Các không gian L plà các không gian hàm được định nghĩa thông qua việc sử dụng một chuẩn tổng quát hóa một cách tự nhiên từ chuẩn p của không gian véc tơ hữu hạn chiều nhiều khi chúng đư
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
VŨ THỊ TUYỂN
VỀ MỘT SỐ KHÔNG GIAN HÀM THƯỜNG GẶP
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội 2014
Trang 2ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
-
VŨ THỊ TUYỂN
VỀ MỘT SỐ KHÔNG GIAN HÀM THƯỜNG GẶP
Chuyên ngành: Lý thuyết xác suất và thống kê toán học
Mã số: 60.46.15
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Người hướng dẫn khoa học:
PGS. TS Phan Viết Thư
Trang 3
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương I Các kiến thức cơ sở 3
1.1 Không gian metric 3
1.2 Không gian đo và Độ đo 4
1.3 Độ đo Lebesgue 5
1.3.1 Độ đo Lebesgue trên 5
1.3.2 Độ đo Lebesgue trên k 6
1.4 Hàm số đo được 6
1.4.1 Cấu trúc của hàm số đo được 6
1.4.2 Các dạng hội tụ 7
1.5 Không gian định chuẩn 7
1.6 Tích phân Lebesgue 9
1.7 Không gian tô pô 10
Chương II Các không gian hàm 12
2.1 Không gian ℒ và L 12
2.1.1 Không gian ℒ 12
2.1.2 Tính chất cơ bản 12
2.1.3 Không gian L 13
2.1.4 Cấu trúc tuyến tính của L 13
2.1.5 Cấu trúc thứ tự của L 14
2.1.6 Các tính chất quan trọng của L 15
2.1.7 Cấu trúc nhân của L 18
2.1.8 Hoạt động của các hàm Borel trên L 19
2.1.9 Không gian L phức 19
2.2 Không gian L 20
Trang 42.2.1 Không gian L 20
2.2.2 Cấu trúc thứ tự của L 21
2.2.3 Chuẩn của L 21
2.2.4. L là một không gian Riesz 24
2.2.5 Nhắc lại về kỳ vọng có điều kiện 26
2.2.6 L như là một sự hoàn chỉnh 28
2.2.7 Không gian L phức 32
2.3 Không gian L∞ 33
2.3.1 Cấu trúc thứ tự của L∞ 34
2.3.2 Chuẩn của L∞ 35
2.3.3 Tính đối ngẫu giữa L∞ và L 37
2.3.4 Một không gian con trù mật của L∞ 41
2.3.5 Kỳ vọng có điều kiện 42
2.3.6 Không gian L∞ phức 43
2.4 Không gian L 43
2.4.1 Cấu trúc thứ tự của L 44
2.4.2 Chuẩn của L 44
2.4.3 Một số không gian con trù mật của L 48
2.4.4 Tính đối ngẫu của các không gian L 50
2.4.5 Thứ tự - đầy đủ của L 54
2.4.6 Kỳ vọng có điều kiện 54
2.4.7 Không gian L 55
2.4.8 Không gian L phức 56
Chương III Một số dạng hội tụ quan trọng và khả tích đều 57
3.1 Hội tụ theo độ đo 57
3.1.1 Các định nghĩa 57
3.1.2 Các nhận xét 58
Trang 53.1.4 Tính chất của không gian tôpô tuyến tính ( ) đối với lớp các không gian đo 61
3.1.5 Một mô tả tương tự của tôpô của sự hội tụ theo độ đo 65
3.1.6 Nhúng L vào L 66
3.1.7 Không gian L phức 70
3.2 Khả tích đều 70
3.2.1 Định nghĩa 70
3.2.2 Các tính chất ổn định trong phạm vi rộng của lớp của các tập khả tích đều trong ℒ hay L 71
3.2.3 Một số mô tả tương tự của tính khả tích đều. 74
3.2.4 Mối liên hệ giữa tính khả tích đều và tôpô của sự hội tụ theo độ đo. 78
3.2.5 Không gian ℒ và L phức 80
3.3 Hội tụ yếu trong L 80
KẾT LUẬN 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO 88
Trang 6LỜI CẢM ƠN
Trước khi trình bày nội dung chính của luận văn, tác giả xin bày tỏ lòng biết
ơn chân thành và sâu sắc của mình tới thầy giáo: PGS. TS Phan Viết Thư, người đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và đóng góp nhiều ý kiến quý báu. Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tập thể các thầy cô giáo, các nhà khoa học của trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQG Hà Nội, xin cảm ơn bạn bè đồng nghiệp, cảm ơn gia đình đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận văn này. Trong quá trình hoàn thành luận văn, mặc dù dưới sự chỉ đạo ân cần chu đáo của các thầy cô giáo và bản thân cũng hết sức cố gắng, song không tránh khỏi những hạn chế, thiếu sót. Vì vậy, tác giả rất mong nhận được sự góp ý, giúp đỡ của các thầy cô, các bạn để bản luận văn này được hoàn chỉnh hơn. Tác giả xin chân thành cảm ơn!
