一、严格定义:负部本身是非负函数

f:ERf:E\to\mathbb R。定义

f+(x):=max{f(x),0},f(x):=max{f(x),0}.f^+(x):=\max\{f(x),0\}, \qquad f^-(x):=\max\{-f(x),0\}.

逐点看:

f(x)f(x)f+(x)f^+(x)f(x)f^-(x)
f(x)0f(x)\ge0f(x)f(x)00
f(x)<0f(x)<000f(x)-f(x)

图像上,f+f^+ 保留横轴上方并把下方压成零;ff^- 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 xEx\in E

  • f(x)0f(x)\ge0,则 f+(x)=f(x),f(x)=0f^+(x)=f(x),f^-(x)=0
  • f(x)<0f(x)<0,则 f+(x)=0,f(x)=f(x)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).f^+(x)-f^-(x)=f(x), \qquad f^+(x)+f^-(x)=|f(x)|.

三、闭式公式与互斥性

f=f+f,f=f++ff=f^+-f^-, \qquad |f|=f^++f^-

视为关于 f+,ff^+,f^- 的方程组,相加、相减得到

f+=f+f2,f=ff2.f^+=\frac{|f|+f}{2}, \qquad f^-=\frac{|f|-f}{2}.

此外,对每个 xx

f+(x)f(x)=0,f^+(x)f^-(x)=0,

并且

{f+>0}={f>0},{f>0}={f<0}.\{f^+>0\}=\{f>0\}, \qquad \{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

0f±f.0\le f^\pm\le|f|.

四、为什么它是标准而不是随意的分解

假设

f=gh,g0,h0.f=g-h, \qquad g\ge0,\quad h\ge0.

那么

f+g,fh.f^+\le g, \qquad f^-\le h.

因为 f=ghgf=g-h\le g0g0\le g

f+=max{f,0}g.f^+=\max\{f,0\}\le g.

同理由 f=hgh-f=h-g\le hfhf^-\le h

五、可测性

(E,M)(E,\mathcal M) 为可测空间。则

f 可测    f+,f 均可测f 可测.f\text{ 可测} \iff f^+,f^-\text{ 均可测} \Longrightarrow |f|\text{ 可测}.

ff 可测,连续函数

φ+(t)=max{t,0},φ(t)=max{t,0}\varphi_+(t)=\max\{t,0\}, \qquad \varphi_-(t)=\max\{-t,0\}

ff 复合后给出 f+,ff^+,f^-,故它们可测。

反过来,若 f±f^\pm 可测,由

f=f+f,f=f++ff=f^+-f^-, \qquad |f|=f^++f^-

以及可测函数对和、差封闭,得到 fff|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\int_Ef := \int_Ef^+-\int_Ef^-

定义积分,但必须排除 ++\infty-\infty。同时

Ef=Ef++Ef.\int_E|f| = \int_Ef^++\int_Ef^-.

所以

fL1(E)    Ef+< 且 Ef<    Ef<.f\in L^1(E) \iff \int_Ef^+<\infty\text{ 且 }\int_Ef^-<\infty \iff \int_E|f|<\infty.

2. 把非负版本推广到一般版本

常用证明模板是:

  1. f=f+ff=f^+-f^-
  2. 分别对两个非负函数使用已知定理;
  3. 检查两部分有限,避免未定义的无穷差;
  4. 相减恢复关于 ff 的结论。

3. 净值与总量

f=f+ff=f^+-f^- 表示允许抵消的净值,f=f++f|f|=f^++f^- 表示不允许抵消的总量。因此积分理论常先考察 f\int|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+=f0f^+=f\vee0。更一般地,

fn=(n)(fn)f_n=(-n)\vee(f\wedge 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+ff=f^+-f^-

与符号测度分解

ν=ν+ν\nu=\nu^+-\nu^-

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

a,bRa,b\in\mathbb R

a+b+ab,abab.|a^+-b^+|\le|a-b|, \qquad |a^--b^-|\le|a-b|.

于是对函数 f,gf,g

f±g±fg.|f^\pm-g^\pm|\le|f-g|.

因此,逐点收敛 fnff_n\to f 会推出 fn±f±f_n^\pm\to f^\pm;而在 LpL^p 中,

fn±f±pfnfp.\|f_n^\pm-f^\pm\|_p \le \|f_n-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\int ff\int|f|
  • 需要处理 max{f,0}\max\{f,0\}min{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

  1. 明确 f=max{f,0}f^-=\max\{-f,0\} 是非负约定;
  2. 写出 f=f+ff=f^+-f^-f=f++f|f|=f^++f^-
  3. 分别处理两个非负函数;
  4. 相减前检查 ++\infty-\infty
  5. 涉及极限时使用 11-Lipschitz 性;
  6. 涉及唯一性时补充互斥条件。

九、变式练习