
)()(
21212
BBAAE ?×∩=
1211
)( BAAE ×?=
X
1
A
nullnullnull nullnullnullnull nullnull
2
A
1
E
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
?
2
B
1
B
Y
nullnullnullnullnullnullnull
2
E
117
在C上定义一个非负值集函数如下. 对任意∈×BA C , 令
).()())(( BABA νμνμ ?=×× (1)
定理1 由(1)式定义的集函数νμ×是C上的测度.
证明 显然0))(( =?×νμ . 往证νμ×在C上是可数可加的. 设BA×是一个可测矩
形, }{
nn
BA ×是一列互不相交的可测矩形使得
1
.
nn
n
AB A B
∞
=
×= ×
∪
由于}{
nn
BA ×是
互不相交的, 故成立
.)()()()(
1
∑
∞
?
=
n
BABA
yIxIyIxI
nn
对任意固定的,Yy∈ 将上式两边对x积分并利用单调收敛定理得到
.)()()()(
1
∑
∞
=
=
n
BnB
yIAyIA
n
μμ
再对y积分得到.)()()()(
1
∑
∞
=
?=?
n
nn
BABA νμνμ 这就是
.))(())((
1
∑
∞
=
××=××
n
nn
BABA νμνμ
即νμ×在C上是可数可加的. 因此νμ×是C上的测度. ■
设R是由C生成的环, 即
}.1,,,:{
1
1
≥==
=
kEEEA
k
k
i
i
是互不相交的可测矩形
∪
R
注意由于∈×YX ,R 故R实际上是一个代数. 按下面的方式将νμ×延拓到R上. 若
∈E ,R E的一个分解式为,
1
∪
k
i
ii
BAE
=
×= 则令
.)()())((
1
∑
=
?=×
k
i
ii
BAE νμνμ (2)
由§2.2.引理7, ))(( BA××νμ的值不依赖于BA×的分解式的选取. 由定理1和§2.2定理8
立即得到如下定理.
定理2 由(2)式定义的集函数νμ×是R上的测度.
设
?
× )( νμ是由νμ×导出的外测度,
νμ×
M是
?
× )( νμ可测集的全体所成的?σ代数.
由§2.2定理5,
?
× )( νμ在
νμ×
M上是一个测度, 称这个测度为μ和ν的乘积测度, 仍记为
118
νμ× . 称测度空间),,( νμ
νμ
××
×
MYX为),,( μAX与),,( νBY乘积空间. 由§2.2.定理
10, 测度空间),,( νμ
νμ
××
×
MYX是完备的. 容易证明若μ和ν都是?σ有限的, 则
νμ×也是?σ有限的(其证明留作习题).
由第一章习题第26题的结果知道)(Cσ = ).(Rσ 由BA×的定义和§2.2定理5,
BA× = )(Cσ = ?)(Rσ
νμ×
M .
因此νμ×也是BA×上的测度. 有时也称测度空间),,( νμ××× BAYX为),,( μAX与
),,( νBY乘积空间.
下面我们将证明Fubini定理. 为此需要作一些准备. 设., XxYXE ∈×? 称集
}),(:{ EyxYyE
x
∈∈=为E在x的截口. 类似地, 对,Yy∈ 称集
}),(:{ EyxXxE
y
∈∈=为E在y的截口. 注意
x
E和
y
E分别是Y和X的子集(图6—2).
图6—2
容易验证关于截口成立
,)()().i(
11
∪∪
∞
=
∞
=
=
n
xnx
n
n
EE
.)().ii(
xxx
FEFE ?=?
同样, 关于y的截口也成立类似的性质.
定理3 设),,( μAX和),,( νBY是两个?σ有限的测度空间, ∈E BA× . 则
).i(对任意,Xx∈ 必有.B∈
x
E
).ii( )(
x
Eν和是),,( μAX上的可测函数. 并且成立等式
∫
=× .)())(( μννμ dEE
x
(3)
X
Y
x
E
y
E
x
y
E
?
?
?
?
?
?
