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English

縦ではなく横に切る……ルベーグ積分の定義と可積分の条件

積分は 3 段階で組み立てます。単関数、非負可測関数、そして一般の可測関数の順[2]

出発点は単関数です。互いに交わらない可測集合 と非負の定数で書かれた関数に対し、高さと測度を掛けて足す。

かつ のときは と約束します。この約束がないと、零関数の積分が定まりません。

台が区間である必要はありません。可測集合でありさえすれば測度が定まるので、有理数全体のような集合でも高さを掛けられる。ここがリーマン積分との最初の分かれ目です。

同じ単関数を違う形で書いても、積分の値は変わりません[3]。定数倍、和、単調性の 3 つも、定義からすぐ出ます[4]

非負可測関数は下から近づける

つぎの段階です。 が可測なとき、下にある単関数の積分の上限として定めます[1]

値は に入る。有限とは限らない点が、リーマン積分と違うところ。

注目したいのは、下からしか近づけていないことです[4]。リーマン積分では上と下から挟んで一致を要求しましたが、ここではその手続きが要りません。

可測性を先に仮定しているので、挟み込みの代わりが済んでいる。上と下がずれる心配は、可測でない関数のところで起きるからです。

縦に切るか横に切るか

リーマン積分は定義域を縦に割り、各区間での高さを見ます。ルベーグ積分は値域を横に割り、同じ高さになる を集める[1]

集めた の集まりは区間になるとは限りません。ばらばらに散らばっていても、可測でありさえすれば測度が測れる。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… sliceVertical ? '\\text{Riemann}' : '\\text{Lebesgue}' …)

横に切る利点は、関数が激しく上下しても層の形が壊れないことです。縦に切ると、区間の中での振れ幅が大きいままで細分が効きません。

増加列の極限としても書ける

上限で定義しましたが、単関数の増加列の極限としても同じ値になります[2]

近づけ方によらず同じ値になる点が効いています。値域を に刻む標準的な列を使ってもよいし、別の列でもよい。

この事実は単調収束定理から出る。定義から直接ではありません。

線形性は自明ではない

定数倍と単調性は定義からすぐ出ます。ところが和については、そう簡単にいきません[4]

を示すには、 を近づける単関数列を用意して足し、極限をとる必要があります。その極限の交換を支える道具が単調収束定理[4]

順序が効いています。単調収束定理を先に証明し、それから線形性を導く。定義だけを見て線形性を当然と思うと、証明の骨格を見落とします。

単関数の積分を定める

上限で非負可測関数の積分を定める

単調収束定理を示す

線形性が従う

符号のある関数へ広げる

一般の可測関数は正部分と負部分に分けます[3]

どちらも非負可測なので、すでに積分が定まっています。差をとって の積分とする。

両方が のときは定義しません。 が意味を持たないから。片方が有限なら、値は を含めて定まります。

積分が実数値で定まる

の両方が有限。可積分と呼ぶのはこの場合で、 に属する

積分が として定まる

片方だけが無限大。値は決まるが可積分ではない

積分が定まらない

両方が無限大。 になるので、値を与えない

可積分の条件

を満たす可測関数を可積分といいます[2] なので、これは両方の積分が有限であることと同値。

可積分関数の全体を と書きます。この空間の上では積分が有限な実数値になり、線形性も三角不等式も素直に使える[3]

線形性。 が成り立つ。
単調性。 が a.e. で成り立てば、積分にも同じ不等号がつく。
三角不等式。 となる。
零集合。 なら になる。

a.e. で等しい関数は、積分の値も等しくなります[3]。積分から見ると、測度 の差は存在しないのと同じ。

集合の上での積分

可測集合 の上での積分は、指示関数を掛けるだけで定まります[4]

リーマン積分では、長方形でない領域の上での積分を定めるだけで一仕事でした。ルベーグ積分ではその手間がありません。 が可測でさえあれば、形は問わない。

互いに交わらない可測集合の列 については、積分も可算加法的になります。

層ケーキの公式

積分を、水位ごとの測度の積み重ねとして書き直せます[1]。非負可測な に対して次が成り立つ。

右辺は についての広義リーマン積分。単調減少な関数なので、リーマン積分の意味でちゃんと定まります。

横に切るという発想を、そのまま式にしたもの。高さ の層の「幅」が で、それを について積み上げています。

層ケーキの公式は、ルベーグ積分をリーマン積分に翻訳する道具でもあります。

右辺は単調減少関数の広義リーマン積分なので、値を数値的に求めやすい。

例:ディリクレ関数

で積分します。これは単関数そのもので、台は

有理数全体の測度が なので、答えは です。リーマン積分だと上積分が 、下積分が で一致せず、積分可能になりません。

可算個の点で値を変えても積分が動かない、という性質がそのまま出た形。

例:端で発散する関数

で考えます。 で値は に発散しますが、可積分。

一方 で見ると、値は に近づくのに積分が発散します。

可積分かどうかは、値が有界かどうかとも、定義域が有界かどうかとも別の話。 が有限かどうかだけが問われます。

非有界だが可積分。積分は 2
非有界で可積分でない。積分は無限大
有界だが可積分でない。積分は無限大
有界で可積分。積分は 1

例:数え上げ測度なら級数になる

に数え上げ測度を入れます。各 1 点集合の測度が なので、積分は級数と一致する。

可積分の条件 は、絶対収束にあたります。級数の絶対収束と積分の可積分性が、同じ枠に収まっている。

級数の項の順序を変えても和が変わらないのは、この見方では測度が順序を持たないからです。

非負可測関数の積分を定義するとき、上からの近似を使わないのはなぜですか。

  • 上からの近似では値が大きくなりすぎるから
  • 可測性を先に仮定しているので、上下の食い違いが起きないから
  • 単関数が上から近づけられないから
__RESULT__

リーマン積分では上積分と下積分の一致を要求しました。ルベーグ積分では関数の可測性を先に課しているので、下からの上限だけで値が決まります。

よくある誤り

積分の定義に単調収束定理が要らないと思う。線形性を出すところで使います。
可積分と有界を混同する。 は非有界でも可積分です。
定義域が有限なら可積分だと思う。 で積分すると発散します。
のとき積分が定義されていないと考える。非負なら値が として定まります。
の積分が両方 でも差をとれると思う。この場合は定義しません。
台が区間でないと積分できないと思う。可測集合でありさえすれば足ります。
a.e. で等しい関数の積分が違うと思う。測度 の差は積分に出ません。

参考文献

Lebesgue integral. Wikipedia(英語).
Lebesgue-Integral. Wikipedia(ドイツ語).
Intégrale de Lebesgue. Wikipédia(フランス語).
J. K. Hunter. *Measure Theory*. University of California at Davis, 2011.
単関数の積分を高さと測度の積で決め、非負可測関数はその上限、一般の関数は正部分と負部分の差。ルベーグ積分はこの 3 段で組み上がります。上と下から挟まずに下からだけで足りる理由、線形性が定義から直接には出ず単調収束定理を経由すること、層ケーキの公式で水位ごとの測度を積み上げる見方を扱う。ディリクレ関数の積分が $0$ になる例と、数え上げ測度なら積分が級数と一致する例まで。