一、统一的误差机制

若两个示性函数只在集合 A△BA\triangle B 上不同,则

∣1A−1B∣p=1A△B,|\mathbf 1_A-\mathbf 1_B|^p =\mathbf 1_{A\triangle B},

所以

∥1A−1B∥p=m(A△B)1/p.\boxed{ \lVert \mathbf 1_A-\mathbf 1_B\rVert_p =m(A\triangle B)^{1/p} }.

因此,只要让集合的对称差具有足够小的测度,就能让示性函数的 LpL^p 距离足够小。后文所有“规整集合”和“磨平边界”的步骤都由这个公式控制。

二、预备定义

1. 稠密

设 XX 是赋范空间,A⊆XA\subseteq X。称 AA 在 XX 中稠密,是指 A‾=X\overline A=X。等价地,对任意 f∈Xf\in X 和任意 ε>0\varepsilon>0,存在 g∈Ag\in A 使

∥f−g∥X<ε.\lVert f-g\rVert_X<\varepsilon.

本文使用的距离是

∥f−g∥p=(∫Rd∣f−g∣p dx)1/p.\lVert f-g\rVert_p =\left(\int_{\mathbb R^d}|f-g|^p\,dx\right)^{1/p}.

2. LpL^p-简单函数

简单函数可写成

s=∑j=1Naj1Ej,s=\sum_{j=1}^N a_j\mathbf 1_{E_j},

其中 EjE_j Lebesgue 可测。若 s∈Lp(Rd)s\in L^p(\mathbb R^d),则称它为 LpL^p-简单函数。

在非零值水平集的标准表示中,aj≠0a_j\neq0 且 EjE_j 两两不交。由

∥s∥pp=∑j=1N∣aj∣pm(Ej)<∞\lVert s\rVert_p^p =\sum_{j=1}^N|a_j|^p m(E_j)<\infty

可知每个 EjE_j 都具有有限测度。

3. 阶梯函数与连续紧支函数

本文把有限个有界矩形示性函数的线性组合称为阶梯函数:

h=∑k=1Mbk1Qk.h=\sum_{k=1}^M b_k\mathbf 1_{Q_k}.

矩形端点取开、闭或半开不影响 LpL^p 等价类,因为边界是零测集。阶梯函数具有有限值域和有界支集,因此是 LpL^p-简单函数。

记

Cc(Rd):={g:g 连续且 supp⁡(g) 紧}.C_c(\mathbb R^d) :=\{g:g\text{ 连续且 }\operatorname{supp}(g)\text{ 紧}\}.

连续紧支函数有界且只在有界集合上非零,所以属于每个 Lp(Rd)L^p(\mathbb R^d),其中 1≤p<∞1\leq p<\infty。

三、定理 2.50:简单函数与阶梯函数稠密

第一步:简单函数逼近任意 LpL^p 函数

先设 ff 为实值函数。作正负部分分解

f=f+−f−,∣f∣=f++f−.f=f^+-f^-, \qquad |f|=f^++f^-.

由简单函数逼近定理,存在非负简单函数列 {un}\{u_n\}、{vn}\{v_n\},使

0≤un↑f+,0≤vn↑f−.0\leq u_n\uparrow f^+, \qquad 0\leq v_n\uparrow f^-.

令 sn:=un−vns_n:=u_n-v_n。则 sns_n 是简单函数且逐点收敛于 ff。又因为 un≤f+u_n\leq f^+、vn≤f−v_n\leq f^-,

∣f−sn∣=∣(f+−un)−(f−−vn)∣≤(f+−un)+(f−−vn)≤∣f∣.\begin{aligned} |f-s_n| &=|(f^+-u_n)-(f^--v_n)|\\ &\leq(f^+-u_n)+(f^--v_n)\\ &\leq|f|. \end{aligned}

所以 ∣f−sn∣p≤∣f∣p|f-s_n|^p\leq|f|^p。由于 f∈Lpf\in L^p,控制函数 ∣f∣p|f|^p 可积;同时 ∣f−sn∣p→0|f-s_n|^p\to0。由控制收敛定理,

∥f−sn∥pp=∫Rd∣f−sn∣p dx⟶0.\lVert f-s_n\rVert_p^p =\int_{\mathbb R^d}|f-s_n|^p\,dx \longrightarrow0.