?
nullnullnullnullnullnullnullnullnull
119
证明 ).i(设C是可测矩形的全体. 令
F }.,:{ BBA ∈∈×∈=
x
EXxE对任意
若∈×= BAE ,C 则当Ax∈时, .BE
x
=当Ax?时, .?=
x
E 故对任意
,Xx∈ .B∈
x
E 因此.FC ? 利用截口的性质容易证明F是一个σ -代数. 因此得到
=×BA ?)(Cσ .F 即对任意Xx∈必有.B∈
x
E
)ii(先设.)( +∞<Yν 由本定理的结论),i( 对任意,Xx∈ 必有.B∈
x
E 故函数
)(
x
Eν有意义. 令
}.)(:{可测的是ABAF
x
EE ν×∈=
若BAE ×=是一个可测矩形, 则)()()( xIBE
Ax
νν =是A可测的. 这表明.FC ? 往证
F是一个λ类. 显然∈×YX .F 设∈FE, F并且.FE ? 注意到,)()( +∞<≤ YF
x
νν
我们有
).()()())((
xxxxx
FEFEFE νννν ?=?=?
故))((
x
FE ?ν是A可测的. 因此∈?FE ,F 即F对包含差运算封闭.再设?}{
n
E F
并且.
↑n
E 则.)(
↑xn
E 于是有
).)((lim))(())((
11
xn
n
n
xnx
n
n
EEE ννν
∞→
∞
=
∞
=
==
∪∪
由上式看出))((
1
x
n
n
E
∪
∞
=
ν是A可测的. 因此∈
∞
=
∪
1n
n
E ,F 即F对单调增加的集列的并运算
封闭. 所以F是包含C的一个λ类. 注意到C是一个π类. 由§1.3.推论12, 我们有
=×BA ?)(Cσ .F
即对任意∈E BA× , )(
x
Eν是A可测的. 若.)( +∞=Yν 由于),,( νBY是?σ有限的,
因此存在Y的一列互不相交的可测集}{
n
Y使得+∞<)(
n
Yν并且
1
.
n
n
YY
∞
=
=
∪
对每个
,1≥n 在B上定义测度
∈∩= BYBB
nn
),()( νν .B
则.)()( +∞<=
nn
YY νν 设∈E BA× . 则由上面所证, 每个,1≥n )(
xn
Eν是A可测的.
我们有
.)()())(()(
111
∑∑
∞
=
∞
=
∞
=
=∩=∩=
n
xn
n
nx
n
nxx
EYEYEE νννν
∪
由此可见)(
x
Eν是A可测的.
在BA×上定义集函数λ如下:
∈=
∫
EdEE
x
,)()( μνλ BA× .
120
则λ是非负值集函数并且.0)( =?m 设}{
n
E是BA×中的一列互不相交的集. 则由单调
收敛定理得到
.)())((
))(())(()(
11
111
∑
∫
∑
∫∫
∞
=
∞
=
∞
=
∞
=
∞
=
==
==
n
n
n
xn
n
xnx
n
n
n
n
EdE
dEdEE
λμν
μνμνλ
∪∪∪
即λ是可数可加的. 故λ是BA×上的测度. 若BAE ×=是一个可测矩形, 则
).)(()()(.)()()()( EBAdxIBdEE
Ax
νμνμμνμνλ ×=?===
∫ ∫
故在C上.νμλ ×= 测度的有限可加性蕴涵在由C生成的环R上.νμλ ×= 由于μ和ν
都是?σ有限的, 容易知道λ和νμ×也是?σ有限的(参见习题). 由§2.2定理6知道在
BA×上.νμλ ×= 这表明对任意∈E ,BA× (3)式成立.■
注1 由定理3, 我们也可以用(3)式来定义BA×上的乘积测度,νμ× 这样定义的
νμ×与我们前面定义的
νμ×
M上的乘积测度νμ×在BA×上是一致的. 但是这样得到的
乘积测度空间),,( νμ××× BAYX一般说来不是完备的. 本节所用的定义乘积测度的方
式的优点是直接得到了完备的乘积测度空间),,( νμ
νμ
××
×
MYX , 这样就避免了对
),,( νμ××× BAYX再进行完备化的讨论.
