一、直观图景:把不同速度的尾巴剪掉

对固定精度 ε>0\varepsilon>0,定义

En(ε)={x∈E:∣fn(x)−f(x)∣≥ε}.E_n(\varepsilon) =\{x\in E:|f_n(x)-f(x)|\geq\varepsilon\}.

它记录第 nn 项仍未进入误差带的点。进一步令

Aj(ε):=⋃n=j∞En(ε),A_j(\varepsilon) :=\bigcup_{n=j}^{\infty}E_n(\varepsilon),

它记录“从第 jj 项以后,至少还会有一次误差达到 ε\varepsilon”的点。

随着 jj 增大,

A1(ε)⊇A2(ε)⊇⋯ .A_1(\varepsilon)\supseteq A_2(\varepsilon)\supseteq\cdots.

几乎处处收敛说明,永远留在这些尾部坏点集中的点只有零测集;有限测度再把集合意义上的缩小转化为

m(Aj(ε))⟶0.m(A_j(\varepsilon))\longrightarrow0.

二、四种收敛概念

逐点收敛要求极限对每个 x∈Ex\in E 成立,不允许预先排除零测集。

一致收敛要求

sup⁡x∈E∣fn(x)−f(x)∣⟶0.\sup_{x\in E}|f_n(x)-f(x)|\longrightarrow0.

若对每个 δ>0\delta>0,都存在可测集 Eδ⊆EE_\delta\subseteq E,使

m(Eδ)≤δm(E_\delta)\leq\delta

且 fnf_n 在 E∖EδE\setminus E_\delta 上一致收敛于 ff,则称 fnf_n 近一致收敛于 ff。

三、尾部坏点集引理

第一步:尾部坏点集递减

固定 ε>0\varepsilon>0,记

Aj(ε):=⋃n=j∞En(ε).A_j(\varepsilon) :=\bigcup_{n=j}^{\infty}E_n(\varepsilon).

去掉最前面的坏点集只会使并集缩小,所以

Aj+1(ε)⊆Aj(ε).A_{j+1}(\varepsilon)\subseteq A_j(\varepsilon).

第二步:交集是误差超标无穷多次的点

⋂j=1∞Aj(ε)=⋂j=1∞⋃n=j∞En(ε)=lim sup⁡n→∞En(ε).\bigcap_{j=1}^{\infty}A_j(\varepsilon) = \bigcap_{j=1}^{\infty} \bigcup_{n=j}^{\infty}E_n(\varepsilon) =\limsup_{n\to\infty}E_n(\varepsilon).

若 xx 属于该集合,则对任意 jj,都能找到 n≥jn\geq j 使

∣fn(x)−f(x)∣≥ε.|f_n(x)-f(x)|\geq\varepsilon.

误差超标发生无穷多次,所以 fn(x)f_n(x) 不可能收敛到 f(x)f(x)。因此

lim sup⁡n→∞En(ε)⊆{x∈E:fn(x)↛f(x)}.\limsup_{n\to\infty}E_n(\varepsilon) \subseteq \{x\in E:f_n(x)\not\to f(x)\}.

由几乎处处收敛,

m(⋂j=1∞Aj(ε))=0.m\left(\bigcap_{j=1}^{\infty}A_j(\varepsilon)\right)=0.

第三步:使用测度从上连续性

因为

A1(ε)⊆E,m(E)<∞,A_1(\varepsilon)\subseteq E, \qquad m(E)<\infty,

所以 m(A1(ε))<∞m(A_1(\varepsilon))<\infty。对递减可测集合列应用测度从上连续性,

lim⁡j→∞m(Aj(ε))=m(⋂j=1∞Aj(ε))=0.\lim_{j\to\infty}m(A_j(\varepsilon)) = m\left(\bigcap_{j=1}^{\infty}A_j(\varepsilon)\right) =0.

引理得证。

四、Egorov定理

五、Egorov定理的逐步证明

固定任意 δ>0\delta>0。

1. 把所有精度离散成 1/i1/i

只需要控制可数个精度

εi=1i,i=1,2,…,\varepsilon_i=\frac1i,\qquad i=1,2,\ldots,

因为对任意 ε>0\varepsilon>0,总能选到 ii 使 1/i<ε1/i<\varepsilon。

2. 为每个精度分配测度预算

由尾部坏点集引理,

lim⁡j→∞m(⋃n=j∞En(1i))=0.\lim_{j\to\infty} m\left( \bigcup_{n=j}^{\infty}E_n\left(\frac1i\right) \right)=0.

因此对每个 ii,可以选取正整数 jij_i,使

m(⋃n=ji∞En(1i))<δ2i.m\left( \bigcup_{n=j_i}^{\infty}E_n\left(\frac1i\right) \right) < \frac{\delta}{2^i}.

3. 合并所有精度的坏点

定义

Eδ:=⋃i=1∞⋃n=ji∞En(1i).E_\delta := \bigcup_{i=1}^{\infty} \bigcup_{n=j_i}^{\infty} E_n\left(\frac1i\right).