因此 ∥f−sn∥p→0\lVert f-s_n\rVert_p\to0,证明了 LpL^p-简单函数的稠密性。复值函数可分别逼近实部与虚部。

第二步:有限矩形逼近有限测度可测集

由 Lebesgue 测度的正则性,可取紧集 KK 与开集 OO,满足

K⊆E⊆O,m(O∖K)<η.K\subseteq E\subseteq O, \qquad m(O\setminus K)<\eta.

对每个 x∈Kx\in K,由 OO 的开性可选一个包含 xx 且包含于 OO 的有界开矩形。这些矩形覆盖紧集 KK,所以存在有限子覆盖。记其并为 RR,则

K⊆R⊆O.K\subseteq R\subseteq O.

于是

E△R⊆O∖K,E\triangle R\subseteq O\setminus K,

从而

m(E△R)≤m(O∖K)<η.m(E\triangle R) \leq m(O\setminus K) <\eta.

第三步:阶梯函数逼近简单函数

设

s=∑j=1Naj1Ejs=\sum_{j=1}^N a_j\mathbf 1_{E_j}

是 LpL^p-简单函数的标准表示,其中 aj≠0a_j\neq0。由 s∈Lps\in L^p,每个 EjE_j 都有有限测度。

给定 ε>0\varepsilon>0。对每个 jj,取有限矩形并 RjR_j,使

m(Ej△Rj)<(εN∣aj∣)p.m(E_j\triangle R_j) <\left(\frac{\varepsilon}{N|a_j|}\right)^p.

令

h:=∑j=1Naj1Rj.h:=\sum_{j=1}^N a_j\mathbf 1_{R_j}.

hh 是阶梯函数。由 Minkowski 不等式,

∥s−h∥p≤∑j=1N∣aj∣∥1Ej−1Rj∥p=∑j=1N∣aj∣m(Ej△Rj)1/p<∑j=1NεN=ε.\begin{aligned} \lVert s-h\rVert_p &\leq \sum_{j=1}^N |a_j|\lVert\mathbf 1_{E_j}-\mathbf 1_{R_j}\rVert_p\\ &= \sum_{j=1}^N |a_j|m(E_j\triangle R_j)^{1/p}\\ &<\sum_{j=1}^N\frac{\varepsilon}{N} =\varepsilon. \end{aligned}

所以阶梯函数在 LpL^p-简单函数中稠密。

第四步:拼接两次逼近

任取 f∈Lp(Rd)f\in L^p(\mathbb R^d) 与 ε>0\varepsilon>0。先取简单函数 ss 使 ∥f−s∥p<ε/2\lVert f-s\rVert_p<\varepsilon/2,再取阶梯函数 hh 使 ∥s−h∥p<ε/2\lVert s-h\rVert_p<\varepsilon/2。于是

∥f−h∥p≤∥f−s∥p+∥s−h∥p<ε.\lVert f-h\rVert_p \leq\lVert f-s\rVert_p+\lVert s-h\rVert_p <\varepsilon.

这就完成了定理 2.50。

四、定理 2.52:Cc(Rd)C_c(\mathbb R^d) 稠密

第一步:磨平一个矩形的边界

设 QQ 是有界闭矩形。对 δ>0\delta>0,定义

ϕQ,δ(x):=max⁡{0,1−dist⁡(x,Q)δ}.\phi_{Q,\delta}(x) :=\max\left\{0,1-\frac{\operatorname{dist}(x,Q)}{\delta}\right\}.

