Теорема Лебега о мажорируемой сходимости: DCT и применения

Теорема Лебега о мажорируемой сходимости (Dominated Convergence Theorem, DCT) - один из самых полезных результатов теории меры. Она отвечает на вопрос «когда можно вносить предел под знак интеграла» и используется везде: от дифференцирования параметрических интегралов до обоснования преобразования Фурье. Сильная сторона DCT - простое и проверяемое условие: достаточно подобрать одну интегрируемую функцию , мажорирующую всю последовательность. Ниже - формулировка, доказательство через лемму Фату, сравнение с теоремами Леви и Фату, применения, контрпример и обобщения.
Формулировка теоремы Лебега
Пусть - пространство с мерой и (или ) - последовательность измеримых функций. Предположим:
- для почти всех (поточечная сходимость почти всюду);
- существует измеримая функция такая, что для почти всех и всех , причём .
Тогда интегрируема, и выполнено
Второе соотношение сильнее первого: сходимость в -норме. Из него автоматически вытекает первое - по неравенству . Условие мажоранты с интегрируемой - единственное «нетривиальное» требование теоремы; всё остальное либо измеримость, либо сходимость почти всюду.
Подставь свою последовательность ниже - соберём задачу и в чате проверим, существует ли мажоранта, посчитаем предел интегралов и при необходимости перейдём к альтернативной теореме.
Набросок доказательства через лемму Фату
Стандартное доказательство DCT - двойное применение леммы Фату к функциям и , которые неотрицательны почти всюду в силу .
Шаг 1. Применяем Фату к :
Сокращая (он конечен), получаем .
Шаг 2. Применяем Фату к :
Аналогично получаем . Объединяя оба неравенства: , то есть предел существует и равен .
Для -сходимости применяют тот же трюк к . Конечность здесь критична: без неё нельзя «сокращать» в неравенствах.
Сравнение с теоремами Леви и Фату
Три классических теоремы перехода к пределу под знаком интеграла образуют связку:
Теорема Леви о монотонной сходимости (MCT). Если и почти всюду, то . Не требует мажоранты - её роль играет сам предел. Работает при монотонном возрастании.
Лемма Фату. Для выполнено . Не требует ни сходимости, ни мажоранты - только неотрицательность. Даёт лишь неравенство.
Теорема Лебега (DCT). Требует мажоранту и сходимость почти всюду - взамен даёт равенство пределов и -сходимость без условия монотонности.
На практике: монотонная неотрицательная последовательность - Леви; только неотрицательность и нужно неравенство - Фату; произвольный знак с оценкой , - Лебег.
Классические применения
Дифференцирование интеграла по параметру. Пусть . Формальное дифференцирование обосновывается DCT: разностные отношения оцениваются по теореме о среднем как - это и есть мажоранта .
Ряды интегралов. Если , ряд можно интегрировать почленно: . Доказательство - DCT к частичным суммам с мажорантой .
Преобразование Фурье. Непрерывность по для - прямое применение DCT с мажорантой , так как . Тот же приём обосновывает непрерывность характеристической функции в теории вероятностей.
Контрпример без мажоранты
Рассмотрим на с мерой Лебега. Поточечно для всех , и , но множество имеет меру ноль - значит, почти всюду. При этом
DCT не применима, потому что любая мажоранта должна удовлетворять для , то есть при , что неинтегрируемо. Без мажоранты предел интегралов отличается от интеграла предела - характерный «бугорок, уезжающий в бесконечность».
Аналогичный контрпример - на . Поточечно , но для всех . Мажоранта тоже не существует.
Теорема Витали и равномерная интегрируемость
Обобщение DCT, которое заменяет существование мажоранты на более слабое условие - равномерную интегрируемость. Семейство называется равномерно интегрируемым, если
Теорема Витали о сходимости. Если , по мере и равномерно интегрируемо, то в . Для бесконечной меры добавляют условие «равномерная плотность» - отсутствие «утечки массы на бесконечность».