Trang 7LỜI NÓI ĐẦU
Bản luận văn giới thiệu về các không gian hàm L p. Các không gian L plà các không gian hàm được định nghĩa thông qua việc sử dụng một chuẩn tổng quát hóa một cách tự nhiên từ chuẩn p của không gian véc tơ hữu hạn chiều (nhiều khi chúng được gọi là các không gian Lebesgue). Theo Bourbaki, chúng được đưa ra đầu tiên bởi Riesz Frigyes (nhà toán học gốc Hungary). Các không gian p
L lập nên một lớp quan trọng của các không gian Banach trong giải tích hàm, không gian véc tơ tô pô, chúng có ứng dụng quan trọng trong vật lí, xác suất thống kê, toán tài chính, kỹ thuật và nhiều lĩnh vực khác.
Mặc dù là lớp không gian hàm quan trọng và có nhiều ứng dụng nhưng trong các giáo trình giải tích hàm cũng như lí thuyết độ đo và tích phân cơ bản, các không gian này chưa được mô tả chi tiết. Với mong muốn trình bày các ý tưởng chung cũng như đi sâu nghiên cứu về các không gian , nhằm giúp cho việc sử dụng các không gian này một cách có hệ thống và thuận tiện, tác giả đã chọn đề tài luận văn của mình là:
“Về một số không gian hàm thường gặp”
Trang 8Mục đích chính của chương II là thảo luận về các không gian hàm
,1
p
L p và các tính chất. Điều đặc biệt là ta coi các không gian đó là không gian con của một không gian lớn hơn gồm các lớp tương đương của các hàm (hầu như) đo được. Chính vì vậy, các không gian hàm lần lượt được trình bày là không gian , không gian (không gian các hàm đo được khả tích), không gian (không gian các hàm bị chặn cốt yếu), không gian (không gian các hàm số có lũy thừa bậc p của mô đun khả tích trên X). Các không gian này được trình bày một cách hệ thống theo từng nội dung: xây dựng khái niệm, chỉ ra cấu trúc thứ tự, xét chuẩn trong nó, xét tính đối ngẫu, chỉ ra một vài không gian con trù mật quan trọng,
áp dụng vào lí thuyết xác suất (xét kì vọng có điều kiện) và cuối cùng luôn là mở rộng cho không gian phức.
Trong chương III, tác giả mô tả một số dạng hội tụ quan trọng trong các không gian L Đó là sự hội tụ theo độ đo trong L và hội tụ yếu trong L Ngoài ra trong chương này, tác giả cũng chỉ ra các tính chất ổn định trong phạm vi rộng của lớp các tập khả tích đều trong ℒ hay L
Do thời gian có hạn cũng như việc nắm bắt kiến thức còn hạn chế nên trong khóa luận không tránh khỏi những thiếu sót. Rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy cô và sự góp ý chân thành của các bạn đọc.
