实变函数测试题11、设 212(0,1/),(0,),0,1,2...,n n A n A n n -===n 求出集列{A }的上限集和下限集合。
解:()∞=∞→,0lim n n A ;设()∞∈,0x ,则存在N ,使x N <,因此n N >时,0x n <<,即n A x 2∈,所以x 属于下标比N 大的一切偶指标集,从而x 属于无限多n A ,得n n A x ∞→∈lim 又显然()∞⊂∞→,0lim n n A ,所以()∞=∞→,0lim n n A 。
φ=∞→n n A lim ;若有n n A x ∞→∈lim ,则存在A ,使任意n N >,有n A x ∈。
因此若21n N ->时,12-∈n A x ,即10x n <<.令∞→n 得00x <≤,此不可能,所以φ=∞→n n A lim 。
2、证明:()f x 为[,]a b 上连续函数的充分必要条件是对任意实数c ,集{}()E x f x c =≥和{}1()E x f x c =≤都是闭集。
证明:必要性:若()f x 是[],a b 上连续函数,由第二章习题8可知1E 和E 是闭集。
充分性:若1E 和E 都是闭集。
若有[]0,x a b ∈,()f x 在0x 点不连续。
则存在()()00000,,n n x x f x f x εε>→≥+,或()()00ε-≤x f x f n ,不妨设出现第一种情况。
令()00ε+=x f c ,则(){}c x f x E x n ≥=∈,而E x ∉0(因为c x f x f =+<000)()(ε),此与E 是闭集相矛盾。
所以()f x 在[],a b 上是连续的。
证毕。
3、设nR E ⊂是任意可测集,则一定存在可测集δG 型集G ,使得E G⊃,且()0=-E G m证:由外侧度定义,对任意正整数n ,存在开集E G n ⊃,使n E G m n 1)(<-,令 ∞==1n n G G ,则G 为δG 型集,E G ⊃且 2,1,1)()(=<-≤-n nE G m E G m n 故0)(=-E G m 。
证毕。
4、设,nA B R ⊂,A B ⋃可测,且()m A B ⋃<+∞,若()**mA B m A m B ⋃=+,则,A B 皆可测。
证明:先证A 可测:存在δG 型集B G ⊃使得B m mG *=。
令A G B A Q ⊂-⋃=。
G G B A B A ⋃-⋃=⋃])[(.()mG mQ mG G B A m B A m +=+-⋃≤⋃])[(。
因为*(),()m A B mG m B m A B ⋃<∞=≤⋃<+∞,A m mG -B m A m mG -B)(A ***=+=⋃≥m mQ ,即A m mQ *≥,又A Q ⊂,所以A m mQ *≤,所以A m mQ *=.*A (A B)m m ≤⋃<+∞,所以.0)(*=-Q A mQ Q A A ⋃-=)(,因为Q 可测,A Q -可测,所以A 可测。
同理可证B 可测。
证毕。
5、写出鲁津定理及其逆定理。
并证明鲁津定理的逆定理。
鲁津定理:设()f x 是E 上a.e.有限的可测函数,则对任意0δ>,存在闭子集E F ⊂δ,使()f x 在δF上是连续函数,且(\)m E F δδ<.逆定理:设()f x 是E 上的函数,对0δ∀>,总存在闭子集E E ⊂δ,使得()f x 在δE 上是连续函数,且()m E E δδ-<,则,()f x 是E 上a.e.有限的可测函数。
证明:对任意1n ,存在闭子集E E n ⊂,使()f x 在n E 上连续且n E E m n 1)(<-,令 ∞=-=10n n E E E ,则对任意n ,有()011n n n mE m E E m E E n ∞=⎛⎫=-≤-< ⎪⎝⎭。
令∞→n ,得∞=∞==⋃=⋃-==001000)()(.0n n n n E E E E E E E mE 。
对任意实数a ,[][][]01n n E f a E f a E f a ∞=⎛⎫>=>⋃> ⎪⎝⎭,由()f x 在n E 上连续,可知[]n E f a >可测,而[]()**000m E f a m E >≤=,所以[]a f E >0也可测,从而[]a f E >是可测的。
因此()f x 是可测的。
因为()f x 在n E 上有限,故在 ∞=1n n E 上有限,所以()f x a.e.有限。
证毕。
6、设)(x f 是E 上的可测函数,G 为开集,F 为闭集,试问])(|[G x f x E ∈与])(|[F x f x E ∈是否是可测集,为什么?证:由已知 则开集G 可写成直线上可列个开集的并集,即 ii i b a G ),(=,()()()i i iiiiE x f x G E x a f x b E x f a E x f b ⎡⎤⎡∈⎤=<<=⎡>⎤⋂⎡<⎤⎣⎦⎣⎦⎣⎦⎣⎦,则可知[]G x f x E ∈)(是可测集。
由()[]()[]C C F x f x E F x f x E ∈=∈)(,则可知()[]F x f x E ∈也是可测集。
