Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

elemen_teorija

.pdf
Скачиваний:
14
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
1.3 Mб
Скачать

Отметим, что (см. (1.3.9), (1.3.17)) ( fi − f )iN B(N ). В результате получаем (см. § 1.3) из (3.4.11) утверждение следствия доказываемой импликации (3.4.10). Итак, истинность импликации (3.4.10) установлена, чем завершается проверка вышеупомянутого свойства непрерывности по совокупности переменных. Отметим, что в (3.4.10) можно, в частности, допустить, что fj Bo(E, L) j N . Получаемое при этом положение полезно связать с (3.3.10). Уместно в этой связи обсудить вопрос о приближении ЯИ интегральными суммами Римана (последний термин здесь используется условно).

Отметим прежде всего, что f B(E) H P(E)

( ) ( )

{|f pr1(z) −f pr2(z) | : z H × H} BR.

С учетом этого свойства можно ввести колебание ограниченной в/з функции (на E) на произвольном непустом п/м E : если f B(E) и H P(E), то

 

n

 

,

(

∆ ( )

)(

)

f (H) = sup({|f pr1(z) −f pr2(z) | : z H × H}) [0, ∞[. (3.4.12)

Если

 

N то через

o E,

L условимся обозначать множество всех раз-

 

n

биений (Li)i 1,n n(E, L) таких, что Lj ≠ j 1, n; иными словами,

o

 

 

 

 

(3.4.13)

 

 

 

n

(E, L) = {(Li)i

 

 

n(E, L) | Lj ̸= j 1, n}.

1,n

В (3.4.13) мы имеем невырожденные разбиения из ∆n(E, L); мы отбрасываем при своем рассмотрении пустые ячейки как несущественные. Ясно, что n N (Li)i 1,n on(E, L) j 1, n

Lj P(E).

Поэтому определение (3.4.12) вполне применимо к ячейкам разбиений из множества (3.4.13). Отметим, что (см. (1.3.15), (3.4.13)) n N (Li)i 1,n

on(E, L)

n

Li = {(xi)i 1,n En | xj Lj j 1, n} P(En).

i=1

Предложение 3.4.3. nЕсли f B(E, L), µ A(L), n N , (Li)i

 

 

1,n

 

 

 

i

no

(E, L) и (xi)i

1,n

 

Li, то

 

 

 

 

=1

 

 

E

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f dµ − i=1 f(xi)µ(Li) 6 Vµ sup({f (Li) : i 1, n}).

(3.4.14)

140

Замечание 3.4.1. В правой части (3.4.14) используется наибольшее из чисел Ωf (Li), i 1, n; в таких случаях обычно используется соглашение

mi 1,n f

i

{

f

i

) : i

 

1, n

}

).

(3.4.15)

ax

(L

) = sup(

(L

 

 

 

В дальнейшем будем использовать соглашения, подобные (3.4.15), без какихлибо пояснений. 2

Доказательство предложения 3.4.3. Пусть f, µ, n, (Li)i 1,n и (xi)i 1,n

соответствуют условиям. Тогда

 

n

 

 

 

i

Bo(E, L)

(3.4.16)

φ = f(xi)χLi

 

=1

 

 

в силу (2.7.3). Из (3.2.7) вытекает равенство

(el)

n

 

 

(3.4.17)

φ dµ =

f(xi)µ(Li).

Ei=1

Сучетом (3.3.10) и (3.4.16) имеем очевидную оценку

 

 

(el)

 

 

 

φ dµ −

(3.4.18)

 

 

 

 

f dµ 6 φ − f Vµ.

 

 

E

 

E

 

Заметим теперь, что φ − f B(E) есть такая функция, что

 

 

 

(φ − f)(x) = φ(x) − f(x) x E.

 

В силу (2.6.7) и (3.4.16) мы получаем, что справедливо равенство

 

 

 

φ − f = sup({|φ(x) − f(x)| : x E}).