它是可数个可测集的并,因而可测。

4. 控制总测度

由次可数可加性,

m(Eδ)≤∑i=1∞m(⋃n=ji∞En(1i))<∑i=1∞δ2i=δ.\begin{aligned} m(E_\delta) &\leq \sum_{i=1}^{\infty} m\left( \bigcup_{n=j_i}^{\infty} E_n\left(\frac1i\right) \right)\\ &< \sum_{i=1}^{\infty}\frac{\delta}{2^i} =\delta. \end{aligned}

5. 写出好点集

由德 Morgan 律,

E∖Eδ=⋂i=1∞⋂n=ji∞(E∖En(1i))=⋂i=1∞⋂n=ji∞{x∈E:∣fn(x)−f(x)∣<1i}.\begin{aligned} E\setminus E_\delta &= \bigcap_{i=1}^{\infty} \bigcap_{n=j_i}^{\infty} \left(E\setminus E_n\left(\frac1i\right)\right)\\ &= \bigcap_{i=1}^{\infty} \bigcap_{n=j_i}^{\infty} \left\{ x\in E: |f_n(x)-f(x)|<\frac1i \right\}. \end{aligned}

因此,对任意 x∈E∖Eδx\in E\setminus E_\delta、任意 ii 以及所有 n≥jin\geq j_i,都有

∣fn(x)−f(x)∣<1i.|f_n(x)-f(x)|<\frac1i.

这里的 jij_i 只依赖于精度,不依赖于 xx。

6. 完成一致收敛量词

任取 ε>0\varepsilon>0,选择 ii 使 1/i<ε1/i<\varepsilon,并令

N:=ji.N:=j_i.

则对所有 x∈E∖Eδx\in E\setminus E_\delta 以及所有 n≥Nn\geq N,

∣fn(x)−f(x)∣<1i<ε.|f_n(x)-f(x)| <\frac1i <\varepsilon.

因此 fnf_n 在 E∖EδE\setminus E_\delta 上一致收敛于 ff。

六、例子:xnx^n 近一致但不一致

在 [0,1][0,1] 上令

fn(x)=xn,f_n(x)=x^n,

并定义

f(x)={0,0≤x<1,1,x=1.f(x)= \begin{cases} 0,&0\leq x<1,\\ 1,&x=1. \end{cases}

若 0≤x<10\leq x<1,则 xn→0x^n\to0;在 x=1x=1 处始终有 xn=1x^n=1,所以 fn→ff_n\to f 处处。

但

sup⁡0≤x<1xn=1,\sup_{0\leq x<1}x^n=1,

故

sup⁡x∈[0,1]∣fn(x)−f(x)∣=1\sup_{x\in[0,1]}|f_n(x)-f(x)|=1

对每个 nn 都成立,原集合上不一致收敛。

图像上,y=xny=x^n 在 [0,1)[0,1) 的大部分区域越来越贴近横轴,却在 x=1x=1 附近形成越来越窄、越来越陡的边界层。最大误差始终藏在靠近 11 的位置。

给定 0<δ<10<\delta<1,删除

Eδ=(1−δ,1).E_\delta=(1-\delta,1).

在剩余集合 [0,1−δ]∪{1}[0,1-\delta]\cup\{1\} 上,

sup⁡x∈[0,1]∖Eδ∣fn(x)−f(x)∣≤(1−δ)n⟶0.\sup_{x\in[0,1]\setminus E_\delta} |f_n(x)-f(x)| \leq(1-\delta)^n \longrightarrow0.

这正是 Egorov 定理的几何图景:删去边界附近任意窄的一层,剩余部分获得统一收敛速度。

七、有限测度条件不能删除

在 E=(0,∞)E=(0,\infty) 上考虑

fn(x):=χ(0,n)(x).f_n(x):=\chi_{(0,n)}(x).

对每个固定 x>0x>0,当 n>xn>x 时 fn(x)=1f_n(x)=1,所以 fn(x)→1f_n(x)\to1。

任取有限测度集合 N⊆(0,∞)N\subseteq(0,\infty),其补集仍有无限测度,因而无界。对每个 nn,可以找到 xn>nx_n>n 且 xn∉Nx_n\notin N。于是

fn(xn)=0,f(xn)=1,f_n(x_n)=0,\qquad f(x_n)=1,

从而

sup⁡x∈(0,∞)∖N∣fn(x)−1∣=1.\sup_{x\in(0,\infty)\setminus N} |f_n(x)-1|=1.

无论删去哪一个有限测度集合,都不能在剩余集合上得到一致收敛。

八、无限测度情形还能保留什么

设 m(E)=∞m(E)=\infty 且 fn→ff_n\to f 几乎处处。

1. 任意大的有限测度子集

给定 M>0M>0。因为

E∩[−R,R]d↑E,E\cap[-R,R]^d\uparrow E,

可取充分大的 RR,使

m(E∩[−R,R]d)>M+1.m(E\cap[-R,R]^d)>M+1.