Hà Nội ngày 10 tháng 11 năm 2014 Học viên
Vũ Thị Tuyển
Trang 9Chương I Các kiến thức cơ sở
1.1 Không gian metric
Định nghĩa 1.1 Giả sử X là một tập khác rỗng, một metric trong X là một ánh xạ :
Định nghĩa 1.2
a) Dãy x n ntrong không gian metric X gọi là dãy cơ bản nếu:
b) Không gian metric X gọi là không gian metic đầy đủ nếu mọi dãy cơ bản của không gian X đều hội tụ đến một phần tử nào đó của không gian này.
Trang 101.2 Không gian đo và Độ đo
2) Nếu là σ - đại số các tập con của X thì cặp ( , )X gọi là một không gian đo
được (đo được với hoặc - đo được)
Định nghĩa 1.6 Cho một không gian đo được ( , )X
1) Một ánh xạ : 0, được gọi là một độ đo nếu:
i) ( ) 0
ii) có tính chất σ – cộng tính, hiểu theo nghĩa:
1 1
n n
, (A )n , n * e) là độ đo nửa hữu hạn, hay (X, , ) là một không gian đo nửa hữu hạn
nếu với mọi E và ( )E thì tồn tạiF Ethỏa mãn F và
0( )F
f) là độ đo khả địa phương hóa, hay (X, , ) là một không gian đo khả địa
phương hóa nếu nó là nửa hữu hạn và với mọi E , tồn tại một H thỏa
mãn:
Trang 11(ii) Nếu G và E G là bỏ qua được với mọi \ E E thì H G là bỏ qua \được
Sẽ thuận tiện hơn nếu ta gọi tập H như trên là essential suppremum của E trên
g) Một tập E gọi là một nguyên tử đối với hay - nguyên tử nếu
( )E 0
và với mỗi tập F thỏa mãn F , F Ethì E F là bỏ qua \được.
1.3.1 Độ đo Lebesgue trên
Tồn tại một σ - đại số các tập con của mà mỗi A gọi là một tập đo
được theo Lebesgue (hay (L) – đo được) và một độ đo xác định trên (gọi là
Trang 12iii) Tập A là (L) – đo được khi và chỉ khi với mọi 0 tồn tại tập đóng
1.4.1 Cấu trúc của hàm số đo được
Định nghĩa 1.10 Cho một tập bất kì A trong không gian X, ta gọi hàm chỉ tiêu của A là hàm số A(x) xác định như sau:
A
khi x A khi x A
Trang 13Định lí 1.4 Nếu μ là một độ đo đủ thì mọi hàm số g(x) tương đương với một hàm
số đo được f(x) cũng đều đo được.
Định nghĩa 1.13 Dãy hàm f gọi là hôi tụ hầu khắp nơi về hàm số f(x) trên n
Định nghĩa 1.14 Cho những hàm số f n(x)(n1, 2, ) và f(x) đo được trên một tập
A. Ta nói dãy f n(x)hội tụ theo độ đo μ tới f(x) và viết f n(x) f(x),
Trang 14Định nghĩa 1.17 Không gian định chuẩn E gọi là khả ly nếu E có một tập con đếm được trù mật trong E, nghĩa là tồn tại một dãy x n Esao cho với mọi xEtồn tại một dãy con x n k x
Trang 15Trong nhiều vấn đề quan trọng , người ta thường xét không gian định chuẩn lập
thành bởi tập hợp tất cả các phiếm hàm tuyến tính liên tục trên X gọi là không gian đối ngẫu (hay còn gọi là không gian liên hợp) của X, và được kí ký hiệu X*.