(3.4.19)

Если j

 

и x Lj, то (см. предложение 2.7.1)

 

1, n

 

 

 

(x) − f(x)| = |f(xj) − f(x)| 6 Ωf (Lj)

(3.4.20)

в силу (3.4.12). Коль скоро E и объединение всех множеств Li, i 1, n, совпадают, то из (3.4.19) вытекает, что

(x) − f(x)| 6 max f (Li) x E.

i 1,n

С учетом (3.4.19) получаем, как следствие, оценку

φ − f 6 max f (Li),

i 1,n

141

из которой в силу (3.4.17) и (3.4.18) вытекает неравенство

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

f dµ

 

f x µ L

 

max

 

(L

).

2

 

i=1

( i) (

i) 6 Vµ

i 1,n

f

i

 

 

Предложение 3.4.4. Если f B(E, L) и ε ] 0, ∞[, то

n N (Li)i 1,n on(E, L) : Ωf (Lj) < ε j 1, n.

Доказательство. Пусть f и ε соответствуют условиям. С учетом (2.6.11)

и (2.7.36) подберем φ Bo(E, L) так, что при этом

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ − f <

ε

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.4.21)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Используя (2.7.3), подберем N N , (αi)i

 

 

RN

и (Li)i

 

 

n(E, L),

1,N

1,N

для которых

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

φ =

i

αiχLi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку

 

 

 

 

то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а то-

E =

,

{

i

 

 

1, N

|

L

=

 

(1, N),

K =

 

 

 

̸

 

 

 

 

 

 

 

 

i ̸ } P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

гда K Fin(1, N) (см. § 1.4). Пусть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и при этом

n = |K|; тогда n N

(bi)[1

, n

; K] ̸= . Пусть λ (bi)[1

, n

; K] и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.4.22)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j 1, n.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Λj = Lλ(j)

 

 

 

 

 

 

По выбору (Li)i 1,n имеем сразу очевидное свойство: объединение всех мно-

жеств Λj, j 1, n, содержится в E. Пусть x E и p 1, N таково, что x Lp. Тогда Lp ≠ и p K, а, стало быть, p = λ(q) для некоторого q 1, n. С учетом (3.4.22) имеем x Λq, т. к. Lp = Lλ(q) = Λq. Тем самым установлено, что E содержится в объединении всех множеств Λj, j 1, n;

в итоге

n

E = Λi.

(3.4.23)

i=1

Если j1 1, n и j2 1, n таковы, что Λj1 Λj2 ≠ , то

Lλ(j1) ∩ Lλ(j2) ≠

и, стало быть, λ(j1) = λ(j2); в силу биективности λ это означает равенство j1 = j2. Поскольку выбор j1 и j2 был произвольным, то установлено свойство

Λk1 Λk2 = k1 1, n k2 1, n \ {k1}.

142

В итоге (см. (1.4.9), (3.4.23)) (Λj)j 1,n n(E, L). Кроме того, по выбору

 

 

 

 

 

 

 

 

K и λ имеем, что Λj ̸= j 1, n. С учетом (3.4.13)

 

 

i)i

 

no (E, L).

(3.4.24)

 

1,n

 

N

 

При этом, конечно, ψ =

αλ(j)χ j Bo(E, L); см. (2.7.3). Согласно пред-

ложению 2.7.1

=1

 

 

 

 

 

 

j

(3.4.25)

ψ(x) = αλ(j) j

1, n

x Λj.

Если x E, то x Lr при некотором r 1, N, а тогда r K и, стало быть, r = λ(s) для некоторого s 1, n. Тогда Lr = Lλ(s) = Λs и x Λs, а потому (см. (3.4.25)) ψ(x ) = αλ(s). С другой стороны, по выбору φ имеем равенство φ(x ) = αr и, как следствие, φ(x ) = αλ(s). В итоге φ(x ) = ψ(x ), а, поскольку выбор x был произвольным, установлено равенство

φ = ψ.

(3.4.26)

Выберем произвольно m 1, n. Тогда Λm P(E) и, в согласии с (3.4.12),

определено значение Ωf m). Пусть z Λm × Λm, u = pr1(z), v = pr2(z). Тогда u Λm, v Λm и z = (u, v). Рассмотрим разность

( ) ( )

f pr1(z) −f pr2(z) = f(u) − f(v) R.

При этом (u) − f(u)| 6 ψ − f , |ψ(v) − f(v)| 6 ψ − f и, с учетом

(3.4.21), (3.4.26),

 

 

 

 

 

 

| ψ(u) − f(u)| <

ε

, |ψ(v) − f(v)| <

ε

(3.4.27)

 

 

 

.

