一、H-L极大函数

ffRd\mathbb R^d 上可测。对 xRdx\in\mathbb R^d,定义非中心 Hardy—Littlewood 极大函数

f(x):=supBx1m(B)Bf(y)dy,\boxed{ f^*(x):= \sup_{B\ni x} \frac1{m(B)}\int_B|f(y)|\,dy },

其中上确界遍历所有包含 xx 的开球。若只假设 ff 可测,上式允许取 ++\infty;当 fLloc1(Rd)f\in L^1_{\mathrm{loc}}(\mathbb R^d) 时,每个有界球上的积分有限。

可测性

对任意 αR\alpha\in\mathbb R,令

Eα:={x:f(x)>α}.E_\alpha:=\{x:f^*(x)>\alpha\}.

任取 xEαx\in E_\alpha。由上确界定义,存在包含 xx 的开球 BB,使

1m(B)Bf(y)dy>α.\frac1{m(B)}\int_B|f(y)|\,dy>\alpha.

因为 BB 开,存在 ε>0\varepsilon>0 使 Bε(x)BB_\varepsilon(x)\subseteq B。若 zBε(x)z\in B_\varepsilon(x),同一只 BB 也包含 zz,故

f(z)1m(B)Bf(y)dy>α.f^*(z) \geq \frac1{m(B)}\int_B|f(y)|\,dy >\alpha.

所以 Bε(x)EαB_\varepsilon(x)\subseteq E_\alpha,即 EαE_\alpha 是开集。因此

f 可测,而且是下半连续函数.\boxed{f^*\text{ 可测,而且是下半连续函数}.}

二、三倍球几何引理

zBBz\in B\cap B'。任取 yBy\in B',由三角不等式,

xyxx+xyxz+zx+xy<r+r+r3r.\begin{aligned} |x-y| &\leq |x-x'|+|x'-y|\\ &\leq |x-z|+|z-x'|+|x'-y|\\ &<r+r'+r'\\ &\leq3r. \end{aligned}

所以 yB3r(x)y\in B_{3r}(x)。由于 yBy\in B' 任意,得到 BB3r(x)B'\subseteq B_{3r}(x)

几何上,从大球球心 xx 走到小球球心 xx' 最多接近 r+rr+r',再走到小球远端还需 rr',总距离小于 r+2r3rr+2r'\leq3r

三、有限Vitali覆盖引理

1. 贪心选球

F0:=F\mathcal F_0:=\mathcal F。从 F0\mathcal F_0 中选半径最大的球 Bi1B_{i_1},删除所有与它相交的球,记

F1:={BF0:BBi1=}.\mathcal F_1 :=\{B\in\mathcal F_0:B\cap B_{i_1}=\varnothing\}.

F1\mathcal F_1 非空,再从中选半径最大的球 Bi2B_{i_2},继续删除所有与它相交的球。原球族有限,且球数每一步严格减少,因此有限步后停止:

F=mathcalF0F1Fk=.\mathcal F=mathcal F_0 \supsetneqq\mathcal F_1 \supsetneqq\cdots \supsetneqq\mathcal F_k=\varnothing.

2. 选出的球两两不交

j1<j2j_1<j_2,则 Bij2B_{i_{j_2}} 是从 Fj21Fj1\mathcal F_{j_2-1}\subseteq\mathcal F_{j_1} 中选出的,而 Fj1\mathcal F_{j_1} 只保留与 Bij1B_{i_{j_1}} 不交的球。因此

Bij2Bij1=.B_{i_{j_2}}\cap B_{i_{j_1}}=\varnothing.

3. 三倍代表球覆盖原球族

任取 BFB\in\mathcal F。它在某一步因与代表球 BijB_{i_j} 相交而被删除。由于 BijB_{i_j} 是当时半径最大的剩余球,

r(B)r(Bij).r(B)\leq r(B_{i_j}).

三倍球引理给出 B3BijB\subseteq3B_{i_j}。所以

i=1NBij=1k3Bij.\bigcup_{i=1}^N B_i \subseteq \bigcup_{j=1}^k3B_{i_j}.