引理4 设),,( μAX和),,( νBY是两个完备的测度空间, 若∈E
νμ×
M并且
.0))(( =× Eνμ 则对几乎所有,Xx∈ B∈
x
E并且a.e.,0)( =
x
Eν
证明 由§2.2定理11, 存在∈F =)(Rσ ,BA× 使得EF ?并且
.0))(())(( =×=× EF νμνμ
定理3 )ii(蕴涵a.e.0)( =
x
Fν 由于B关于ν是完备的, 因此由
xx
FE ?得到
∈
x
E a.e.,B并且a.e.0)( =
x
Eν .■
定理5 设),,( μAX和),,( νBY是两个完备的?σ有限的测度空间, ∈E
νμ×
M . 则
).i(则对几乎所有,Xx∈ 必有.B∈
x
E
).ii()(
x
Eν是),,( μAX上的可测函数. 并且成立等式
∫
=× .)())(( μννμ dEE
x
(4)
).iii(若),( yxf是),,( νμ
νμ
××
×
MYX上的可测函数, 则对几乎所有,Xx∈ 函数
),()( yxfyf
x
=是),,( νBY上的可测函数.
证明 设∈E
νμ×
M . 由§2.2定理13, 存在∈F BA× 和∈N
νμ×
M ,
,0))(( =× Nνμ使得.NFE ?= 由引理4, ∈
x
N a.e.,B并且a.e.0)( =
x
Nν 再利用定
理3, 我们有∈?=
xxx
NFE a.e.,B 因此)i(得证. 由定理3, )(
x
Fν是A可测的. 由于
121
A关于μ是完备的, 并且
a.e.),()()()(
xxxx
FNFE νννν =?=
故)(
x
Eν是A可测的(参见第三章习题第7题). 注意到,0))(( =× Nνμ 由定理3 )ii( ,
∫∫
==×=× ).()())(()))((
xx
EdFFE ννννμνμ
即(4)成立. 因此)ii(得证. 由于对任意实数,a ∈< }),(:),{( ayxfyx
νμ×
M .于是由结论
)i( , 对几乎所有,Xx∈我们有
∈<=<∈
x
ayxfyxayxfYy }),(:),{(}),(:{ .B
即),()( yxfyf
x
=是),,( νBY上的可测函数. 因此)iii(得证.■
由对称性,关于
y
E和)((
y
Eμ成立类似于定理3,引理4和定理5的结果.
设),,( μAX和),,( νBY是两个测度空间, ),( yxf是YX ×上的可测函数. 若对几乎
所有固定的,Xx∈ ),( yxf在Y上的积分存在. 记() (, ) .
Y
gx fxydν=
∫
( )(xg可能在
一个?μ零测度集上没有定义, 在这个零测度集上令)(xg =0). 若)(xg是X上的可测函数
并且在X上的积分存在, 则称f的二次积分存在, 并且称()
X
gxdμ
∫
为f的二次积分,记
为
()
XY
fddν μ
∫∫
或.
XY
dfdμ ν
∫∫
类似可以定义另一个顺序的二次积分.
YX
dfdν μ
∫∫
关于在乘积空间上的积分和两个不同顺序的二次积分之间的关系, 我们由如下的定理. 这
是本节最主要的结果
定理6 (Fubini理)设),,( μAX和),,( νBY是两个完备的?σ有限的测度空间. 则
).i(若f是),,( νμ
νμ
××
×
MYX上的非负可测函数, 则() (, )
Y
I xfxydν=
∫
和
() (,)
X
Jy fxydμ=
∫
分别是X和Y上的非负可测函数. 并且成立
XY
fdμ ν
×
×=
∫
()
XY
fddν μ
∫∫
=
( )
.
YX
fddμ ν
∫ ∫
(5)
).ii(若f是),,( νμ
νμ
××
×
MYX上的可积函数, 则() (, )
Y
I xfxydν=
∫
和
() (,)
X
Jy fxydμ=
∫
分别是关于μ和ν可积的. 并且(5)成立.
证明 ).i(由对称性, 只需证明() (, )
Y
I xfxydν=
∫
是X上的非负可测函数, 并且
XY
fdμ ν
×
×=
∫
()
XY
fddν μ
∫ ∫
(6)
先设
E
If =是特征函数, 其中∈E
νμ×
M . 由定理5 )i( , 对几乎所有,Xx∈ ∈
x
E .B 于是
(, ) () ( ).
x
EEx
YY
I xyd I yd Eννν==
∫ ∫
a.e..?μ
122
由定理5 )ii( , )(
x
Eν是X上的可测函数. 并且
( ) ..)()()( μνμννμνμ ddIdEEdI
XY
E
X
x
YX
E
∫∫∫∫
==×=×
×
这表明当f是特征函数时, () (, )
Y
I xfxydν=
∫
是X上的非负可测函数并且(6)成立. 由
积分的线性性质知道, 当f是非负简单函数时, )(xI是X上的非负可测函数并且(6)成立.