4

4

Отметим, однако, что в силу (3.4.25) ψ(u) = ψ(v) = αλ(m). В итоге из (3.4.27) вытекает, что

 

 

|f(u) − αλ(m)| <

 

ε

, |f(v) − αλ(m)| <

ε

 

 

 

 

 

 

.

 

 

4

4

f(u)

f(v)

ε .

Коль

скоро выбор z был произвольным, име-

Поэтому |

 

| 6 2

 

ε

 

 

 

 

ем цепочку неравенств Ωf m) 6

2

 

< ε. Поскольку выбор m также был

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

произвольным, установлено, что Ωf j) < ε j 1, n. Из (3.4.24) имеем теперь, что

j)j

 

no (E, L) : Ωf j) < ε j

1, n.

2

1,n

Предложения 3.4.3, 3.4.4 определяют в своей совокупности вариант «римановой» аппроксимативной реализации ЯИ произвольной функции из

143

B(E, L). Учтем (2.2.11) и (2.2.16). Тогда при µ (add)+[L] корректно определяется функционал Iµ на B(E, L), значения которого суть µ−интегралы ярусных функций: из (2.2.11) и (3.3.7) имеем, что

f dµ = Iµ(f) f B(E, L);

E

согласно (3.3.8) получаем, в частности, систему равенств

(el)

f dµ = f dµ f Bo(E, L).

EE

Из (2.2.11), (2.2.16) и предложения 3.4.2 получаем, конечно, неравенство

 

E

 

 

 

 

 

 

6 f µ(E) f B(E, L) µ (add)+[L].

(3.4.28)

 

 

 

 

f dµ

В дополнение к (3.4.28) отметим, что (см. (2.2.16), (3.3.9))

 

 

f dµ−

 

 

 

 

 

g dµ 6 f−g µ(E) f B(E, L) g B(E, L) µ (add)+[L].

EE

(3.4.29) С учетом рассуждений, подобных применяемым при обосновании предложений 3.4.3 и 3.4.4, устанавливается, что

 

 

 

(

)

f B(E, L) ε ] 0, ∞[ g Bo(E, L) : ( f −g < ε) & g1

(E) f1(E) .

В связи с применением (3.4.30) введем множество

(3.4.30)

 

B

+

 

 

 

 

(E, L) = {f B(E, L) | 0 6 f(x) x E} = {f B(E, L) | OE 5 f}

 

 

 

 

(3.4.31)

всех неотрицательных ярусных в/з функций на множестве E. Из (3.4.30)

и (3.4.31) вытекает, что

 

 

 

f B+(E, L) (fi)iN Bo+(E, L)N : (fi)iN f.

(3.4.32)

Из (3.2.9), (3.4.32) и предложения 3.3.1 следует, что

 

 

 

f dµ [ 0, ∞[ f B+(E, L) µ (add)+[L].

(3.4.33)

E

144

Заметим, что из (3.4.31) вытекает, что f B(E, L)

g B(E, L)

 

(f 5 g) g − f B+(E, L) .

 

 

 

Из предложения 3.4.1 и (3.4.33)

следует теперь, что

f

B(E, )

g

(

 

)

 

L

 

B(E, L)

 

 

 

 

 

 

µ (add)+[L]).

 

 

(f 5 g) = (∫

f dµ 6

g dµ

(3.4.34)

EE

Всвязи с (3.4.34)) отметим одно совсем простое свойство, учитывающее то обстоятельство, что при f B(E, L) имеет место f1(E) BR∩ BR;

поэтому определены значения

 

f

1

 

 

E

)) R

,

inf f(x) = inf

 

(

x E

(

 

 

 

 

 

 

1

(E)

) R

.

sup f(x) = sup f

 

x E

(

 

 

 

 

 

 

Кроме того, из предложения 2.7.2 следует, что E Bo(E, L) c R.

С учетом вышеупомянутых свойств получаем, что f B(E, L) µ

(add)+[L]

 

) x E

6

 

6

x E

(3.4.35)

(

E

f dµ

µ

inf f(x)

 

 

 

µ(E) sup f(x).

