EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Теорема Лебега о мажорируемой сходимости: DCT и применения

5 марта 2026Время чтения: 8 минут
#теорема Лебега#мажорируемая сходимость#DCT#интеграл Лебега#предельный переход
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 gg, мажорирующую всю последовательность. Ниже - формулировка, доказательство через лемму Фату, сравнение с теоремами Леви и Фату, применения, контрпример и обобщения.

Формулировка теоремы Лебега

Пусть (X,A,μ)(X, \mathcal{A}, \mu) - пространство с мерой и fn:XRf_n : X \to \mathbb{R} (или C\mathbb{C}) - последовательность измеримых функций. Предположим:

  1. fn(x)f(x)f_n(x) \to f(x) для почти всех xXx \in X (поточечная сходимость почти всюду);
  2. существует измеримая функция g:X[0,]g : X \to [0, \infty] такая, что fn(x)g(x)|f_n(x)| \le g(x) для почти всех xx и всех nn, причём Xgdμ<\int_X g \, d\mu < \infty.

Тогда ff интегрируема, и выполнено

limnXfndμ=Xfdμ,limnXfnfdμ=0.\lim_{n \to \infty} \int_X f_n \, d\mu = \int_X f \, d\mu, \qquad \lim_{n \to \infty} \int_X |f_n - f| \, d\mu = 0.

Второе соотношение сильнее первого: сходимость в L1L^1-норме. Из него автоматически вытекает первое - по неравенству fnffnf|\int f_n - \int f| \le \int |f_n - f|. Условие мажоранты fng|f_n| \le g с интегрируемой gg - единственное «нетривиальное» требование теоремы; всё остальное либо измеримость, либо сходимость почти всюду.

Подставь свою последовательность fnf_n 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 gfng - f_n и g+fng + f_n, которые неотрицательны почти всюду в силу fng|f_n| \le g.

Шаг 1. Применяем Фату к gfn0g - f_n \ge 0:

(gf)dμ=lim inf(gfn)dμlim inf(gfn)dμ=gdμlim supfndμ.\int (g - f) \, d\mu = \int \liminf (g - f_n) \, d\mu \le \liminf \int (g - f_n) \, d\mu = \int g \, d\mu - \limsup \int f_n \, d\mu.

Сокращая g\int g (он конечен), получаем lim supfnf\limsup \int f_n \le \int f.

Шаг 2. Применяем Фату к g+fn0g + f_n \ge 0:

(g+f)dμlim inf(g+fn)dμ=gdμ+lim inffndμ.\int (g + f) \, d\mu \le \liminf \int (g + f_n) \, d\mu = \int g \, d\mu + \liminf \int f_n \, d\mu.

Аналогично получаем flim inffn\int f \le \liminf \int f_n. Объединяя оба неравенства: flim inffnlim supfnf\int f \le \liminf \int f_n \le \limsup \int f_n \le \int f, то есть предел существует и равен f\int f.

Для L1L^1-сходимости применяют тот же трюк к 2gfnf02g - |f_n - f| \ge 0. Конечность g\int g здесь критична: без неё нельзя «сокращать» g\int g 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 0f1f20 \le f_1 \le f_2 \le \dots и fnff_n \to f почти всюду, то fnf\int f_n \to \int f. Не требует мажоранты - её роль играет сам предел. Работает при монотонном возрастании.

Лемма Фату. Для fn0f_n \ge 0 выполнено lim inffnlim inffn\int \liminf f_n \le \liminf \int f_n. 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 L1L^1-сходимость без условия монотонности.

На практике: монотонная неотрицательная последовательность - Леви; только неотрицательность и нужно неравенство - Фату; произвольный знак с оценкой fng|f_n| \le g, gL1g \in L^1 - Лебег.

Классические применения

Дифференцирование интеграла по параметру. Пусть F(t)=Xf(x,t)dμ(x)F(t) = \int_X f(x, t) \, d\mu(x). Формальное дифференцирование F(t)=tf(x,t)dμF'(t) = \int \partial_t f(x, t) \, d\mu обосновывается DCT: разностные отношения fn(x)=(f(x,t+hn)f(x,t))/hnf_n(x) = (f(x, t + h_n) - f(x, t))/h_n оцениваются по теореме о среднем как fn(x)supstf(x,s)|f_n(x)| \le \sup_s |\partial_t f(x, s)| - это и есть мажоранта gg.

Ряды интегралов. Если nfn<\sum_n \int |f_n| < \infty, ряд fn\sum f_n можно интегрировать почленно: fn=fn\int \sum f_n = \sum \int f_n. Доказательство - DCT к частичным суммам SNS_N с мажорантой g=nfng = \sum_n |f_n|.

Преобразование Фурье. Непрерывность f^(ξ)=f(x)e2πixξdx\hat{f}(\xi) = \int f(x) e^{-2\pi i x \xi} \, dx по ξ\xi для fL1f \in L^1 - прямое применение DCT с мажорантой g(x)=f(x)g(x) = |f(x)|, так как e2πixξ=1|e^{-2\pi i x \xi}| = 1. Тот же приём обосновывает непрерывность характеристической функции в теории вероятностей.