距离函数连续,因此 ϕQ,δ\phi_{Q,\delta} 连续。它在 QQ 上等于 11,在闭 δ\delta-邻域

Qδ:={x:dist⁡(x,Q)≤δ}Q_\delta :=\{x:\operatorname{dist}(x,Q)\leq\delta\}

之外等于 00,并满足 0≤ϕQ,δ≤10\leq\phi_{Q,\delta}\leq1。由于 QδQ_\delta 紧,ϕQ,δ∈Cc(Rd)\phi_{Q,\delta}\in C_c(\mathbb R^d)。

误差只出现在边界外侧的薄层:

∣1Q−ϕQ,δ∣p≤1Qδ∖Q.|\mathbf 1_Q-\phi_{Q,\delta}|^p \leq\mathbf 1_{Q_\delta\setminus Q}.

所以

∥1Q−ϕQ,δ∥pp≤m(Qδ∖Q).\lVert\mathbf 1_Q-\phi_{Q,\delta}\rVert_p^p \leq m(Q_\delta\setminus Q).

矩形边界为零测集,故 δ↓0\delta\downarrow0 时

m(Qδ∖Q)⟶0,m(Q_\delta\setminus Q)\longrightarrow0,

从而

∥1Q−ϕQ,δ∥p⟶0.\lVert\mathbf 1_Q-\phi_{Q,\delta}\rVert_p\longrightarrow0.

第二步:逼近阶梯函数

设

h=∑k=1Mbk1Qk.h=\sum_{k=1}^M b_k\mathbf 1_{Q_k}.

给定 ε>0\varepsilon>0,为每个 kk 选择足够小的 δk\delta_k,使

∣bk∣∥1Qk−ϕQk,δk∥p<εM.|b_k| \lVert\mathbf 1_{Q_k}-\phi_{Q_k,\delta_k}\rVert_p <\frac{\varepsilon}{M}.

令

g:=∑k=1MbkϕQk,δk.g:=\sum_{k=1}^M b_k\phi_{Q_k,\delta_k}.

有限个连续紧支函数之和仍属于 Cc(Rd)C_c(\mathbb R^d)。由 Minkowski 不等式,

∥h−g∥p≤∑k=1M∣bk∣∥1Qk−ϕQk,δk∥p<ε.\lVert h-g\rVert_p \leq \sum_{k=1}^M |b_k| \lVert\mathbf 1_{Q_k}-\phi_{Q_k,\delta_k}\rVert_p <\varepsilon.

第三步:由阶梯函数过渡到任意 LpL^p 函数

任取 f∈Lpf\in L^p 与 ε>0\varepsilon>0。由定理 2.50,取阶梯函数 hh 使

∥f−h∥p<ε2.\lVert f-h\rVert_p<\frac{\varepsilon}{2}.

再取 g∈Ccg\in C_c 使

∥h−g∥p<ε2.\lVert h-g\rVert_p<\frac{\varepsilon}{2}.

于是

∥f−g∥p≤∥f−h∥p+∥h−g∥p<ε.\lVert f-g\rVert_p \leq\lVert f-h\rVert_p+\lVert h-g\rVert_p <\varepsilon.

定理 2.52 得证。

五、数形结合:一维边界薄层

在 R\mathbb R 上,1[0,1]\mathbf 1_{[0,1]} 在 00 与 11 处跳跃。把两个跳点替换成宽度为 δ\delta 的斜坡:

y
1        ┌──────────────┐
        ╱                ╲
0 ─────┴──────────────────┴──── x
      -δ  0              1  1+δ

定义

ϕδ(x)={0,x≤−δ,1+xδ,−δ<x<0,1,0≤x≤1,1+δ−xδ,1<x<1+δ,0,x≥1+δ.\phi_\delta(x)= \begin{cases} 0,&x\leq-\delta,\\ 1+\dfrac{x}{\delta},&-\delta<x<0,\\ 1,&0\leq x\leq1,\\ \dfrac{1+\delta-x}{\delta},&1<x<1+\delta,\\ 0,&x\geq1+\delta. \end{cases}

