一、严格定义:负部本身是非负函数
设 f:E→R。定义
f+(x):=max{f(x),0},f−(x):=max{−f(x),0}.
逐点看:
| f(x) | f+(x) | f−(x) |
|---|
| f(x)≥0 | f(x) | 0 |
| f(x)<0 | 0 | −f(x) |
图像上,f+ 保留横轴上方并把下方压成零;f− 把横轴下方关于横轴翻到上方,并把原来上方压成零。
二、两个基本恒等式
证明是逐点的。固定 x∈E:
- 若 f(x)≥0,则 f+(x)=f(x),f−(x)=0;
- 若 f(x)<0,则 f+(x)=0,f−(x)=−f(x)。
代入后,两种情形都同时满足
f+(x)−f−(x)=f(x),f+(x)+f−(x)=∣f(x)∣.
三、闭式公式与互斥性
把
f=f+−f−,∣f∣=f++f−
视为关于 f+,f− 的方程组,相加、相减得到
f+=2∣f∣+f,f−=2∣f∣−f.
此外,对每个 x,
f+(x)f−(x)=0,
并且
{f+>0}={f>0},{f−>0}={f<0}.
所以两部分可以都不是零函数,却不会在同一点同时严格为正。
还有基本控制
0≤f±≤∣f∣.
四、为什么它是标准而不是随意的分解
假设
f=g−h,g≥0,h≥0.
那么
f+≤g,f−≤h.
因为 f=g−h≤g 且 0≤g,
f+=max{f,0}≤g.
同理由 −f=h−g≤h 得 f−≤h。
五、可测性
设 (E,M) 为可测空间。则
f 可测⟺f+,f− 均可测⟹∣f∣ 可测.
若 f 可测,连续函数
φ+(t)=max{t,0},φ−(t)=max{−t,0}
与 f 复合后给出 f+,f−,故它们可测。
反过来,若 f± 可测,由
f=f+−f−,∣f∣=f++f−
以及可测函数对和、差封闭,得到 f 与 ∣f∣ 可测。
六、它为什么会在大量证明中出现
1. 从非负函数积分扩展到一般函数
对一般可测函数,用
∫Ef:=∫Ef+−∫Ef−
定义积分,但必须排除 +∞−∞。同时
∫E∣f∣=∫Ef++∫Ef−.
所以
f∈L1(E)⟺∫Ef+<∞ 且 ∫Ef−<∞⟺∫E∣f∣<∞.
2. 把非负版本推广到一般版本
常用证明模板是:
- 写 f=f+−f−;
- 分别对两个非负函数使用已知定理;
- 检查两部分有限,避免未定义的无穷差;
- 相减恢复关于 f 的结论。
3. 净值与总量
f=f+−f− 表示允许抵消的净值,∣f∣=f++f− 表示不允许抵消的总量。因此积分理论常先考察 ∫∣f∣;这与级数中的绝对收敛思想同源。
4. 截断逼近
正部就是截断 f+=f∨0。更一般地,
fn=(−n)∨(f∧n)
把无界函数截成有界函数。正负部是整套截断逼近方法的基本模型。
5. Jordan 分解的原型
函数分解
f=f+−f−
与符号测度分解
ν=ν+−ν−
使用同一个思想:把有正有负的对象拆成两个互斥的非负对象。
七、截断不会放大误差
对 a,b∈R,
∣a+−b+∣≤∣a−b∣,∣a−−b−∣≤∣a−b∣.
于是对函数 f,g,
∣f±−g±∣≤∣f−g∣.
因此,逐点收敛 fn→f 会推出 fn±→f±;而在 Lp 中,
∥fn±−f±∥p≤∥fn−f∥p.
这说明正负部不仅能分解单个函数,也能稳定地穿过极限。
八、方法提炼
题型识别
- 已知定理只对非负函数成立,目标是一般实值函数;
- 积分中有正负抵消,或要比较 ∫f 与 ∫∣f∣;
- 需要处理 max{f,0}、min{f,0} 或截断;
- 遇到符号测度、Jordan 分解或全变差。
标准流程
- 明确 f−=max{−f,0} 是非负约定;
- 写出 f=f+−f− 与 ∣f∣=f++f−;
- 分别处理两个非负函数;
- 相减前检查 +∞−∞;
- 涉及极限时使用 1-Lipschitz 性;
- 涉及唯一性时补充互斥条件。
九、变式练习