単関数(simple function)とは、可測空間上の実数値の可測関数で、有限個の値しかとらないものであり、可測集合の指示関数の有限個の 1 次結合 $\sum_ic_i1_{A_i}$ として書ける関数と同じである。非負単関数 $\sum_ic_i1_{A_i}$($c_i\ge0$)の測度 $\mu$ による積分は $\sum_ic_i\mu(A_i)$ で定まり、その値は表し方によらない。拡大実数値の可測関数は、値の範囲を幅 $2^{-n}$ で切り捨てた単関数の列で各点近似でき、非負の関数なら近似を増加列にとれるので、Lebesgue 積分は単関数の積分の上限・極限として作られる。
単関数(simple function)は、有限個の値しかとらない可測関数である。値 $c_1,\dots,c_m$ と、各値をとる点の集合 $A_1,\dots,A_m$ が分かれば関数が決まるので、値が $0$ 以上なら、測度 $\mu$ についての積分を $\sum_ic_i\mu(A_i)$ と「値 × その値をとる集合の測度」の和で定めることができる。Lebesgue 積分は、まず単関数に対してこの和で積分を定め、一般の非負可測関数を下から単関数で近似して上限をとることで作られる。近似には、値の範囲を幅 $2^{-n}$ の区間に分け、各区間に値が入る点の集合ごとに切り捨てた値を与える単関数を使う。定義域を区間に分ける Riemann 積分の階段関数との違いはここにある。
以下、$(X,\mathcal{F})$ を可測空間とし、集合 $A\subset X$ の指示関数を $1_A$($A$ 上で $1$、$X\setminus A$ 上で $0$)と書く。
関数 $s\colon X\to\mathbb{R}$ が単関数であるとは、$s$ が $\mathcal{F}$-可測で、とる値が有限個であることをいう。値がすべて $0$ 以上の単関数を非負単関数という。複素数値の関数は、実部と虚部が単関数であるとき単関数という。
単関数の値はすべて実数である($\pm\infty$ をとらない)。Axler20 2.88 は有限個の値をとる関数をすべて simple function と呼び、可測性を別に課している。Tao11 Definition 1.4.35 は $[0,+\infty]$ に値をとる(値 $+\infty$ も許す)可測な単関数を扱っている。この記事では、可測性を定義に含め、値は実数に限る。
関数 $s\colon X\to\mathbb{R}$ について、次は同値である。
1 ⇒ 3:$s$ は可測なので $s^{-1}(c)=\{s\ge c\}\cap\{s\le c\}\in\mathcal{F}$ である(可測関数 の定理「可測性の判定」)。3 ⇒ 2:$X$ の各点 $x$ は、ちょうど 1 つの $c\in s(X)$ について $s^{-1}(c)$ に属するので、$s=\sum_{c\in s(X)}c\,1_{s^{-1}(c)}$(標準表現)である。2 ⇒ 1:各点での値は $c_1,\ldots,c_m$ のいくつかの和なので、とりうる値は高々 $2^m$ 個である。指示関数 $1_{A_i}$ は可測であり(可測関数 の例「指示関数」)、可測関数の実数倍と和は可測である(可測関数 の定理「演算と合成」)。
一意性:$s=\sum_jd_j1_{B_j}$ をそのような表し方とする。各点はちょうど 1 つの $B_j$ に属するので、$B_j$ の上で $s=d_j$ であり、$s(X)=\{d_j\}_j$ である。$x\in s^{-1}(d_j)$ が $B_k$ に属すれば $d_k=s(x)=d_j$ なので $k=j$ であり、$s^{-1}(d_j)\subset B_j$ である。逆の包含は明らかなので $B_j=s^{-1}(d_j)$ となり、この表し方は標準表現である。$\square$
Axler20 3.13 の直前に同じ形の表し方(standard representation)があり、2.88 の後では値 $0$ の項を除いた形の表し方を使っている。2 の表し方では $A_i$ が交わってもよく、係数が等しい項があってもよい。
単関数の全体は、和・差・積・$\max$・$\min$ で閉じている。$s,t$ が単関数なら、$s+t$ などの値は $s(X)$ と $t(X)$ の元の組から決まるので有限個であり、可測性は 可測関数 の定理「演算と合成」による。さらに、任意の関数 $\varphi\colon\mathbb{R}\to\mathbb{R}$ について $\varphi\circ s$ は単関数である。値は有限集合 $\varphi(s(X))$ に入り、各値 $d$ の逆像 $(\varphi\circ s)^{-1}(d)$ は $s^{-1}(c)$($c\in s(X)$、$\varphi(c)=d$)の有限個の和集合だからである。可測関数の合成では $\varphi$ に Borel 可測性が要るが、単関数ではどんな $\varphi$ でもよい。
$[0,\infty]$ の中の計算では $0\cdot\infty=\infty\cdot0=0$ と約束する。$\mu$ を $(X,\mathcal{F})$ 上の測度とする。