 

 

 

 

 

E

 

 

 

µ P(L)

Из (2.2.6) и (3.4.35) следует, в частности, что f B(E, L)

 

 

x E

6

f dµ

6 x E

(3.4.36)

 

 

inf f(x)

 

 

 

sup f(x).

 

E

Случай ЯИ, рассматриваемый в (3.4.36), представляется интересным в связи с конструкциями математического ожидания (МО), используемыми в теории вероятностей. В данном очень общем случае (напомним, что L удовлетворяет только условию (2.2.1)) упомянутый ЯИ может не обладать «хорошими» свойствами и не соответствовать естественным представлениям о МО; однако, уже в случае ИП с полуалгеброй множеств многие естественные свойства МО у ЯИ в (3.4.36) «восстанавливаются».

Возвращаясь к (3.4.34), отметим, что строгие неравенства для значений подинтегральных функций могут уже не наследоваться интегралами по неотрицательной к.-а. мере, «превращаясь» в нестрогие (см. следствие импликации (3.4.34)). Позднее мы рассмотрим соответствующий пример. Упомянутая особенность отсутствует в «классическом» случае интегрирования по с.-а. мере (это также будет установлено в дальнейшем).

145

§3.5. Конечно-аддитивные меры и линейные непрерывные функционалы на пространстве ярусных функций

Мы рассматриваем сейчас банахово пространство (2.7.34) в общем случае L (2.2.1). Традиционным образом (см. [10,12,14]) определяем простран-

ство B (E, L), топологически сопряженное к пространству (2.7.34):

{ ( )

B(E,L)

B (E, L) = h R | h(αf) = αh(f) α R f B(E, L) &

( )

& h(f + g) = h(f) + h(g) f B(E, L) g B(E, L) &

& ( c [ 0, ∞[: |h(s)| 6 c s s B(E, L))};

(3.5.1)

элементами множества (3.5.1) являются линейные ограниченные функционалы на B(E, L) и только они (требование ограниченности здесь не соответствует (1.3.12), что типично при рассмотрении линейных функционалов; однако конструкция (1.3.12) полностью «восстанавливается» для сужений упомянутых функционалов на ограниченные п/м B(E, L)). Отметим, что из (3.5.1), предложений 3.4.1 и 3.4.2 вытекает свойство (см. (3.3.7))

()

Iµ = f dµ

B (E, L) µ A(L).

(3.5.2)

f B(E,L)

E

Из (3.5.2) имеем, в частности, что B (E, L) — непустое п/м множества

RB(E,L) = {B(E, L) −→ R}.

Следующее утверждение есть частный случай хорошо известного положения функционального анализа (см., например, [10, 12, 14]), касающегося свойств сопряженного пространства.

Предложение 3.5.1. Пространство B (E, L) линейно:

B (E, L) (LIN)[RB(E,L)].

Весьма очевидное доказательство опустим, поскольку оно повторяет стандартные процедуры [10,12,14] и других источников.

146

Заметим, что линейное пространство (3.5.1) традиционным образом нормируется. Для того, чтобы ввести соответствующую (и весьма традиционную) норму, нам потребуется ряд вспомогательных обозначений. Пусть

6

BL(f, ε) = {g B(E, L) | f − g ε} f B(E, L) ε [ 0, ∞[. (3.5.3)

()

Вчастности, BL(OE, 1) PB(E, L) и при этом {|h(s)| : s BL(OE, 1)}

BRh B (E, L). С учетом (3.5.1) корректно следующее определение: если h B (E, L), то

h

 

h s

s

BL(OE

,

1)}) [ 0

,

[

.

(3.5.4)

 

= sup({|

( )| :

 

 

 

 

Наряду с (3.5.3) введем также (непустое) множество

 

 

 

 

Bo (E, L) = {go Bo(E, L) | g = 1} P(BL(OE, 1))

(3.5.5)

(заметим, что χE B(E, L)), а тогда, как легко видеть,

 

 

{h(s) : s Bo(E, L)} BR;

поэтому определено значение sup({h(s) : s Bo(E, L)}) R, для которого

согласно (3.5.4) и (3.5.5) справедливо неравенство

 

 

 

sup({h(s) :

s Bo (E, L)}) 6 h .