Контрпример без мажоранты

Рассмотрим fn(x)=n1[0,1/n](x)f_n(x) = n \cdot \mathbb{1}_{[0, 1/n]}(x) на [0,1][0, 1] с мерой Лебега. Поточечно fn(x)0f_n(x) \to 0 для всех x>0x > 0, и fn(0)=nf_n(0) = n \to \infty, но множество {0}\{0\} имеет меру ноль - значит, fn0f_n \to 0 почти всюду. При этом

01fndx=n1n=1↛0=010dx.\int_0^1 f_n \, dx = n \cdot \frac{1}{n} = 1 \not\to 0 = \int_0^1 0 \, dx.

DCT не применима, потому что любая мажоранта gg должна удовлетворять g(x)ng(x) \ge n для x[0,1/n]x \in [0, 1/n], то есть g(x)1/xg(x) \ge \lfloor 1/x \rfloor при x>0x > 0, что неинтегрируемо. Без мажоранты предел интегралов отличается от интеграла предела - характерный «бугорок, уезжающий в бесконечность».

Аналогичный контрпример - fn(x)=(1/n)1[0,n](x)f_n(x) = (1/n) \mathbb{1}_{[0, n]}(x) на [0,)[0, \infty). Поточечно fn0f_n \to 0, но fn=1\int f_n = 1 для всех nn. Мажоранта тоже не существует.

Теорема Витали и равномерная интегрируемость

Обобщение DCT, которое заменяет существование мажоранты на более слабое условие - равномерную интегрируемость. Семейство {fn}\{f_n\} называется равномерно интегрируемым, если

limcsupn{fn>c}fndμ=0.\lim_{c \to \infty} \sup_n \int_{\{|f_n| > c\}} |f_n| \, d\mu = 0.

Теорема Витали о сходимости. Если μ(X)<\mu(X) < \infty, fnff_n \to f по мере и {fn}\{f_n\} равномерно интегрируемо, то fnff_n \to f в L1L^1. Для бесконечной меры добавляют условие «равномерная плотность» - отсутствие «утечки массы на бесконечность».

DCT - частный случай: если fng|f_n| \le g с gL1g \in L^1, то семейство автоматически равномерно интегрируемо. Витали покрывает ситуации, где общей мажоранты нет, но каждое отдельное fnf_n хорошо контролируется. Используется, например, в доказательстве сходимости мартингалов и в эргодической теории.

Типовые задачи

Тип 1: вычислить limnfn\lim_n \int f_n. Найти поточечный предел ff, подобрать мажоранту gg, проверить g<\int g < \infty - ответ f\int f.

Тип 2: обосновать ddtf(x,t)dx=tf(x,t)dx\frac{d}{dt} \int f(x, t) \, dx = \int \partial_t f(x, t) \, dx. Оценить tf(x,t)|\partial_t f(x, t)| интегрируемой функцией в окрестности tt, применить DCT к разностным отношениям.

Тип 3: построить контрпример к перестановке предела и интеграла. Стандартные кандидаты - «уезжающий бугорок» n1[0,1/n]n \mathbb{1}_{[0, 1/n]} или «расплывающаяся ступенька» (1/n)1[0,n](1/n) \mathbb{1}_{[0, n]}.

Частые ошибки

  • Применяют DCT, не проверив существование мажоранты. Сходимости почти всюду недостаточно - нужна именно общая интегрируемая gg, мажорирующая все fn|f_n|. Без этого предел может вообще не существовать или отличаться от f\int f.
  • Используют разные мажоранты для разных nn. Условие требует одной функции gg, общей для всей последовательности. Если для каждого nn есть своя gng_n, но supngn\sup_n g_n неинтегрируема - DCT не применима.
  • Забывают проверить g<\int g < \infty. Мажоранта без условия интегрируемости бесполезна. Часто gg оказывается «почти 1/x1/x» вблизи нуля или константой на R\mathbb{R} - оба случая дают g=\int g = \infty.
  • Путают L1L^1-сходимость и поточечную. DCT даёт fnf0\int |f_n - f| \to 0, но не обещает равномерной сходимости. Поточечная сходимость почти всюду - это вход, L1L^1-сходимость - выход.
  • Применяют DCT к fn0f_n \ge 0 без необходимости. Если последовательность монотонна, проще теорема Леви - она не требует мажоранты вообще. DCT уместен, когда знак fnf_n произвольный.

FAQ

Чем DCT отличается от теоремы Леви о монотонной сходимости? Леви требует монотонности fnf_n (неубывающая последовательность неотрицательных функций), но не требует мажоранты. DCT не требует монотонности, но требует общую интегрируемую мажоранту gg. Леви даёт результат и для f=\int f = \infty, DCT - только для конечных интегралов.

Можно ли заменить «почти всюду» на «по мере»? Да, существует версия DCT для сходимости по мере: если fnff_n \to f по мере и fng|f_n| \le g с gL1g \in L^1, то fnf0\int |f_n - f| \to 0. 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 limfn\lim \int f_n 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 n1[0,1/n]n \mathbb{1}_{[0,1/n]}).

Коротко

Теорема Лебега о мажорируемой сходимости - критерий перенесения предела под знак интеграла. Условия: fnff_n \to f почти всюду и существует общая интегрируемая мажоранта fng|f_n| \le g, g<\int g < \infty. Тогда fL1f \in L^1 и fnf\int f_n \to \int f, причём в L1L^1-норме. Доказательство - двойное применение леммы Фату к g±fng \pm f_n. 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 - fn=n1[0,1/n]f_n = n \mathbb{1}_{[0, 1/n]}: поточечно к 0, но =1\int = 1. Обобщение через равномерную интегрируемость - теорема Витали.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также