Mathematics

Lebesgue Measurable Function

Lebesgue Measurable Function (르벡 가측함수) 1. Sums, Products, and Compositions Def 다음 조건을 만족시키는 실함수 $f:E \to \mathbb{R}$ 는 르벡 가측함수 Lebesgue Measurable Function 이다: 1) 정의역 E가 가측집합이다. 2) 임의의 실수 $c\in \mathbb{R}$에 대해 집합 $$\l...

2021. 12. 3.2 min read

Lebesgue Measurable Function (르벡 가측함수)

1. Sums, Products, and Compositions

Def 다음 조건을 만족시키는 실함수 f:ERf:E \to \mathbb{R} 는 르벡 가측함수Lebesgue Measurable Function이다:

  1. 정의역 E가 가측집합이다.

  2. 임의의 실수 cRc\in \mathbb{R}에 대해 집합 {xEf(x)>c}\lbrace x\in E\vert f(x)\gt c\rbrace 가 가측집합이다. (단, 2에서 부등호의 방향 및 등호 포함 유무는 무관함)

Prop 실함수 ff가 가측함수인 것은 임의의 열린 집합 OO에 대한 역상inverse image f1(O)f^{-1}(O) 이 가측인 것과 동치이다.

Prop 실함수 f:ERf:E\to \mathbb{R}EE에서 연속일 때 EE가 가측집합이면 ff는 가측함수이다.

pf. Since fC(E)f \in C(E), for open set OO,
f1(O)f^{-1}(O) is also open set thus f1(O)=EUf^{-1}(O) = E \cap U with open set UU.

THM E에서 a.e. finite한 가측 실함수 f,gf, g에 대해 다음 성질이 성립한다.

  1. 선형성 : 임의의 α,βR\alpha, \beta \in \mathbb{R}에 대해 αf+βg\alpha f + \beta g 는 E에서의 가측함수이다.
  2. fgfg는 E에서 가측함수이다.

2. 점별수렴과 단순함수 근사

Def 함수열 fnf_nAA에서 ff로 점별수렴pointwise converge한다:

xA,    limnfn(x)=f(x)\forall x \in A,\;\; \lim_n f_n(x) = f(x)

Prop 함수열 {fn}\lbrace f_n\rbrace EE에서 measurable하고, ff로 a.e. 점별수렴한다면 ff도 E에서 가측함수이다.

Def Simple Function (단순 함수)
φ:ER\varphi : E \to \mathbb{R} 이 가측 함수이고 치역의 원소가 유한개일 때 함수 φ\varphi를 단순 함수라고 한다.
만약 φ\varphi의 치역이 φ(E)={c1cn}\varphi(E) = \lbrace c_1 \ldots c_n\rbrace 으로 주어지면 다음 표현을 φ\varphi의 Canonical Representation이라고 한다.

k=1nckχEk\sum_{k=1}^n c_k\cdot \chi_{E_k}

where

Ek={xE:φ(x)=ck}E_k = \lbrace x \in E : \varphi(x) = c_k\rbrace

Simple Approximation Lemma E에서의 실함수 ff가 유계이고 가측함수라 하자. 이때, 임의의 ϵ>0\epsilon > 0 에 대해 단순 함수 φϵ,ψϵ\varphi_\epsilon, \psi_\epsilon 가 존재하여

φϵfψϵ0ψϵφϵ<ϵ\begin{align*} &\varphi_\epsilon \leq f \leq \psi_\epsilon \\ &0 \leq \psi_\epsilon - \varphi_\epsilon < \epsilon \end{align*}

를 만족한다.

Simple Approximation THM 가측집합 E와 E에서의 실함수 ff에 대해 다음은 동치이다.

  1. ff가 가측함수이다.
  2. 집합 E에 ff로 점별수렴하는 단순함수열 {φn:nN\varphi_n : n \in \mathbb{N}} 이 존재하고 모든 nnxEx \in E에 대해 φn(x)f(x)\vert \varphi_n(x) \vert \leq \vert f(x) \vert 를 만족한다.

References

  • Royden, H., & Fitzpatrick, P. M. (2010). Real analysis. China Machine Press.