(3.5.6)

Из (3.3.8), (3.5.2) и (3.5.6) имеем, в частности, что при µ A(L)

 

(el)

 

 

}

 

 

 

{E

 

 

 

 

 

 

f dµ : f Bo (E, L) = {Iµ(f) : f Bo (E, L)} BR;

 

поэтому согласно (3.5.6) имеем включение

 

 

 

 

(el)

 

 

})

 

 

 

({E

f dµ : f Bo (E, L)

 

 

sup

] − ∞, Iµ ].

(3.5.7)

Предложение 3.5.2. Если µ A(L), то справедлива цепочка равенств:

 

 

 

 

(el)

})

 

 

Vµ = Iµ = sup

({E

 

 

 

f dµ :

f Bo (E, L) .

 

147

Доказательство. Фиксируем µ A(L) и полагаем, что

 

(el)

})

 

({E

 

d = sup

f dµ : f Bo (E, L) .

Тогда для d R имеем в силу (3.5.7) оценку

 

 

 

d 6 Iµ .

(3.5.8)

Кроме того, из (3.3.7), (3.5.3), (3.5.4) и предложения 3.4.2 вытекает неравенство

Iµ 6 Vµ.

(3.5.9)

Стало быть (см. (3.5.8), (3.5.9)), d 6 Iµ 6 Vµ. Выберем произвольно ε ] 0, ∞[. С учетом (2.2.14) подберем число ξ,

ξ (VAR)E[µ] : Vµ − ε < ξ.

(3.5.10)

Используя (2.2.12), подберем число n N и разбиение (Li)i 1,n n(E, L), для которых

n

 

i

(3.5.11)

ξ = (Li)|.

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагаем, что αj

 

j 1, n. Тогда (αi)i

 

= sgn µ(Lj)

 

1,n

(1.3.11) имеем

следующую систему равенств. Именно

 

 

(

)

 

 

 

αiµ(Li) = (Li)| i 1, n.

Из (3.5.11) и (3.5.12) мы получаем следующее равенство

n

ξ = αiµ(Li).

i=1

Сдругой стороны, из (2.7.3) получаем очевидное свойство

n

φ= αiχLi Bo(E, L).

i=1

Rn и в силу

(3.5.12)

(3.5.13)

При этом согласно предложению 2.7.1 φ(x) = αj j 1, n x Lj. Как следствие, из определения § 1.3, предшествующего (1.3.11), вытекает, что

(x)| = 1 x E;

148

см. также (1.4.9). Это означает в силу (2.6.3), что φ = 1 и (см. (3.5.5)) φ Bo(E, L); при этом

(el)

n

φ dµ = αiµ(Li) = ξ,

Ei=1

где учтены (3.2.7) и (3.5.13). С учетом (3.5.10) получаем теперь, что

(el)

 

Vµ − ε < φ dµ 6 d.

(3.5.14)

E

Поскольку ε, ε > 0, выбиралось произвольно, то Vµ 6 d, откуда с учетом (3.5.8) и (3.5.9) получаем цепочку равенств Vµ = Iµ = d. 2 Из (2.2.16) и предложения 3.5.1 следует, в частности, свойство: если µ

(add)+[L], то

({

(el)

})

 

µ(E) = Iµ = sup

f dµ : f Bo (E, L) ,

E

причем функция χE Bo(E, L) реализует цепочку равенств

(el)

χE = Iµ = µ(E),

E

т. е. является максимизирующим элементом сферы Bo(E, L) и, как следствие, максимизирует зависимость

s −7→ |Iµ(s)| : BL(OE, 1) −→ [ 0, ∞[.

Предложение 3.5.3. Отображение (Iµ)µ A(L) B (E, L)A(L) является

линейным оператором:

) (

)

(

Iαµ = αIµ α R µ A(L) & Iµ+ν = Iµ +Iν µ A(L) ν A(L) .

(3.5.15)

Доказательство. Выберем произвольно a R и νe A(L). Тогда (см. предложение 2.5.2) e A(L). Если f B(E, L), то

Ie(f) = fd(e) = a f dνe = aIνe(f) = (aIνe)(f);

E E

149

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]