利用测度的次可加性和 m(3B)=3dm(B)m(3B)=3^dm(B)

m(i=1NBi)m(j=1k3Bij)j=1km(3Bij)=3dj=1km(Bij).\begin{aligned} m\left(\bigcup_{i=1}^N B_i\right) &\leq m\left(\bigcup_{j=1}^k3B_{i_j}\right)\\ &\leq\sum_{j=1}^k m(3B_{i_j})\\ &=3^d\sum_{j=1}^k m(B_{i_j}). \end{aligned}

四、H-L极大不等式

Eα:={x:f(x)>α}E_\alpha:=\{x:f^*(x)>\alpha\}。对每个 xEαx\in E_\alpha,选取开球 BxxB_x\ni x,使

1m(Bx)Bxf(y)dy>α,\frac1{m(B_x)}\int_{B_x}|f(y)|\,dy>\alpha,

m(Bx)<1αBxf(y)dy.\boxed{ m(B_x)<\frac1\alpha\int_{B_x}|f(y)|\,dy }.

1. 先估计紧子集

不能直接说整个 EαE_\alpha 有有限子覆盖,因为它未必紧。任取紧集 KEαK\subseteq E_\alpha。由有限覆盖性质,可取

Ki=1NBi,K\subseteq\bigcup_{i=1}^N B_i,

其中每只 BiB_i 都是上述见证球。

2. Vitali选球与积分合并

应用有限 Vitali 引理,选出两两不交的 Bi1,,BikB_{i_1},\dots,B_{i_k},于是

m(K)m(i=1NBi)3dj=1km(Bij)<3dαj=1kBijf(y)dy.\begin{aligned} m(K) &\leq m\left(\bigcup_{i=1}^N B_i\right)\\ &\leq3^d\sum_{j=1}^k m(B_{i_j})\\ &<\frac{3^d}{\alpha} \sum_{j=1}^k\int_{B_{i_j}}|f(y)|\,dy. \end{aligned}

因为代表球两两不交,

j=1kBijf(y)dy=j=1kBijf(y)dyRdf(y)dy=f1.\begin{aligned} \sum_{j=1}^k\int_{B_{i_j}}|f(y)|\,dy &=\int_{\bigcup_{j=1}^kB_{i_j}}|f(y)|\,dy\\ &\leq\int_{\mathbb R^d}|f(y)|\,dy =\lVert f\rVert_1. \end{aligned}

所以

m(K)3dαf1.m(K)\leq\frac{3^d}{\alpha}\lVert f\rVert_1.

3. 用内正则性回到整个上水平集

EαE_\alpha 是开集。Lebesgue 测度的内正则性给出

m(Eα)=sup{m(K):KEα, K 为紧集}.m(E_\alpha) = \sup\{m(K):K\subseteq E_\alpha,\ K\text{ 为紧集}\}.

对紧集 KK 取上确界,得到

m(Eα)3dαf1.\boxed{ m(E_\alpha) \leq \frac{3^d}{\alpha}\lVert f\rVert_1 }.

五、弱型(1,1)与几乎处处有限

极大不等式等价于

supα>0αm({f>α})3df1.\sup_{\alpha>0} \alpha\,m(\{f^*>\alpha\}) \leq3^d\lVert f\rVert_1.

这说明极大算子把 L1L^1 有界地映入弱 L1L^1

M:L1(Rd)L1,(Rd).M:L^1(\mathbb R^d)\longrightarrow L^{1,\infty}(\mathbb R^d).

它不意味着 f1Cf1\lVert f^*\rVert_1\leq C\lVert f\rVert_1;H-L 极大算子一般不具有强型 (1,1)(1,1) 有界性。

A:={x:f(x)=}A:=\{x:f^*(x)=\infty\}。对每个 nNn\in\mathbb N

A{f>n},A\subseteq\{f^*>n\},

m(A)3dnf1.m(A) \leq\frac{3^d}{n}\lVert f\rVert_1.

nn\to\infty,得到

f(x)<a.e. xRd.\boxed{f^*(x)<\infty\quad\text{a.e. }x\in\mathbb R^d.}

六、通向Lebesgue微分定理

H-L 极大不等式是把“规则函数成立”推广到“所有局部可积函数几乎处处成立”的误差控制器。证明 Lebesgue 微分定理时,先用连续函数或光滑函数逼近 ff,再把误差 fgf-g 的局部平均控制为 (fg)(x)(f-g)^*(x)

弱型估计说明:只要 fg1\lVert f-g\rVert_1 很小,(fg)(f-g)^* 很大的点集测度也很小。于是“范数中的小误差”被转化为“除去一个小测度坏集后的逐点控制”。

七、方法提炼:一题通一类

常见变体

  1. 把球换成立方体,覆盖常数随几何改变;
  2. 使用中心或非中心极大函数;
  3. 由弱型 (1,1)(1,1)LL^\infty 有界性插值得到 1<p1<p\leq\infty 的强型估计;
  4. 在倍增度量测度空间中建立极大不等式;
  5. 用极大函数控制卷积逼近与微分定理中的误差。

八、变式训练