一般情形, 设f是非负可测函数. 则存在非负简单函数列}{
n
f使得.ff
n
↑ 由上面的证明,
() (, )
nn
Y
I xfxydν=
∫
是X上的非负可测函数. 由单调收敛定理得到
(, ) (, ) .
n
YY
f xyd fxydν ν↑
∫∫
因此)(xI是X上的非负可测函数. 再对函数列}{
n
I应用
单调收敛定理, 我们有
() ()
lim lim .
nn
nnXY XY X Y X Y
f dfd fdfdμ νμν νμνμ
→∞ →∞××
×= ×= =
∫ ∫ ∫∫ ∫∫
即(6)成立. 因此)i(得证.
).ii(由对称性, 我们只需证明)(xI是关于μ可积的, 并且(6)成立. 由)i(的结论,
(, )
Y
f xydν
+
∫
和(, )
Y
f xydν
?
∫
是X上的非负可测函数. 因此)(xI是X上的可测函数.
对
+
f和
?
f分别运用(6), 我们有
()()
()
.
XY XY XY
XY XY
XY
fd f d f d
f dd fdd
fd d
μν μν μν
ν μνμ
νμ
+?
×× ×
×= ×? ×
=?
=
∫∫ ∫
∫∫ ∫∫
∫ ∫
注意由于f是关于νμ×可积的, 故上式中出现的积分都是有限的, 因此作减法运算是允许
的. 这就证明了)(xI是关于μ可积的, 并且(6)成立.■
推论7 设),,( μAX和),,( νBY是两个完备的?σ有限的测度空间, f是
),,( νμ
νμ
××
×
MYX上的可测函数. 若
YX
dfdνμ<+∞
∫ ∫
或 ,
XY
dfdμν<+∞
∫ ∫
则f可积并且成立
XY
fdμ ν
×
×=
∫
XY
dfdμ ν
∫ ∫
= .
YX
dfdν μ
∫ ∫
(7)
证明 设+∞<
∫∫
XY
dfd μν . 由Fubini定理, 我们有
XY
fdμ ν
×
×=
∫
.
YX
dfdνμ<+∞
∫ ∫
123
即f可积. 再由Fubini定理即知(7)成立. ■
注2 在Fubini定理中, 若),( yxf是可积的. 则由于() (, )
Y
I xfxydν=
∫
是关于μ可
积的. 因此函数)(xI几乎处处有限. 这表明对几乎所有,Xx∈ ),()( yxfyf
x
=是关于ν
可积的. 同理, 对几乎所有,Yy∈ 函数),()( yxfxf
y
= 是关于μ可积的.
注3在Fubini定理中, 若去掉),,( μAX和),,( νBY是完备的这个条件, 则当f是
),,( νμ××× BAYX上的非负可测函数或可积函数时, 定理的结论仍成立. 其证明与定理
6的证明是类似的. 只是此时不用定理5而直接引用定理.3就可以了.
例1 设),,( μAX是一个?σ有限的测度空间, f是X上的非负可测函数,
.1 +∞<≤ p 则
1
0
({ : ( ) }) .
pp
f dpt xfxtdtμμ
+∞
?
=>
∫∫
证明 令},0)(:),{( ≥>= txftxE 则}.)(:{ txfxE
t
>= 显然txf ?)(是乘积空
间)),(,(
11
mX ××× μRR MF上的可测函数, 故
∈>?= }0)(:),{( txftxE )(
1
RMF × . 因此函数),()( txIxI
EE
t
=是关于)(
1
RMF ×
可测的. 由Fubini定理我们有
()
1
0
1
{: ( ) }
0
1
{: ( ) }
0
1
0
()
()
()
({ : ( ) }) .
fx
pp
XX
p
xf x t
X
p
xf x t
X
p
fxddptdt
dptI xdt
ptdt I xd
ptxfxtdt
μμ
μ
μ
μ
?
+∞
?
>
+∞
?
>
+∞
?
=
=
=
=>
∫ ∫∫
∫∫
∫∫
∫
■
下面我们将本节的结果用到
n
R上的Lebesgue积分上去.
