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,目标又要求紧集,最自然的选择是闭球
Bk:={x∈Rd:∣x∣≤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 0。
逐步证明
第一步:非负化
令 g:=∣f∣。则 g≥0,且
∫Rdg(x)dx<+∞.
第二步:用紧集耗尽空间
对 k≥1,令
Bk:={x∈Rd:∣x∣≤k}.
由 Heine—Borel 定理,Bk 是紧集;并且
Bk↑Rd,1Bk↑1.
第三步:应用 Levi 单调收敛定理
因为
0≤g1Bk↑g,
所以
∫Bkg(x)dx=∫Rdg1Bkdx↑∫Rdg(x)dx.
给定 ε>0,存在 N,使
0≤∫Rdg(x)dx−∫BNg(x)dx<ε.
第四步:把积分差改写成补集积分
由 Rd=BN∪˙BNc 及积分可加性,
∫BNc∣f(x)∣dx=∫Rdg(x)dx−∫BNg(x)dx<ε.
取 K:=BN,结论得证。
直观图景
想象坐标空间中的同心闭球
B1⊆B2⊆⋯.
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 0。但这并不要求 f(x) 在 ∣x∣→∞ 时逐点趋于 0;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 f 的绝对连续性,而是集合函数
ν(e):=∫e∣f∣dx
相对于 Lebesgue 测度 m 的一致小量性质。
思路为什么自然?
只知道 m(e) 小,还不能直接估计 ∫e∣f∣,因为 f 可能无界。把 g:=∣f∣ 分解为
g=(g−φ)+φ,
其中 φ 是从下方逼近 g 的有界简单函数:误差 g−φ 的总积分可以预先做小,而 φ 在 e 上的积分可以用 Mm(e) 控制。
逐步证明
第一步:选取简单函数逼近
令 g:=∣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,存在非负可测简单函数 φ,满足
0≤φ≤g
且
∫E(g−φ)dx<2ε.
第二步:利用简单函数的有界性
取
M:=max{1,∥φ∥∞}>0.
则 0≤φ≤M。定义
δ:=2Mε>0.
令 M≥1 是为了避免 φ≡0 时除以 0。
第三步:估计小集合上的积分
任取可测集 e⊆E,并设 m(e)<δ。由积分的单调性,
∫egdx=∫e(g−φ)dx+∫eφdx≤∫E(g−φ)dx+∫eMdx<2ε+Mm(e)<2ε+Mδ=ε.
因此
∫e∣f(x)∣dx<ε.
再由积分三角不等式,
∫ef(x)dx≤∫e∣f(x)∣dx<ε.
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 Bk 变大 | 函数 $ | f |
| 积分绝对连续性 | 让集合测度 m(e) 变小 | 函数 $ | f |
四、方法提炼
题型识别特征
- 已知 f∈L1,目标中出现“对任意 ε>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) 很小时,∫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
- 令 g=∣f∣;
- 选递增紧集 Kn↑Rd,通常取闭球;
- 对 g1Kn 使用 Levi 定理;
- 将全空间积分与 Kn 上积分之差写成 Knc 上积分;
- 选择充分大的 n。
标准流程 B:控制小测度集合
- 令 g=∣f∣;
- 选 0≤φ≤g,使 ∫(g−φ) 足够小;
- 取 M≥∥φ∥∞ 且 M>0;
- 令 δ 与 ε/M 同阶;
- 使用
∫eg≤∫E(g−φ)+Mm(e).
常见变体
- 把闭球 Bk 换成闭立方体 [−k,k]d;
- 把 Rd 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>0 使 ∫{∣f∣>M}∣f∣ 很小,再控制 Mm(e);
- 对函数列使用一致版本:若一族函数在 L1 中一致可积,则可让同一个 δ 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