一、定理陈述

若单调收敛只在几乎处处意义下成立,可在零测集上重新定义函数;积分不变,所以证明时可先假设 fk(x)↑f(x)f_k(x)\uparrow f(x) 对每个 xx 都成立。

二、严格证明

第一步:容易的一侧

由

0≤fk≤fk+1≤f,0\leq f_k\leq f_{k+1}\leq f,

及积分的单调性,

∫Xfk dμ≤∫Xfk+1 dμ≤∫Xf dμ.\int_Xf_k\,d\mu \leq\int_Xf_{k+1}\,d\mu \leq\int_Xf\,d\mu.

定义

L:=lim⁡k→∞∫Xfk dμ=sup⁡k∫Xfk dμ,L:=\lim_{k\to\infty}\int_Xf_k\,d\mu =\sup_k\int_Xf_k\,d\mu,

则

L≤∫Xf dμ.L\leq\int_Xf\,d\mu.

第二步:选取简单函数下界

任取非负简单函数 φ\varphi 满足

0≤φ≤f,0\leq\varphi\leq f,

并固定 0<c<10<c<1。定义

Ek:={x∈X:fk(x)≥cφ(x)}.E_k:=\{x\in X:f_k(x)\geq c\varphi(x)\}.

因为 fk≤fk+1f_k\leq f_{k+1},所以 Ek⊆Ek+1E_k\subseteq E_{k+1}。

若 φ(x)=0\varphi(x)=0,则 x∈Ekx\in E_k 对所有 kk 都成立;若 φ(x)>0\varphi(x)>0,则

f(x)≥φ(x)>cφ(x).f(x)\geq\varphi(x)>c\varphi(x).

由 fk(x)→f(x)f_k(x)\to f(x),存在 kxk_x 使当 k≥kxk\geq k_x 时 fk(x)≥cφ(x)f_k(x)\geq c\varphi(x)。因此

Ek↑X.E_k\uparrow X.

第三步:把函数比较转成积分比较

由 EkE_k 的定义,

cφ1Ek≤fk.c\varphi\mathbf1_{E_k}\leq f_k.

所以

c∫Ekφ dμ≤∫Xfk dμ≤L.c\int_{E_k}\varphi\,d\mu \leq\int_Xf_k\,d\mu \leq L.

若

φ=∑j=1maj1Aj,aj≥0,\varphi=\sum_{j=1}^{m}a_j\mathbf1_{A_j}, \qquad a_j\geq0,

则

∫Ekφ dμ=∑j=1majμ(Aj∩Ek).\int_{E_k}\varphi\,d\mu =\sum_{j=1}^{m}a_j\mu(A_j\cap E_k).

由 Aj∩Ek↑AjA_j\cap E_k\uparrow A_j 及测度的下连续性,

∫Ekφ dμ↑∫Xφ dμ.\int_{E_k}\varphi\,d\mu \uparrow\int_X\varphi\,d\mu.

这里只处理简单函数的有限项求和,没有使用 Levi 定理,所以不存在循环论证。

令 k→∞k\to\infty,再令 c↑1c\uparrow1,得

∫Xφ dμ≤L.\int_X\varphi\,d\mu\leq L.

第四步:对所有简单函数取上确界

根据非负 Lebesgue 积分的定义,

∫Xf dμ=sup⁡0≤φ≤fφ 为简单函数∫Xφ dμ≤L.\int_Xf\,d\mu =\sup_{\substack{0\leq\varphi\leq f\\ \varphi\text{ 为简单函数}}} \int_X\varphi\,d\mu \leq L.

与 L≤∫Xf dμL\leq\int_Xf\,d\mu 合并,得

lim⁡k→∞∫Xfk dμ=∫Xf dμ.\boxed{ \lim_{k\to\infty}\int_Xf_k\,d\mu =\int_Xf\,d\mu }.

三、为什么双指标简单函数逼近不能直接闭环?

一个自然想法是:对每个 fkf_k 取 φk,n↑fk\varphi_{k,n}\uparrow f_k,再取 ψn↑f\psi_n\uparrow f,希望通过 ∣φk,n−ψn∣|\varphi_{k,n}-\psi_n| 估计积分之差。这个思路抓住了简单函数逼近的本质,但有四个关键缺口。

一个同时暴露前两个问题的例子

在 (R,B(R),m)(\mathbb R,\mathcal B(\mathbb R),m) 上取

fk=1[−k,k],f≡1.f_k=\mathbf1_{[-k,k]}, \qquad f\equiv1.

则 fk↑ff_k\uparrow f,但对每个 kk 都有

sup⁡x∈R∣fk(x)−f(x)∣=1.\sup_{x\in\mathbb R}|f_k(x)-f(x)|=1.

同时

∫Rfk dm=2k↑+∞=∫Rf dm.\int_{\mathbb R}f_k\,dm =2k\uparrow+\infty =\int_{\mathbb R}f\,dm.

定理结论成立,但不能把它写成两个积分的有限绝对值之差。

四、方法提炼

五、直接推论

推论 1:在可测集上积分

对任意 A∈MA\in\mathcal M,由

fk1A↑f1A,f_k\mathbf1_A\uparrow f\mathbf1_A,

得

∫Afk dμ↑∫Af dμ.\int_Af_k\,d\mu\uparrow\int_Af\,d\mu.

推论 2:非负函数级数可逐项积分

若 gn≥0g_n\geq0 均可测,令 SN:=∑n=1NgnS_N:=\sum_{n=1}^{N}g_n,则

SN↑∑n=1∞gn.S_N\uparrow\sum_{n=1}^{\infty}g_n.

因此

∫X∑n=1∞gn dμ=∑n=1∞∫Xgn dμ.\int_X\sum_{n=1}^{\infty}g_n\,d\mu =\sum_{n=1}^{\infty}\int_Xg_n\,d\mu.

六、变式练习

七、前置知识与延伸阅读