一、推论一:紧集外的积分尾部可以任意小

思路为什么自然?

定义域是 Rd\mathbb R^d,目标又要求紧集,最自然的选择是闭球

Bk:={xRd:xk}.B_k:=\{x\in\mathbb R^d:|x|\leq k\}.

它们由小到大覆盖整个空间。若球内积分趋于总积分,球外积分就必然趋于 00

逐步证明

第一步:非负化

g:=fg:=|f|。则 g0g\geq0,且

Rdg(x)dx<+.\int_{\mathbb R^d}g(x)\,dx<+\infty.

第二步:用紧集耗尽空间

k1k\geq1,令

Bk:={xRd:xk}.B_k:=\{x\in\mathbb R^d:|x|\leq k\}.

由 Heine—Borel 定理,BkB_k 是紧集;并且

BkRd,1Bk1.B_k\uparrow\mathbb R^d, \qquad \mathbf1_{B_k}\uparrow1.

第三步:应用 Levi 单调收敛定理

因为

0g1Bkg,0\leq g\mathbf1_{B_k}\uparrow g,

所以

Bkg(x)dx=Rdg1BkdxRdg(x)dx.\int_{B_k}g(x)\,dx =\int_{\mathbb R^d}g\mathbf1_{B_k}\,dx \uparrow \int_{\mathbb R^d}g(x)\,dx.

给定 ε>0\varepsilon>0,存在 NN,使

0Rdg(x)dxBNg(x)dx<ε.0\leq \int_{\mathbb R^d}g(x)\,dx -\int_{B_N}g(x)\,dx <\varepsilon.

第四步:把积分差改写成补集积分

Rd=BN˙BNc\mathbb R^d=B_N\mathbin{\dot\cup}B_N^c 及积分可加性,

BNcf(x)dx=Rdg(x)dxBNg(x)dx<ε.\int_{B_N^c}|f(x)|\,dx =\int_{\mathbb R^d}g(x)\,dx -\int_{B_N}g(x)\,dx <\varepsilon.

K:=BNK:=B_N,结论得证。

直观图景

想象坐标空间中的同心闭球

B1B2.B_1\subseteq B_2\subseteq\cdots.

球的半径不断增大,最终覆盖每个固定点。由于总积分有限,球外剩余的质量只能趋于 00。但这并不要求 f(x)f(x)x|x|\to\infty 时逐点趋于 00;这里控制的是整体积分尾部。

二、推论二:Lebesgue 积分的绝对连续性

这里的“绝对连续”不是函数 ff 的绝对连续性,而是集合函数

ν(e):=efdx\nu(e):=\int_e|f|\,dx

相对于 Lebesgue 测度 mm 的一致小量性质。

思路为什么自然?

只知道 m(e)m(e) 小,还不能直接估计 ef\int_e|f|,因为 ff 可能无界。把 g:=fg:=|f| 分解为

g=(gφ)+φ,g=(g-\varphi)+\varphi,

其中 φ\varphi 是从下方逼近 gg 的有界简单函数:误差 gφg-\varphi 的总积分可以预先做小,而 φ\varphiee 上的积分可以用 Mm(e)M m(e) 控制。

逐步证明

第一步:选取简单函数逼近

g:=fg:=|f|。根据非负可测函数的简单函数逼近及积分定义,对给定的 ε>0\varepsilon>0,存在非负可测简单函数 φ\varphi,满足

0φg0\leq\varphi\leq g

E(gφ)dx<ε2.\int_E(g-\varphi)\,dx<\frac{\varepsilon}{2}.

第二步:利用简单函数的有界性

M:=max{1,φ}>0.M:=\max\{1,\|\varphi\|_{\infty}\}>0.

0φM0\leq\varphi\leq M。定义

δ:=ε2M>0.\delta:=\frac{\varepsilon}{2M}>0.

M1M\geq1 是为了避免 φ0\varphi\equiv0 时除以 00

第三步:估计小集合上的积分

任取可测集 eEe\subseteq E,并设 m(e)<δm(e)<\delta。由积分的单调性,

egdx=e(gφ)dx+eφdxE(gφ)dx+eMdx<ε2+Mm(e)<ε2+Mδ=ε.\begin{aligned} \int_eg\,dx &=\int_e(g-\varphi)\,dx+\int_e\varphi\,dx\\ &\leq\int_E(g-\varphi)\,dx+\int_eM\,dx\\ &<\frac{\varepsilon}{2}+Mm(e)\\ &<\frac{\varepsilon}{2}+M\delta\\ &=\varepsilon. \end{aligned}

因此

ef(x)dx<ε.\int_e|f(x)|\,dx<\varepsilon.

再由积分三角不等式,

ef(x)dxef(x)dx<ε.\left|\int_ef(x)\,dx\right| \leq\int_e|f(x)|\,dx <\varepsilon.

三、两个推论的统一理解

推论改变什么固定什么核心工具
紧集尾部控制让空间窗口 BkB_k 变大函数 $f
积分绝对连续性让集合测度 m(e)m(e) 变小函数 $f

四、方法提炼

题型识别特征

  • 已知 fL1f\in L^1,目标中出现“对任意 ε>0\varepsilon>0”;
  • 要证明紧集外、充分远处或大球外的积分很小;
  • 要证明当 m(e)m(e) 很小时,ef\int_e|f| 很小;
  • 需要把无界函数转化为“有界主体 + 小积分误差”。

标准流程 A:控制无穷远尾部

  1. g=fg=|f|
  2. 选递增紧集 KnRdK_n\uparrow\mathbb R^d,通常取闭球;
  3. g1Kng\mathbf1_{K_n} 使用 Levi 定理;
  4. 将全空间积分与 KnK_n 上积分之差写成 KncK_n^c 上积分;
  5. 选择充分大的 nn

标准流程 B:控制小测度集合

  1. g=fg=|f|
  2. 0φg0\leq\varphi\leq g,使 (gφ)\int(g-\varphi) 足够小;
  3. MφM\geq\|\varphi\|_{\infty}M>0M>0
  4. δ\deltaε/M\varepsilon/M 同阶;
  5. 使用 egE(gφ)+Mm(e).\int_eg \leq\int_E(g-\varphi)+Mm(e).

常见变体

  • 把闭球 BkB_k 换成闭立方体 [k,k]d[-k,k]^d
  • Rd\mathbb R^d 换成可被递增有限测度集耗尽的空间;
  • 先证明截断形式:存在 M>0M>0 使 {f>M}f\int_{\{|f|>M\}}|f| 很小,再控制 Mm(e)Mm(e)
  • 对函数列使用一致版本:若一族函数在 L1L^1 中一致可积,则可让同一个 δ\delta 同时控制整族函数;
  • 将两个推论组合,用于积分极限交换、稠密性证明与全空间上的局部化论证。

五、变式训练

六、前置知识与延伸阅读