Dễ thấy X* là một không gian vectơ với các phép toán thông thường. Ngoài ra, với mỗi phần tử f thuộc X*, đặt
Trang 16Định lí 1.8 (định lí hội tụ đơn điệu Beppo Levi) Nếu f n(x)0 và f n(x)đơn điệu tăng đến f(x) trên A thì
1.7 Không gian tô pô
Định nghĩa 1.24 Cho một tập X bất kì. Ta nói một họ G những tập con của X là một tô pô (hay xác định một cấu trúc tô pô) trên X nếu:
Trang 17Hiển nhiên định nghĩa này bao hàm định nghĩa về ánh xạ liên tục từ một không gian metric vào một không gian metric khác
đó là
tô pô yếu nhất đảm bảo cho sự lien tục của ánh xạ f.
Sự hội tụ của dãy điểm trong tô pô được định nghĩa tương tự như trong không gian metric. Tuy nhiên, ở đây cần đưa vào một khái niệm rộng hơn khái niệm dãy hội tụ.
( ) ( ).
Chú ý rằng trong không gian metric, giới hạn của một dãy (nếu có) là duy nhất, còn với tô pô thì không nhất thiết. Muốn đảm bảo tính duy nhất của giới hạn ta xét các không gian tô pô đặc biệt, thỏa mãn tiên đề tách sau đây: Với mọi cặp điểm x x1, 2Xđều có hai lân cận V V1, 2 của x x1, 2sao cho V1V2 .Một không gian tôpô thỏa mãn điều kiện đó gọi là không gian Housdorff (không gian tách), tô pô của nó gọi là tô pô Housdoff (tô pô tách).
Định lí 1.13 Trong không gian tô pô Housdorff , một lọc chỉ có thể hội tụ tới nhiều nhất một điểm
Định nghĩa 1.26. Một không gian tôpô X gọi là compact nếu mỗi lọc S trên X đều
có một lọc mạnh hơn hội tụ.
Trang 18
Chương II Các không gian hàm
Mục đích chính của chương này là thảo luận về các không gian L1, Lvà L p trong ba mục tương ứng dưới đây. Một điểm thuận lợi là ta coi các không gian đó là các không gian con của một không gian lớn hơn 0
L gồm các lớp tương đương của các hàm (hầu như) đo được.
2.1 Không gian và
Nguyên tắc gần như đầu tiên của lý thuyết độ đo chính là các tập có độ đo không thường được bỏ qua. Tương tự, hai hàm trùng nhau hầu khắp nơi có thể thường (không luôn luôn!) được xem như là đồng nhất với nhau. Ý tưởng của phần này là thành lập không gian gồm các lớp tương đương của các hàm số, và nói rằng hai hàm số là tương đương nếu và chỉ nếu chúng trùng nhau ngoài một tập bỏ qua được.
Nếu E X , E Clà tập - không thì hạn chế của f trên E, kí hiệu f E là - đo được ( đo được đối với - đại số bổ sung theo )
2.1.2 Tính chất cơ bản
Nếu (X, , ) là một không gian đo bất kỳ, khi đó chúng ta có những điều sau đây, tương ứng với những tính chất cơ bản của hàm đo đươc.
(c) cf L0 với mọi f L0,c
,
f g L (e) Nếu f L0 và :h là Borel đo được, thì 0
hf L (f) Nếu ( )f n n là một dãy trong 0
Trang 19(g) Nếu ( )f n n là một dãy trong L và sup n
L dưới quan hệ “h k n . “. Với 0
,
f L viết f là lớp tương đương trong 0
Trang 20L bằng cách nói rằng fg nếu và chỉ nếu f h k n . g.
0
u vL
Chứng minh:
Trang 21Lấy f g L, sao cho f u g, v. Khi đó f g, f g, ta viết
(f g x)( ) max( ( ), ( )),f x g x (f g x)( ) min( ( ), ( ))f x g x với x domf domg
Trang 22(a) Một không gian Riesz U là Ác-si-mét nếu với bất kỳ uU u, 0(nghĩa là, u 0
và u ), 0 vU,có một n sao cho nu’ v.