非負単関数 $s$ を、$c_i\ge0$、$A_i\in\mathcal{F}$ によって $s=\sum_{i=1}^mc_i1_{A_i}$ と表すとき、
$$
\int s\,d\mu:=\sum_{i=1}^mc_i\,\mu(A_i)\in[0,\infty]
$$
と定める。$E\in\mathcal{F}$ について $\int_Es\,d\mu:=\int s1_E\,d\mu$ とおく。
右辺は表し方を使って書かれているので、表し方によらないことを確かめる必要がある。
$s,t$ を非負単関数、$c\ge0$ とする。
1 は Axler20 3.13 にある(そこでは係数に $\infty$ も許している)。値が正にも負にもなる単関数 $s$ は、$\mu(\{s\ne0\}) < \infty$ のとき $\int s\,d\mu:=\int s^+\,d\mu-\int s^-\,d\mu=\sum_{c\in s(X)}c\,\mu(s^{-1}(c))$ と積分でき($s^{\pm}$ も単関数)、2 の線形性は実数の係数でも成り立つ(Lebesgue積分 の定理「積分の線形性と単調性」の 2 の特別な場合)。単関数 $1_{\mathbb{R}}$ の Lebesgue 測度についての積分は $\infty$ であり、5 のとおり積分が有限になるのは値が $0$ でない集合の測度が有限のときである。
非負の可測関数 $f$ の積分は、$\int f\,d\mu:=\sup\{\int s\,d\mu\mid s\text{ は非負単関数で }0\le s\le f\}$ と定義される(Lebesgue積分 の定義「非負可測関数の積分」)。$f$ 自身が単関数なら、3 によりこの上限は $s=f$ で達成されるので、2 つの定義は一致する。
可測関数は、値の側を細かく分けることで単関数により近似できる。$n\ge1$ について関数 $\psi_n\colon[0,\infty]\to[0,\infty)$ を
$$
\psi_n(t):=\min\bigl\{n,\ 2^{-n}\lfloor2^nt\rfloor\bigr\}\quad(0\le t < \infty),\qquad \psi_n(\infty):=n
$$
と定める。$\psi_n(t)$ は、$t < n$ なら $t$ を $2^{-n}$ の倍数に切り捨てた値であり、$t\ge n$ なら $n$ である。
$f\colon X\to[-\infty,\infty]$ を可測関数とし、$s_n:=\psi_n\circ f^+-\psi_n\circ f^-$ とおく($f^+:=\max(f,0)$、$f^-:=\max(-f,0)$)。
$\psi_n$ の性質を先に確かめる。$t\in[0,\infty)$ とし、$a_n(t):=2^{-n}\lfloor2^nt\rfloor$ とおく。
この近似は Axler20 2.89 と同じ形である。$s_n$ の値が $k2^{-n}$ になる点の集合は $\{k2^{-n}\le f < (k+1)2^{-n}\}$ であり、近似は $f$ の値の範囲を等分して作られている。
2 により、非負可測関数の積分は具体的な単関数の積分の極限として計算できる。$\mu$ が σ-有限測度 で、$Y_1\subset Y_2\subset\cdots$ が測度有限の可測集合で $X=\bigcup_nY_n$ となるものなら、$s_n1_{Y_n}$ も $f\ge0$ に増加して各点収束し、しかも $\mu(\{s_n1_{Y_n}\ne0\})\le\mu(Y_n) < \infty$ である。
1 は Lp空間 の命題「単関数の稠密性」である。2:$f\in L^\infty(\mu)$ とし、$M:=\|f\|_\infty$ とする。$|f|\le M$ はほとんど至るところ成り立つ(Lp空間 の補題「本質的上限は達成される」)ので、$g:=f1_{\{|f|\le M\}}$ は $f$ とほとんど至るところ等しい有界な可測関数であり、$L^\infty(\mu)$ の同じ元を表す。thm-sf-approx の 4 により $g$ を近似する単関数 $s_n$ は $\sup_x|g(x)-s_n(x)|\le2^{-n}$($n\ge M$)を満たすので、$\|f-s_n\|_\infty\le2^{-n}\to0$ である。複素数値なら、実部と虚部(どちらも絶対値は $M$ 以下)にそれぞれこの近似を当てて $s_n$ を作ると $\sup_x|g(x)-s_n(x)|\le\sqrt2\,2^{-n}$ となり、同じく $\|f-s_n\|_\infty\to0$ である。$\square$
2 では $\{s\ne0\}$ の測度が有限であることを要求していない。$\mathbb{R}$ 上の Lebesgue 測度では、測度有限の集合の外で $0$ になる単関数は定数関数 $1$ を $L^\infty$ で近似できない(Lp空間 の命題「単関数の稠密性」の後の説明)。
