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重なった球から交わらないものを選ぶ|ヴィタリの被覆補題と極大関数

重なり合う球の集まりから、交わらないものだけを選び出す。選んだ球を 3 倍にふくらませると、もとの全部が覆えます[1]

覆う量は 倍までしか増えません。重なりを数えずに全体の測度を押さえられるので、微分定理の証明がここから動き出します。

もう一つの道具が極大関数です。点のまわりで平均をとり、半径を動かして上限をとったもの。この 2 つを組み合わせると、ハーディ・リトルウッドの不等式が出ます[2]

有限版の被覆補題

の開球を有限個 とします。このとき交わらない部分族 が選べて、次が成り立ちます[5]

ジュゼッペ・ヴィタリが 1908 年に示した被覆定理に名前が由来します[3]。証明は貪欲な選び方そのもの。

証明:大きいものから選んで交わるものを捨てる

いちばん半径の大きい球を とし、それに交わる球をすべて捨てます。残りからまた最大の球を選び、同じことを繰り返す。

球が尽きたところで止めれば、選んだ族は互いに交わりません。捨てた球は、そのとき選んだ球より半径が小さく、かつ交わっています。

半径 の球に交わる、半径 以下の球は、もとの球を 3 倍にふくらませた中に丸ごと入る。中心どうしの距離が 以下だからです。

次元で半径を 3 倍にすると体積は 倍になります。これが定数の正体。

薄い青の帯が、捨てた灰色の球をすべて飲み込んでいます。選んだ球だけで測度を数えても、 倍を見込めば足りる。

無限版では 5 倍になる

球が無限個あるときは、半径に上限があれば可算個の交わらない部分族がとり出せます[4]。ただし定数は 3 ではなく 5 になります。

最大の半径が存在しないため、上限の より大きい球を選ぶという妥協が要る。そのぶん、ふくらませる倍率が上がります。

有限版では 3 より大きい定数ならどれでも成り立ちますが、3 ちょうどは成り立ちません[1]

極大関数の定義

局所可積分な に対し、極大関数 を次で定めます[2]

を中心とする球で の平均をとり、半径を全部試して上限をとる。ゴッドフリー・ハーディとジョン・リトルウッドが 1930 年に導入しました。

球の代わりに立方体を使っても本質は変わりません。ただし細長い長方形は使えない。縦横比を無制限に伸ばすと、体積が に縮んでも平均が値に近づかないためです。

概収束の意味で等しい 2 つの関数は、同じ極大関数を持ちます。

例:区間の指示関数

で考えます。 なら半径を に近づけて平均が になるので、

では、区間に届く半径のうち が最良になります。平均は次の値。

もとの なのに、 になりません。遠くでも の速さでしか落ちない。

極大関数は下半連続

の可測性は、集合 が開集合であることから出ます[5]

なら、ある半径 で平均が を超えます。少し大きい を選んでも、まだ を超えるようにできる。

を満たす に対して が成り立ち、平均の評価が引き継がれます。よって に入る。

開集合の逆像で書けるので、 はボレル可測です。上限をとる操作が可測性を壊さない、めずらしい形。

極大関数は可積分にならない

が零関数でなければ、 に入りません[2]。遠方での減衰が遅すぎます。

のとき、半径 の球は原点まわりの を含みます。そこから次の下からの評価が出る。

は遠方で可積分ではありません。 が可積分なら右辺の積分がすべての になり、 が従います。

例:局所可積分ですらない場合

もっと悪い例もあります。、それ以外で と定めます。

置換 で確かめると です。ところが で次の評価が立ちます[5]

右辺は原点の近くで可積分ではありません。可積分な関数の極大関数が、局所可積分ですらなくなる。

という逃げ場

に入りませんが、そこまで悪いわけでもありません。行き先が弱 です[5]

このような定数 によらずとれる関数の全体を弱 といいます。大きい値をとる集合が、 の速さで痩せていく条件。

の関数は必ず弱 に入ります。チェビシェフの不等式がそれを言う。

証明は 1 行です。 の上で なので、

例:逆は成り立たない

で考えます。 となるのは のときなので、測度はちょうど

の条件を満たしています。ところが は可積分でも局所可積分でもない。

より真に広い空間です。極大関数がちょうどこの隙間に落ちます。

積分そのものが有限。強い条件で、極大関数は入らない

大きい値をとる集合が で痩せる。極大関数の行き先はここ

ハーディ・リトルウッドの最大不等式

に対して、次元だけで決まる定数 がとれて、すべての で成り立ちます[5]

型の評価と呼ばれます。極大関数がどれだけ大きくなっても、大きい値をとる場所の量は ノルムで抑えられる。

なら、もっと強い評価が成り立ちます。 から への有界作用素になり、次元によらない定数がとれることまで知られています[2]

証明

と置きます。ルベーグ測度の内部正則性から、コンパクト部分集合 について示せば足ります。

のそれぞれに、平均が を超える開球 がとれます。 はコンパクトなので、有限個の で覆えます。

ここで被覆補題を使い、交わらない部分族 を選びます。

選んだ球は交わらないので、右端の和は で押さえられます。 で主張が出ました。

被覆補題がしているのは、重なりを数える手間の肩代わりです。重なったまま足すと同じ質量を何度も数えますが、交わらない族に落とせばその心配が消えます。

可積分な関数 の極大関数 について、正しいものはどれですか。

  • も可積分になる
  • は有界になる
  • は可積分ではないが、弱 には入る
  • が連続なときだけ可測になる
__RESULT__

遠方で の速さでしか落ちないので積分は発散します。それでも大きい値をとる集合の測度は で痩せ、ハーディ・リトルウッドの不等式がその減り方を保証します。

よくある誤り

被覆補題の定数が 3 だと思う。覆えるのは 3 倍にのばした球で、測度は 倍まで増えます
有限版と無限版で定数が同じだと思う。無限版では 5 倍が要ります
極大関数が可積分だと思う。零関数でないかぎり には入りません
極大関数が局所可積分だと思う。 が反例です
に含まれると思う。包含は逆で、 が差を見せます
極大関数の定義に細長い長方形を使ってよいと思う。縦横比を抑えないと平均が値に戻りません
上限をとると可測性が壊れると思う。 は下半連続なのでボレル可測です
でも強い評価が成り立つと思う。 でだけ 有界になります

参考文献

Vitali covering lemma. Wikipedia(英語).
Hardy–Littlewood maximal function. Wikipedia(英語).
Überdeckungssatz von Vitali. Wikipedia(ドイツ語).
Lemme de recouvrement de Vitali. Wikipédia(フランス語).
J. K. Hunter. *Measure Theory*. University of California at Davis, 2011.
有限個の球から交わらないものを貪欲に選ぶと、3 倍にのばしただけでもとの全部が覆えます。測度が増えるのは $3^n$ 倍まで。この一手で、重なりを数えずに全体を押さえられる。もう一方の主役が極大関数で、点のまわりの平均を半径について上限まで持ち上げたものです。可積分な関数から作っても $L^1$ には入らず、行き先は弱 $L^1$ になる。2 つを合わせるとハーディ・リトルウッドの最大不等式が出ます。