定理8 设)(
1
RB和)(
2
RB分别是
1
R和
2
R上的Borelσ -代数,
1
m和
2
m分别是
1
R和
2
R上的Lebesgue测度. 则×)(
1
RB =)(
1
RB )(
2
RB并且在)(
2
RB上.
211
mmm =× 即
=××× )),()(,(
11
1111
mmRRRR BB ).),(,(
2
22
mRR B
证明 设R是
2
R中的左开右闭方体的全体生成的环, R′是由
2
R中的Lebesgue可测
矩形的全体生成的环. 则=)(Rσ ),(
2
RB =′)(Rσ ×)(
1
RB ).(
1
RB 由于?R R′, 故
=)(
2
RB =′? )()( RR σσ ×)(
1
RB ).(
1
RB
反过来, 令
1
p和
2
p是
2
R到
1
R的投影函数, 即.,),(
1
xyxp = yyxp =),(
2
. 则
1
p和
2
p
都是连续的, 因而是
2
R上的Borel可测函数. 由§3.1定理2, 若∈BA,)(
1
RB , 则
∈
?
)(
1
1
Ap )(
2
RB , ∈
?
)(
1
2
Bp ).(
2
RB 于是
124
).()()()()(
21
2
1
1
11
RRR B∈∩=×∩×=×
??
BpApBABA
故?′R ).(
2
RB 于是×)(
1
RB =)(
1
RB ?′)(Rσ ).(
2
RB因此
×)(
1
RB =)(
1
RB )(
2
RB . 由乘积测度的定义容易知道在R上.
211
mmm =× 由§2.2定
理6知道在)(Rσ上.
211
mmm =× 即在)(
2
RB上面.
211
mmm =× ■
定理9 两个一维Lebesgue测度空间的乘积测度空间是二维Lebesgue测度空间, 即
=××
×
),,(
11
11
mm
ii
mm
MRR ).),(,(
2
22
mRR M (8)
证明 仍设R , R′,
1
m和
2
m如定理8. 由定理8,
=××× )),()(,(
11
1111
mmRRRR BB ).),(,(
2
22
mRR B
此即
=×′× )),(,(
11
11
mmRσRR ).),(,(
2
2
mRσR
由§2.2定理15, ),,(
11
11
mm
ii
mm
××
×
MRR和)),(,(
2
22
mRR M分别是
)),(,(
11
11
mm ×′× RσRR和)),(,(
2
2
mRσR的完备化空间. 因此(8)成立.■
推论10 设f是
2
R上的非负L可测函数或L可积函数.则成立
2
R
f dxdy=
∫
dy f dx
∫ ∫11
RR
= .dx f dy
∫ ∫11
RR
特别地, 当dy f dx<+∞
∫∫11
RR
或者dx f dy<+∞
∫ ∫11
RR
时, 成立
dy f dx
∫∫11
RR
= .dx f dy
∫ ∫11
RR
(我们将
2
R上的L积分记为
2
.
R
f dxdy
∫
)
证明 将定理6和推论7应用到乘积空间),,(
11
11
mm
ii
mm
××
×
MRR上, 并利用定理9
即得. ■
显然, 对
p
R与
q
R的乘积空间
qp+
R的情形,成立与推论10类似的结果.
例2 计算
0
sin
()(0).
ax bx
x
I eedxab
x
+∞
??
=?<
∫
解 我们有
00
sin
() sin.
b
ax bx xy
a
x
e e dx dx e xdy
x
+∞ +∞
?? ?
?=
∫∫∫
由于
00
1
sin ln .
bbb
xy xy
aaa
b
dy e x dx dy e dx dy
y a
+∞ +∞
??
≤==<+∞
∫∫ ∫∫ ∫
由Fubini定理(推论7), 我们有
00
2
sin sin
1
arctg arctg .
1
bb
xy xy
aa
b
a
I dx e xdy dy e xdx
dy b a
y
+∞ +∞
??
==
==?
+
∫∫ ∫∫
∫
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小 结 本节首先介绍了测度空间的乘积空间.乘积测度的构造利用了§2.2测度的延拓定
理. 本节的主要结果是二重积分和累次积分交换积分顺序的定理—Fubini定理. Fubini定理
是积分理论的基本定理之一,它在理论推导和积分计算方面有广泛的应用.
习 题 习题四, 第43题—第57题.