在这个有限测度集合上应用 Egorov 定理,删除测度小于 11 的坏点集,便得到 EM⊆EE_M\subseteq E,满足

m(EM)>M,m(E_M)>M,

且 fnf_n 在 EME_M 上一致收敛。

2. 可数个一致收敛集合覆盖几乎所有点

令

Qr=E∩[−r,r]d.Q_r=E\cap[-r,r]^d.

对每个 r,ℓ≥1r,\ell\geq1,在 QrQ_r 上应用 Egorov 定理,取 Br,ℓ⊆QrB_{r,\ell}\subseteq Q_r,使

m(Qr∖Br,ℓ)<2−ℓ,m(Q_r\setminus B_{r,\ell})<2^{-\ell},

且 fnf_n 在 Br,ℓB_{r,\ell} 上一致收敛。再令

Cr,N:=⋂ℓ=N∞Br,ℓ.C_{r,N}:=\bigcap_{\ell=N}^{\infty}B_{r,\ell}.

由于 Cr,N⊆Br,NC_{r,N}\subseteq B_{r,N},fnf_n 在 Cr,NC_{r,N} 上一致收敛。又因为

∑ℓ=1∞m(Qr∖Br,ℓ)<∞,\sum_{\ell=1}^{\infty} m(Q_r\setminus B_{r,\ell})<\infty,

由 Borel—Cantelli 引理,

m(Qr∖⋃N=1∞Cr,N)=0.m\left( Q_r\setminus\bigcup_{N=1}^{\infty}C_{r,N} \right)=0.

枚举所有 Cr,NC_{r,N},得到可测集列 {Ei}\{E_i\},满足

m(E∖⋃i=1∞Ei)=0,m\left(E\setminus\bigcup_{i=1}^{\infty}E_i\right)=0,

且 fnf_n 在每个 EiE_i 上一致收敛。

九、一致有界也不能替代有限测度

在 R\mathbb{R} 上定义

fn(x):=χ(−∞,−n]∪[n,∞)(x).f_n(x):= \chi_{(-\infty,-n]\cup[n,\infty)}(x).

则 ∣fn(x)∣≤1|f_n(x)|\leq1,且对每个固定 xx,当 n>∣x∣n>|x| 时 fn(x)=0f_n(x)=0,所以 fn(x)→0f_n(x)\to0 处处成立。

然而,若 A⊆RA\subseteq\mathbb{R} 无界,则对每个 nn 都存在 xn∈Ax_n\in A 使 ∣xn∣≥n|x_n|\geq n。于是

fn(xn)=1,sup⁡x∈A∣fn(x)∣=1.f_n(x_n)=1, \qquad \sup_{x\in A}|f_n(x)|=1.

因此 fnf_n 不在任何无界子集上一致收敛。函数列的一致有界性只控制函数值高度,不能阻止坏点向空间无穷远移动。

十、方法提炼

题型识别

  • 已知 fn→ff_n\to f 几乎处处,目标是在删去小集合后得到一致收敛;
  • 出现误差集合 {∣fn−f∣≥ε}\{|f_n-f|\geq\varepsilon\};
  • 需要把依赖于 xx 的 N(x,ε)N(x,\varepsilon) 改造成统一的 N(ε)N(\varepsilon);
  • 条件中强调 m(E)<∞m(E)<\infty;
  • 需要构造测度不超过 δ\delta 的例外集。

标准证明流程

  1. 定义 En(ε)={∣fn−f∣≥ε}E_n(\varepsilon)=\{|f_n-f|\geq\varepsilon\};
  2. 定义尾部坏点集 Aj(ε)=⋃n=j∞En(ε)A_j(\varepsilon)=\bigcup_{n=j}^{\infty}E_n(\varepsilon);
  3. 用几乎处处收敛证明 ⋂jAj(ε)\bigcap_jA_j(\varepsilon) 为零测集;
  4. 用有限测度和从上连续性证明 m(Aj(ε))→0m(A_j(\varepsilon))\to0;
  5. 选 jij_i 使 m(Aji(1/i))<δ/2im(A_{j_i}(1/i))<\delta/2^i;
  6. 合并 Eδ=⋃iAji(1/i)E_\delta=\bigcup_iA_{j_i}(1/i);
  7. 用次可数可加性控制总测度;
  8. 在补集上先选 1/i<ε1/i<\varepsilon,再令 N=jiN=j_i。

常见变体

  • 把 1/i1/i 换成 2−i2^{-i} 或任意趋于 00 的正数列;
  • 把 δ/2i\delta/2^i 换成任意总和不超过 δ\delta 的正数列;
  • 在无限测度集合上先限制到有限测度子集;
  • 用移动峰、移动区间或边界层构造有限测度条件不可删除的反例。

十一、变式练习