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数学 / measurable-function

可测函数

可测函数是将可测集的原像保持为可测集的映射,是积分理论与概率论的基础。

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可测函数是定义在两个各自配有指定可测集族的空间之间的函数,其值域空间中每个可测集的原像都是定义域中的可测集。它是测度论的核心概念,将可测集的结构与积分及概率联系起来。可测性并不要求函数连续、可微,也不要求其积分有限;它表示两个空间的可测结构之间具有相容性。(math.ucdavis.edu)

定义与可测结构

可测空间是一个二元组 (X,Σ)(X,\Sigma),其中 XX 是集合,Σ\Sigma 是由 XX 的子集组成的σ代数:它包含 XX,并且对取补集和可数并运算封闭。给定可测空间 (X,Σ)(X,\Sigma) 和 (Y,T)(Y,\mathcal T),映射

f:X⟶Yf:X\longrightarrow Y

称为可测映射,如果

f−1(B)={x∈X:f(x)∈B}∈Σ对每个 B∈T 都成立。f^{-1}(B)=\{x\in X:f(x)\in B\}\in\Sigma \qquad\text{对每个 }B\in\mathcal T\text{ 都成立。}

这里,f−1(B)f^{-1}(B) 表示原像,而不是反函数。这个定义不需要引入为集合赋予数值大小的测度。(math.ucdavis.edu)

可测性取决于两个空间的σ代数,而不只是定义 ff 的规则。扩大定义域上的σ代数会保持可测性,而扩大值域空间上的σ代数则可能破坏可测性。例如,如果定义域配备的σ代数是其幂集,那么从该定义域出发的任何映射都是可测的;而在配备σ代数 {∅,X}\{\varnothing,X\} 的非空定义域上,任何实值可测函数都必须是常值函数。这些结论都可以直接由原像条件推出。(math.ucdavis.edu)

实值函数与实用判据

对于取值于实数的函数,值域通常配备由实数轴上的开集生成的博雷尔σ代数。函数 f:X→Rf:X\to\mathbb R 可测,当且仅当

{x:f(x)>a}∈Σ对每个 a∈R 都成立。\{x:f(x)>a\}\in\Sigma \qquad\text{对每个 }a\in\mathbb R\text{ 都成立。}

也可以用 f<af<a、f≤af\leq a 或 f≥af\geq a 给出等价判据。只检验有理数阈值就足够了,因为相应的射线通过可数集合运算生成同一个博雷尔σ代数。这样,涉及所有博雷尔集的条件就简化为一组便于检验的不等式条件。(math.ucdavis.edu)

采用相应的博雷尔结构,这一定义也适用于可以取 +∞+\infty 和 −∞-\infty 的扩展实值函数。取值于复数的函数可测,当且仅当其实部和虚部均可测。同样,取值于有限维欧几里得空间的映射可测,当且仅当它的每个坐标函数都可测。(math.ucdavis.edu)

示例及与连续性的关系

当两个拓扑空间都配备各自的博雷尔σ代数时,它们之间的每个连续函数都是可测的:开集的原像是开集,而这一条件可以推广到由开集生成的σ代数。可测性比连续性弱。在有理数上取值为 11、在其余各点取值为 00 的函数是博雷尔可测的,却在每个实数点都不连续。它的水平集是可测集,因为有理数集是单点集的可数并。(math.ucdavis.edu)

更一般地,在 AA 上取值为 11、在 AA 外取值为 00 的示性函数 1A\mathbf1_A 可测,当且仅当 A∈ΣA\in\Sigma。因此,不可测集对应的示性函数也不可测。在欧几里得空间中,博雷尔可测性与关于勒贝格测度的可测性并不相同:每个博雷尔可测实函数都是勒贝格可测的,但反之未必成立。勒贝格σ代数还包含每个测度为零的博雷尔集的所有子集。(math.ucdavis.edu)

封闭性质与逼近

可测函数在许多常见运算下仍保持可测性。对于取值有限的实值可测函数 ff 和 gg,它们的和、积、绝对值、最大值和最小值都是可测的;在 g≠0g\neq0 的集合上,它们的商也是可测的。当中间空间的可测结构一致时,函数复合也保持可测性。对于扩展实值函数,必须另行处理 +∞−∞+\infty-\infty 等没有定义的表达式。(math.ucdavis.edu)

可数个实值可测函数的上确界和下确界都是扩展实值可测函数。特别地,实值可测函数序列的逐点极限只要存在,就是可测的。这与连续性不同:仅有逐点收敛并不一定能保持连续性。(math.ucdavis.edu)

简单函数是只取有限多个值的可测函数,可以表示为

s=∑k=1mak1Ak,s=\sum_{k=1}^{m}a_k\mathbf1_{A_k},

其中 AkA_k 均为可测集。每个非负可测函数都是某个递增的非负简单函数序列的逐点极限。这类逼近将函数值离散化,并对其取值范围进行截断;对于有界函数,还可以选取一致收敛的逼近序列。(ocw.mit.edu)

积分与几乎处处相等

简单函数逼近是勒贝格积分的基础。在测度空间 (X,Σ,μ)(X,\Sigma,\mu) 上,非负可测函数的积分定义为

∫Xf dμ=sup⁡{∫Xs dμ:s 为简单函数, 0≤s≤f}.\int_X f\,d\mu = \sup\left\{\int_X s\,d\mu: s\text{ 为简单函数},\ 0\leq s\leq f\right\}.

仅有可测性并不能保证可积性:上述积分可能是无穷大,而一个可取正负值的函数,其正部和负部的积分也可能同时为无穷大。(ocw.mit.edu)

如果两个函数仅在某个零测集上取值不同,就称它们几乎处处相等。在完备测度空间上,任意改变实值可测函数在这样的集合上的取值,都不会破坏可测性。完备性在此至关重要,因为它保证零测集的所有子集都是可测的。Lp空间等空间将几乎处处相等的可测函数视为同一个元素,而不区分各个逐点定义的代表元。(ocw.mit.edu)

概率论解释

实值随机变量是从概率空间 (Ω,F,P)(\Omega,\mathcal F,P) 到配备博雷尔σ代数的 R\mathbb R 的可测映射。可测性保证 X≤aX\leq a 这样的条件定义了可以赋予概率的事件。它的概率分布是测度

PX(B)=P(X−1(B)).P_X(B)=P(X^{-1}(B)).

更一般地,可测映射也能在其他可测值域空间上诱导出分布。当相应积分存在时,XX 的期望值就是它关于 PP 的积分;可积随机变量的条件期望则关于表示所给定信息的σ代数可测。(arxiv.org)