一、H-L极大函数
设 f 在 Rd 上可测。对 x∈Rd,定义非中心 Hardy—Littlewood 极大函数
f∗(x):=B∋xsupm(B)1∫B∣f(y)∣dy,
其中上确界遍历所有包含 x 的开球。若只假设 f 可测,上式允许取 +∞;当 f∈Lloc1(Rd) 时,每个有界球上的积分有限。
可测性
对任意 α∈R,令
Eα:={x:f∗(x)>α}.
任取 x∈Eα。由上确界定义,存在包含 x 的开球 B,使
m(B)1∫B∣f(y)∣dy>α.
因为 B 开,存在 ε>0 使 Bε(x)⊆B。若 z∈Bε(x),同一只 B 也包含 z,故
f∗(z)≥m(B)1∫B∣f(y)∣dy>α.
所以 Bε(x)⊆Eα,即 Eα 是开集。因此
f∗ 可测,而且是下半连续函数.
二、三倍球几何引理
取 z∈B∩B′。任取 y∈B′,由三角不等式,
∣x−y∣≤∣x−x′∣+∣x′−y∣≤∣x−z∣+∣z−x′∣+∣x′−y∣<r+r′+r′≤3r.
所以 y∈B3r(x)。由于 y∈B′ 任意,得到 B′⊆B3r(x)。
几何上,从大球球心 x 走到小球球心 x′ 最多接近 r+r′,再走到小球远端还需 r′,总距离小于 r+2r′≤3r。
三、有限Vitali覆盖引理
1. 贪心选球
令 F0:=F。从 F0 中选半径最大的球 Bi1,删除所有与它相交的球,记
F1:={B∈F0:B∩Bi1=∅}.
若 F1 非空,再从中选半径最大的球 Bi2,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=mathcalF0⫌F1⫌⋯⫌Fk=∅.
2. 选出的球两两不交
若 j1<j2,则 Bij2 是从 Fj2−1⊆Fj1 中选出的,而 Fj1 只保留与 Bij1 不交的球。因此
Bij2∩Bij1=∅.
3. 三倍代表球覆盖原球族
任取 B∈F。它在某一步因与代表球 Bij 相交而被删除。由于 Bij 是当时半径最大的剩余球,
r(B)≤r(Bij).
三倍球引理给出 B⊆3Bij。所以
i=1⋃NBi⊆j=1⋃k3Bij.
利用测度的次可加性和 m(3B)=3dm(B),
m(i=1⋃NBi)≤m(j=1⋃k3Bij)≤j=1∑km(3Bij)=3dj=1∑km(Bij).
四、H-L极大不等式
令 Eα:={x:f∗(x)>α}。对每个 x∈Eα,选取开球 Bx∋x,使
m(Bx)1∫Bx∣f(y)∣dy>α,
即
m(Bx)<α1∫Bx∣f(y)∣dy.
1. 先估计紧子集
不能直接说整个 Eα 有有限子覆盖,因为它未必紧。任取紧集 K⊆Eα。由有限覆盖性质,可取
K⊆i=1⋃NBi,
其中每只 Bi 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,…,Bik,于是
m(K)≤m(i=1⋃NBi)≤3dj=1∑km(Bij)<α3dj=1∑k∫Bij∣f(y)∣dy.
因为代表球两两不交,
j=1∑k∫Bij∣f(y)∣dy=∫⋃j=1kBij∣f(y)∣dy≤∫Rd∣f(y)∣dy=∥f∥1.
所以
m(K)≤α3d∥f∥1.
3. 用内正则性回到整个上水平集
Eα 是开集。Lebesgue 测度的内正则性给出
m(Eα)=sup{m(K):K⊆Eα, K 为紧集}.
对紧集 K 取上确界,得到
m(Eα)≤α3d∥f∥1.
五、弱型(1,1)与几乎处处有限
极大不等式等价于
α>0supαm({f∗>α})≤3d∥f∥1.
这说明极大算子把 L1 有界地映入弱 L1:
M:L1(Rd)⟶L1,∞(Rd).
它不意味着 ∥f∗∥1≤C∥f∥1;H-L 极大算子一般不具有强型 (1,1) 有界性。
令 A:={x:f∗(x)=∞}。对每个 n∈N,
A⊆{f∗>n},
故
m(A)≤n3d∥f∥1.
令 n→∞,得到
f∗(x)<∞a.e. x∈Rd.
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 f,再把误差 f−g 的局部平均控制为 (f−g)∗(x)。
弱型估计说明:只要 ∥f−g∥1 很小,(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
- 把球换成立方体,覆盖常数随几何改变;
- 使用中心或非中心极大函数;
- 由弱型 (1,1) 与 L∞ 有界性插值得到 1<p≤∞ 的强型估计;
- 在倍增度量测度空间中建立极大不等式;
- 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