证毕。
7、设在Cantor 集0P 上定义函数()f x =0,而在0P 的余集中长为13n的构成区间上定义为n (1,2,3,=n ),试证()f x 可积分,并求出积分值。
证:f(x)是非负可测函数,因而积分确定,只要证明积分有限即可。
设n E 是0P 的余集中长为n 31的构成区间之并,则n n n mE 321-=,因此()[]10,11112()33n n n n E n n n f x dx f x dx nmE n -∞∞∞======⋅=∑∑∑⎰⎰,所以()f x 可积,且积分值为3。
证毕。
8、设{}n f 为E 上非负可积函数列,若lim ()0,n En f x dx →∞=⎰则()0n f x ⇒。
证:对任意0>σ,由于n f 非负可知:[][]⎰⎰≥≤≤≥σσσn f E En nn dx f dxx f f mE .)(1().n n EmE f f x dx σσ⎡≥⎤≤⎣⎦⎰因此 1lim lim ()0n n En n mE f f x dx σσ→∞→∞⎡≥⎤==⎣⎦⎰,即.0)(⇒x f n 证毕。
9、设)(x f 是E 上a.e. 有限的可测函数,+∞<mE 。
试证明对0>∀ε,存在E 上a.e. 有界的可测函数)(x g ,使得 ε<>-]0|[|g f mE 。
证:因为()f x 是E 上的a.e.有限的可测函数,设[]∞==f E D ,0mD =,令[]k E E f k =>故有⊃⊃⊃321E E E ∞=∞→==1lim k k k k E E D 所以0lim lim ===∞→∞→mD E m mE k k k k ,故0,0k ∃>∀ε,使得ε<0K mE令g(x)=⎪⎩⎪⎨⎧∈-∈=000)()(K K E x E E x x f x g 故00K mE f g mE ε⎡->⎤=<⎣⎦。
证毕。
10、求证 120111ln 1()∞==-+∑⎰p n x dx x x p n , (1)p >-。
证:由于∑∑∑⎰⎰∑∑∞=∞=∞=++∞=+∞=+=++==-≥∈=-=-<12020101011)(1)1(11ln 1ln 1x ,0ln x )1,0(,1ln 1ln 1x ,10,x 111n n n p n pn p n p n p n nn p n p dx x x dx x x x x x x x x x 所以时,而当)上,故在(时,证毕。
实变函数测试题21、证明 1lim =n m n n m nA A ∞∞→∞==。
证明:设lim n n x A →∞∈,则N ∃,使一切n N >,n x A ∈,所以 ∞+=∈1n m mAx ∞=∞=⊂1n nm m A ,则可知n n A ∞→lim ∞=∞=⊂1n nm mA。
设 ∞=∞=∈1n n m mAx ,则有n ,使 ∞=∈nm mAx ,所以n n A x lim ∞→∈。
因此,n n A lim ∞→= ∞=∞=1n nm m A 。
2、设(){}222,1E x y x y =+<。
求2E 在2R 内的'2E ,02E ,2E 。
解:(){}222,1E x y x y '=+≤, (){}222,1E x y x y =+<,(){}222,1E x y xy =+<。
3、若nR E ⊂,对0>∀ε,存在开集G , 使得G E ⊂且满足 *()m G E ε-<, 证明E 是可测集。
证明:对任何正整数n , 由条件存在开集E G n ⊃,使得()1*m G E n-<。
令 ∞==1n n G G ,则G 是可测集,又因()()1**n m G E m G E n-≤-<, 对一切正整数n 成立,因而)(E G m -*=0,即E G M -=是一零测度集,故可测。
由)(E G G E --=知E 可测。
证毕。
4、试构造一个闭的疏朗的集合[0,1]E ⊂,12mE =。
解:在[0,1]中去掉一个长度为16的开区间57(,)1212,接下来在剩下的两个闭区间分别对称挖掉长度为1163⨯的两个开区间,以此类推,一般进行到第n 次时, 一共去掉12-n 个各自长度为11163n -⨯的开区间,剩下的n2个闭区间,如此重复下去,这样就可以得到一个闭的疏朗集,去掉的部分的测度为11112121663632n n --+⨯++⨯+=。
所以最后所得集合的测度为11122mE =-=,即12mE =。
5、设在E 上()()n f x f x ⇒,且1()()n n f x f x +≤几乎处处成立, ,3,2,1=n , 则有{()}n f x a.e.收敛于)(x f 。
证明 因为()()n f x f x ⇒,则存在{}{}i n n f f ⊂,使()i n f x 在E 上a.e.收敛到()f x 。
设0E 是()in f x 不收敛到()f x 的点集。
1[]n n n E E f f +=>,则00,0nm E m E==。
因此0()0n n n n m E mE ∞∞==≤=∑。