DCT - частный случай: если с , то семейство автоматически равномерно интегрируемо. Витали покрывает ситуации, где общей мажоранты нет, но каждое отдельное хорошо контролируется. Используется, например, в доказательстве сходимости мартингалов и в эргодической теории.
Типовые задачи
Тип 1: вычислить . Найти поточечный предел , подобрать мажоранту , проверить - ответ .
Тип 2: обосновать . Оценить интегрируемой функцией в окрестности , применить DCT к разностным отношениям.
Тип 3: построить контрпример к перестановке предела и интеграла. Стандартные кандидаты - «уезжающий бугорок» или «расплывающаяся ступенька» .
Частые ошибки
- Применяют DCT, не проверив существование мажоранты. Сходимости почти всюду недостаточно - нужна именно общая интегрируемая , мажорирующая все . Без этого предел может вообще не существовать или отличаться от .
- Используют разные мажоранты для разных . Условие требует одной функции , общей для всей последовательности. Если для каждого есть своя , но неинтегрируема - DCT не применима.
- Забывают проверить . Мажоранта без условия интегрируемости бесполезна. Часто оказывается «почти » вблизи нуля или константой на - оба случая дают .
- Путают -сходимость и поточечную. DCT даёт , но не обещает равномерной сходимости. Поточечная сходимость почти всюду - это вход, -сходимость - выход.
- Применяют DCT к без необходимости. Если последовательность монотонна, проще теорема Леви - она не требует мажоранты вообще. DCT уместен, когда знак произвольный.
FAQ
Чем DCT отличается от теоремы Леви о монотонной сходимости? Леви требует монотонности (неубывающая последовательность неотрицательных функций), но не требует мажоранты. DCT не требует монотонности, но требует общую интегрируемую мажоранту . Леви даёт результат и для , DCT - только для конечных интегралов.
Можно ли заменить «почти всюду» на «по мере»? Да, существует версия DCT для сходимости по мере: если по мере и с , то . Доказательство - переход к подпоследовательности, сходящейся почти всюду, и применение классической DCT с аргументом «у любой подпоследовательности есть подподпоследовательность, сходящаяся к одному пределу».
Что делать, если мажоранты нет, а посчитать нужно? Варианты: (а) проверить равномерную интегрируемость и применить теорему Витали; (б) применить лемму Фату для одностороннего неравенства; (в) если ничего не выходит - предел интегралов действительно может отличаться от интеграла предела (как в контрпримере с ).
Коротко
Теорема Лебега о мажорируемой сходимости - критерий перенесения предела под знак интеграла. Условия: почти всюду и существует общая интегрируемая мажоранта , . Тогда и , причём в -норме. Доказательство - двойное применение леммы Фату к . В связке с теоремой Леви (монотонная сходимость) и леммой Фату (одностороннее неравенство для неотрицательных) DCT закрывает большинство практических ситуаций: дифференцирование параметрических интегралов, почленное интегрирование рядов, непрерывность характеристических функций и преобразования Фурье. Контрпример без мажоранты - : поточечно к 0, но . Обобщение через равномерную интегрируемость - теорема Витали.
Читайте также

Лемма Фату: формулировка, доказательство и применения
Лемма Фату: для неотрицательных измеримых выполнено . Доказательство через монотонную сходимость, связь с DCT.

Алгоритм Рабина-Карпа: поиск подстроки за O(n+m)
Разбираем алгоритм Рабина-Карпа: как полиномиальный хеш и скользящее окно ускоряют поиск подстроки до O(n+m) в среднем, почему бывают ложные совпадения и при чём тут плагиат.

Распределение Фишера критические значения: как искать F-квантили
Распределение Фишера и его критические значения: что такое F-распределение, как читать таблицу критических значений по двум степеням свободы, как применять F-квантили в F-тесте на равенство дисперсий и в дисперсионном анализе.