積分の順序を変えてよいのはいつか〜トネリで確かめてフビニで動かす
2 つの σ 有限な測度空間 と をとります。トネリの定理は、非負可測な について 3 つの積分が一致すると述べます[1]。
非負でありさえすればよく、可積分性は要りません。3 つとも になる場合も含めて等号が立ちます[3]。
フビニの定理は符号のある関数を扱います。 が積測度について可積分なら、同じ 3 つの等式が成り立つ[1]。
条件の違いが、そのまま使い方の違いになる。トネリは非負、フビニは可積分。
使うときの定石
実際の場面では 2 つを組にして使います[1]。
まず にトネリを当てます。 は非負なので無条件で順序を変えてよく、累次積分のどちらかを計算すれば の値が分かる。
それが有限なら は可積分なので、こんどはフビニが使えます。有限でなければ、順序交換は保証されません。
にトネリを当てて累次積分を計算する
有限だと分かれば は可積分
にフビニを当てて順序を変える
実際の手つきは、計算しやすいほうの順序で を評価すること。片方が計算しにくくても、もう片方で足ります。
切り口の関数が可測になる
累次積分を書くには、内側の積分が意味を持つ必要があります。 を固定した切り口 が可測でなければ、 が定義できない。
積 σ 加法族の元は切り口が可測でした[2]。同じ議論が関数にも移ります。 が積 σ 加法族について可測なら、各 について は 可測になる[4]。
さらに、内側の積分を の関数と見たものも可測です。これで外側の積分が書けるようになる。
反例:符号があると順序で答えが変わる
可積分性を外すと、累次積分の値が食い違います[1]。いちばん短い例は行列で作れます。
自然数の組 に対し、 のとき 、 のとき 、それ以外は と定めます。
行ごとに足すと、 の行だけ で、残りは と が打ち消して 。全部足して 。
列ごとに足すと、どの列も と の組があって 。全部足して です。
絶対値をとると和は発散する。可積分でないので、フビニの仮定を満たしていません。
連続の場合にも同じ型の例があります[1]。
符号が反転しているのは、被積分関数が と の入れ替えで符号を変えるから。原点の近くで正と負が激しく打ち消し合い、絶対値の積分が発散します。
非負が条件。値が でも等号が立つ。まず に当てて可積分性を調べる道具になる
可積分が条件。符号があってよい。順序を変えて計算するのはこちらの役目
反例:σ 有限でないと崩れる
もうひとつの落とし穴が σ 有限性です[3]。 で、 をルベーグ測度、 を数え上げ測度にとります。
対角線の指示関数 を考えます。非負なのでトネリの形をしていますが、結論が成り立たない。
を固定すると は 1 点だけで なので、数え上げ測度での積分は 。それを について積分すると になります。
を固定すると は 1 点だけで なので、ルベーグ測度での積分は 。それを について足しても のままです。
非負なのに順序で答えが変わりました。トネリの定理が σ 有限性を要求している理由が、この例に出ています。
完備な測度では a.e. の但し書きが付く
ルベーグ測度のように完備化した空間で使うときは、言い方が少し変わります[4]。
が でルベーグ可測なとき、切り口 はすべての ではなく、ほとんどすべての について可測になります。
例外の では内側の積分が定義できませんが、その集まりは測度 なので外側の積分に影響しません。結論の等式はそのまま成り立つ[4]。
すべての切り口が可測。内側の積分がどの でも定義できる
ほとんどすべての切り口が可測。例外は測度 なので、外側の積分は変わらない
応用:層ケーキの公式を導く
トネリの使い道のひとつは、積分を水位ごとの測度に書き直すこと。非負可測な について、次の集合を考えます。
にトネリを当てます。 を固定して で積分すると 、 を固定して で積分すると 。
順序を変えただけで公式が出ました。非負なので、可積分性の確認も要らない。
応用:たたみこみの評価
のたたみこみについて、次の評価が出ます。
にトネリを当て、 を固定して で積分すると平行移動不変性から 。それを で積分すれば右辺です。
有限だと分かったので、 が a.e. で定義されて可積分になる。ここまで来てはじめてフビニが使えます。
たたみこみの評価は、非負にしてからトネリという型の見本です。
絶対値をとれば非負になるので、可積分性を確かめる前でも順序を変えてよい。
quiz で確かめる
累次積分の順序を変えたいとき、最初にすることは何ですか。
- が連続かどうか調べる
- にトネリを当てて、累次積分が有限か調べる
- 2 つの累次積分を計算して一致するか見る











∣f∣ は非負なのでトネリが無条件に使え、どちらの順で計算しても ∫∣f∣ の値が出ます。それが有限なら f は可積分で、フビニで順序を変えてよいと分かります。