(b) Một không gian Riesz U là Dedekind -đủ (hay -thứ tự-đủ, hay đủ) nếu với mọi tập khác rỗng đếm được AU bị chặn trên đều có ít nhất một cận trên nhỏ nhất ở trong U
(c) Một không gian Riesz là Dedekind đủ (hay thứ tự đủ, hay đủ) nếu với mọi tập khác rỗng AU bị chặn trên trong U đều có ít nhất một cận trên nhỏ nhất ở trong
.
L Viết A như là {f n:n } trong đó ( )f n n là một dãy trong L0, và w như là h
Trang 23g x q q xF chấp nhận là cận trên đúng của một tập bị chặn trên, và là sup . Khi đó
uh với mỗi uA, thì .
*
E x f x q bây giờ f h k n . h, vì vậy E‚ G q{ : ( )x f x h x( )} là bỏ qua được.
Vì F q là một cận trên đúng cốt yếu của Eq, nên F q‚ G q là bỏ qua được với mỗi
h là một cận trên của A; nghĩa là,
•
ug w với u và w là một cận trên của A A.
Trang 24Điều này có nghĩa là g là cận trên nhỏ nhất của A trong L. Do A là bất kỳ, nên
.
wL Biểu
diễn w như là •
h trong đó :h X là đo được, và đặt Fx h x: 0 Khi đó
F là một cận trên đúng cốt yếu của E trong . Thật vậy,
Do E tùy ý nên (X, , ) là địa phương hóa.
2.1.7 Cấu trúc nhân của
Giả sử (X, , ) là một không gian đo bất kỳ, 0 0 0 0
L L L L (a) Nếu f f g g L1, 2, 1, 2 0 và f1h k n . f g2, 1h k n . g2 thì f1g1h k n.. f2g2.Tương tự, ta định nghĩa phép nhân trong 0
Trang 252.1.8 Hoạt động của các hàm Borel trên
Giả sử (X, , ) là một không gian đo và :h là một hàm Borel đo được.
(b) Tương tự 2.1.4, dễ dàng mô tả phép cộng và phép nhân vô hướng trong L0 Cùng với hai phép toán đó, 0
L là một không gian tuyến tính trên Chúng không
có cấu trúc thứ tự, nhưng chúng ta có thể xác định một `phần thực', là
{f :f L là thực hầu khắp nơi}, hiển nhiên xác định được không gian tuyến tính thực 0
Hiển nhiên, ta vẫn còn một phép nhân trong 0
L thỏa mãn tất cả các công thức trong 2.1.7.
uL , u là cận trên đúng trong 0
L của {Re(u) : ,| | 1}. Thật vậy, nếu | | 1 , thì Re(u) |u| | u| vì |u| là một cận trên của
{Re(u) :| | 1} Hơn nữa, nếu 0
vL và Re(u)v với | | 1 , ta biểu diễn u,
v là f g trong đó •, • f :X và g X : là đo được. Với mỗi q ,xX đặt f x q( )Re e f x( iqx ( )). Khi đó f qa e. g. Tương tự H{ :x f x q( )g x( ) với mỗi
}
q là có phần bù bỏ qua được. Dĩ nhiên H { :|x f x( ) | g x( )}, do đó
.
Trang 262.2 Không gian
L là các lớp tương đương của các hàm khả tích. Không gian này mô tả rất nhiều các định lý về các hàm khả tích . Nó cũng có thể xuất hiện như là một không gian tự nhiên mà trong đó có thể tìm ra nhiều lời giải cho một lớp rất lớn các
phương trình tích phân, và như là phần bổ sung cho không gian các hàm liên tục. 2.2.1 Không gian
L Nếu f g L, 1 và f h k n . g thì f g. Tương tự chúng ta có thể xác định một hàm f trên L1 bằng cách viết •
Trang 27u vL và uv thì uv, bởi vì nếu f g, là các hàm khả tích và f h k n . g thì f g.
Trang 28(a) Với f L L ( ), Ta viết || f ||1| | [0, )f Với uL L( ) , đặt || ||u 1| |u ,
|| ||u | |u | | || || v v Đặc biệt || || ||| |||u 1 u 1với mỗi 1
.
uL (d) L1 là không gian Riesz định chuẩn thỏa mãn:
Để có kết quả tiếp theo, chúng ta cần một biến thể của Định lý Levi.