则 ϕδ∈Cc(R)\phi_\delta\in C_c(\mathbb R),并且

∥1[0,1]−ϕδ∥pp=2∫0δ(1−tδ)pdt=2δp+1.\begin{aligned} \lVert\mathbf 1_{[0,1]}-\phi_\delta\rVert_p^p &=2\int_0^\delta\left(1-\frac{t}{\delta}\right)^pdt\\ &=\frac{2\delta}{p+1}. \end{aligned}

故

∥1[0,1]−ϕδ∥p=(2δp+1)1/p⟶0.\lVert\mathbf 1_{[0,1]}-\phi_\delta\rVert_p =\left(\frac{2\delta}{p+1}\right)^{1/p} \longrightarrow0.

图形揭示了本质:逼近函数不必在每一点都消除最大高度差;只要把差异压缩到越来越薄的区域,有限的 pp 次积分就会趋于 00。

六、为什么条件是 p<∞p<\infty

七、证明路线图

f∈Lp→控制收敛函数值离散化s=∑aj1Ej\boxed{f\in L^p} \xrightarrow[\text{控制收敛}]{\text{函数值离散化}} \boxed{s=\sum a_j\mathbf 1_{E_j}} →测度正则性Ej≈有限矩形并h=∑bk1Qk→边界薄层连续化g∈Cc(Rd).\xrightarrow[\text{测度正则性}]{E_j\approx\text{有限矩形并}} \boxed{h=\sum b_k\mathbf 1_{Q_k}} \xrightarrow[\text{边界薄层}]{\text{连续化}} \boxed{g\in C_c(\mathbb R^d)}.

每一箭头都分配一部分误差预算,最后用

∥f−g∥p≤∥f−s∥p+∥s−h∥p+∥h−g∥p\lVert f-g\rVert_p \leq\lVert f-s\rVert_p +\lVert s-h\rVert_p +\lVert h-g\rVert_p

完成拼接。

八、方法提炼:一题通一类

题型识别特征

  • 要证明某类规则函数在 LpL^p 中稠密;
  • 已知简单函数逼近、测度正则性或控制收敛定理;
  • 误差可以限制在小测度集合或薄边界层;
  • 最终目标比原函数多出“矩形结构”“连续性”“紧支”或“光滑性”。

标准证明流程

  1. 用简单函数离散函数值;
  2. 用有限矩形并规整水平集;
  3. 用 ∥1A−1B∥p=m(A△B)1/p\lVert\mathbf 1_A-\mathbf 1_B\rVert_p=m(A\triangle B)^{1/p} 控制集合误差;
  4. 在边界附近构造连续过渡层;
  5. 把总误差拆成 ε/2\varepsilon/2 或 ε/3\varepsilon/3;
  6. 用 Minkowski 不等式拼接各级逼近。

常见变体

  • 再与紧支磨光核卷积,可证明 Cc∞(Rd)C_c^\infty(\mathbb R^d) 在 LpL^p 中稠密;
  • 在一般正则测度空间中,可用紧集、开集与 Urysohn 型函数代替矩形;
  • 在有限测度空间上,可通过截断与量化直接证明简单函数稠密;
  • 若范数换成 L∞L^\infty,必须重新判断,不能沿用“小测度误差”逻辑。

九、变式练习

十、前置知识与延伸阅读

  • 前置:简单函数逼近、Lebesgue 测度的正则性、控制收敛定理、Minkowski 不等式;
  • 核心公式:∥1A−1B∥p=m(A△B)1/p\lVert\mathbf 1_A-\mathbf 1_B\rVert_p=m(A\triangle B)^{1/p};
  • 后续:磨光核、Cc∞C_c^\infty 的稠密性、弱导数与 Sobolev 空间。

延伸阅读:简单函数逼近定理、Minkowski 不等式证明、外测度的性质。