以下、$\lambda$ は $\mathbb{R}$ の Lebesgue 可測集合の σ-代数の上の Lebesgue 測度である。
$f(x)=x$($x\in[0,1]$)を thm-sf-approx で近似する。$n\ge1$ では $f\le1\le n$ なので $s_n(x)=2^{-n}\lfloor2^nx\rfloor$ であり、$s_n$ は区間 $[k2^{-n},(k+1)2^{-n})$($0\le k < 2^n$)の上で値 $k2^{-n}$、点 $1$ で値 $1$ をとる。1 点の測度は $0$ なので
$$
\int_{[0,1]}s_n\,d\lambda=\sum_{k=0}^{2^n-1}k2^{-n}\cdot2^{-n}=2^{-2n}\cdot\frac{(2^n-1)2^n}{2}=\frac12-\frac1{2^{n+1}}
$$
であり、$n\to\infty$ で $\int_{[0,1]}x\,d\lambda=\frac12$ に増加して近づく(cor-sf-limit の 2)。誤差 $f-s_n$ は $0$ 以上 $2^{-n}$ 未満で、thm-sf-approx の 4 のとおり一様に小さい。
$D:=1_{\mathbb{Q}\cap[0,1]}$ は値 $0,1$ だけをとり、$\mathbb{Q}\cap[0,1]$ は可算集合なので Borel 集合であるから、単関数である。標準表現から $\int D\,d\lambda=1\cdot\lambda(\mathbb{Q}\cap[0,1])=0$ である(可算集合の Lebesgue 測度は $0$)。$D$ は Riemann 積分できない(Lebesgue積分 の例「Dirichlet関数」)。
Riemann 積分の下限和・上限和は、定義域を区間に分けて各区間で定数をとる階段関数、すなわち有限個の区間の指示関数の 1 次結合(Axler20 3.46)の積分である。階段関数は Borel 可測な単関数だが、逆は成り立たない。
| 階段関数 | 単関数 | |
|---|---|---|
| 分けるもの | 定義域(有限個の区間) | 値(有限個の値をとる可測集合) |
| 値をとる集合 | 区間 | 任意の可測集合 |
| $1_{\mathbb{Q}\cap[0,1]}$ | 含まれない | 含まれる |
| 下から近づけたときの積分の上限 | Riemann 下積分 | Lebesgue 積分 |
$D=1_{\mathbb{Q}\cap[0,1]}$ は階段関数でない。$g=\sum_{i=1}^ma_i1_{I_i}$($I_i$ は区間)とすると、$I_i$ の端点を小さい順に並べたとき、隣り合う端点の間の開区間(と、最小の端点より左・最大の端点より右の開区間)の上では、どの $1_{I_i}$ も定数なので $g$ も定数である。$(0,1)$ はこれらの開区間のどれかと長さ正の区間で交わるが、長さ正の区間は有理数と無理数をともに含むので、$D$ はその上で定数でない。よって $D\ne g$ である。
| 外す条件・成り立たない含意 | 反例 | 起こること |
|---|---|---|
| def-sf-main の可測性 | Vitali 集合 $V$ の指示関数 $1_V$ | 値は $0,1$ の 2 つだが単関数でなく、$\lambda(V)$ が定まらないので「値 × 測度」の和が意味をもたない |
| def-sf-main の値が有限個 | $\mathbb{R}$ 上の $\lfloor x\rfloor$ | Borel 可測だが、値が無限個なので単関数でない |
| thm-sf-approx の 4 の有界性 | $\mathbb{R}$ 上の $f(x)=x$ | どの単関数 $s$ についても $\sup_x\lvert f(x)-s(x)\rvert=\infty$ |
| 下からの近似(上からの近似に替える) | $(0,1]$ 上の $f(x)=x^{-1/2}$ | $\int f\,d\lambda=2$ だが、$s\ge f$ となる単関数 $s$ はない |
各行は左の列の条件だけを破っている。
Banach 空間 $E$ に値をとる関数についても、互いに交わらない可測集合 $A_i$ と $v_i\in E$ による $s=\sum_iv_i1_{A_i}$ を単関数といい、$v_i\ne0$ となる $A_i$ の測度がすべて有限なら、積分を $\sum_i\mu(A_i)v_i$ と定める。Bochner積分 は、単関数の列でほとんどいたるところ近づけられる関数 $f$(強可測関数)のうち $\int\|f\|\,d\mu < \infty$ となるものに、この積分を広げたものである。$E$ には順序がないので、thm-sf-approx のような値の切り捨てによる近似は使えない。強可測性を、すべての連続線形汎関数との合成が零集合を除いて可測関数と一致すること(弱可測性)と値の本質的な可分性から判定する方法は Pettisの可測性定理 で扱う。
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