Trang 29Bổ đề 2.3 Giả sử (X, , ) là một không gian đo và ( )f n n là một dãy của các hàm nhận giá trị thực khả tích thỏa mãn
Trang 30Giả sử ( )u n n là một dãy Cauchy trong L sao cho ||u n1u n||14 với mỗi
2.2.4 là một không gian Riesz
Ta xét không gian tuyến tính có thứ tự L1 theo cách đã sử dụng trong 2.1.5 – 2.1.7 cho L 0
Định lý 2.5 Giả sử (X, , ) là một không gian đo bất kỳ. Khi đó L1L1( ) là Dedekind đủ.
Trang 31Chú ý rằng thứ tự-đủ của 1
L không giống như của 0
L , nó không phụ thuộc vào bất kỳ tính chất đặc biệt của không gian đo (X, , ) .
2.2.4.2 Định lý Radon- Nikodým
Định lý 2.6 (Radon-Nikodým) Giả sử (X, , ) là một không gian đo bất kỳ. Khi
đó có một song ánh chuẩn tắc giữa L1L1( ) và tập các hàm cộng tính thực sự liên tục : , được cho bởi công thức
F
với F,uL1.
Nhận xét: Cần nhắc lại rằng nếu là - hữu hạn, thì các phiếm hàm cộng tính thực sự liên tục là các phiếm hàm liên tục tuyệt đối cộng tính đếm được; và nếu
là hoàn toàn hữu hạn, thì tất cả các hàm liên tục tuyệt đối (hữu hạn) cộng tính là thực sự liên tục.
Trang 32hai phần tử phân biệt của L, có một F sao cho
F
, vì vậy u v ; bởi vậy uu là đơn ánh cũng như là toàn ánh.
2.2.5 Nhắc lại về kỳ vọng có điều kiện
(a) Giả sử (X, , ) là một không gian đo, và T là một - đại số con của Khi
E x xFG f x g x T thì
(c) Bây giờ giả sử rằng X 1, do vậy (X, , ) là một không gian xác suất. Nhắc
lại rằng g là một kỳ vọng có điều kiện của f trên T nếu g là T - khả tích và
với mỗi FT ; và mọi hàm - khả tích đều có một kỳ vọng có điều
kiện như vậy. Nếu g là một kỳ vọng có điều kiện của f và f1 f - hầu khắp nơi
thì g là một kỳ vọng có điều kiện của f1 , bởi vì F f1F f với mỗi F; và dễ thấy
rằng nếu g g, 1 là các kỳ vọng có điều kiện của f trên T thì gg1,
T
- hầu khắp nơi.
Trang 33T
L L , trong khi (g) trở thành P2 P. Định lý 2.7. Giả sử (X, , ) là một không gian xác suất và T là một - đại số con
Trang 35(b) Bởi vì là không gian con tuyến tính của nằm trong , S là không
Định nghĩa 2.6 Nếu f là một hàm nhận giá trị thực hay giá trị phức xác định trên
Định lý 2.10 Giả sử X là một tập con bất kỳ của trong đó , và giả sử là
độ đo Lesbegue trên , nghĩa là, độ đo trên không gian con được suy từ độ đo Lesbegue trên
Trang 36nếu
nếu
nếu
n j j
Trang 37(iii) Nếu f là một hàm đơn giản, biểu diễn f bởi trong đó mỗi có độ
Trang 38là Lesbegue đo được. Tiếp theo, g là bị chặn và tập là bị chặn trong và do vậy hữu hạn đối với độ đo ngoài , và hữu hạn với độ đo
Trang 39(d) Trong 2.2.6, chúng ta cần thay thế bởi , không gian`các hàm đơn giản nhận
c) Viết , lớp tương đương của các hàm hằng số trong nhận giá trị 1,