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近づき方が 4 通りあってどれも別物(概収束・測度収束・概一様収束・Lp 収束)

関数の列が近づくといっても、近づき方は 1 つではありません。測度論では 4 つを使い分けます。

概収束。零集合を除いて各点で値が近づく。
測度収束。差が を超える場所の測度が に落ちる。
概一様収束。測度がいくらでも小さい集合を除けば、一様収束する。
収束。差の 乗積分が に落ちる。

どれも「近づく」ですが、含意の向きはばらばらです。どこで矢印が立ち、どこで立たないかを、以下では反例つきで押さえます。

分かれ目になるのは 2 つ。全体の測度が有限かどうかと、質量が逃げないかどうかです。

強さの順に一列に並ぶわけではありません。 収束と概収束はどちらも相手を含まない。この 2 つが交わる場所に測度収束が座っている、という配置になります[4]。

定義を並べる

上の可測関数列 と について、順に書きます[1]。

概収束は 。測度収束は次の形です。

概一様収束は、任意の に対し となる がとれて、 の上で一様収束すること。

収束は です。 の値ごとに別の収束になります。

4 つのうち、概収束だけが各点の話をしています。残りは集合の測度や積分という、まとめて測った量の話。この違いが含意の向きを決めます。

各点の情報は、測度で測るとつぶれてしまう。逆に、まとめて小さいことから各点の振る舞いをとり出すのも難しい。矢印が片側にしか立たない理由はここにあります。

以下では、含意が立つ場合には証明を、立たない場合には反例を並べます。反例のほうが記憶に残るはずです。

収束は測度収束を含む

チェビシェフの不等式を に当てます。

右辺は仮定から に落ちます。どの でも成り立つ、いちばん素直な含意です[3]。

逆は成り立ちません。測度が小さくても、そこでの値が大きければ積分は落ちないから。

例:背の高くなる山

で とします。台の長さは なので測度収束します。

各点でも に収束するので概収束もします。ところが積分は変わりません。

収束はしません。質量が縮む台の上に閉じこめられて、外へ逃げていく形です。

でも となり、事情はもっと悪くなります。

例:タイプライター列

()と書き、 を区間 の指示関数とします。

台の長さは なので測度収束します。 でも なので収束する。

ところがどの点 でも、 は と を無限回行き来します。各点収束する点が 1 つもありません[1]。

赤くなる瞬間が何度でも訪れます。振動が止まらないので、各点収束は望めません。

リースの定理:部分列なら概収束する

測度収束から各点収束は出ませんが、部分列を抜き出せば出ます[1]。 が 有限なら成り立ちます。

証明は素朴で、 となる番号を順にとります。

右辺の総和が有限なので、ボレル・カンテリの補題から、その事象が無限回起きる点の集合は零集合です。

外では が最後まで続くので、概収束します。タイプライター列でも、 ごとに 1 本ずつ拾えば に各点収束する部分列がとれます。

エゴロフの定理

有限測度の空間では、概収束から概一様収束が出ます[2]。カルロ・セヴェリーニが 1910 年、ドミトリ・エゴロフが 1911 年に独立して示しました。

任意の に対して となる可測集合 がとれて、 の上では一様収束する。

証明は上からの連続性を使います。 と置くと、 について減少して零集合に落ちる。

上からの連続性が使えるのは、測度が有限だからです。ここが仮定の効きどころ。

例:無限測度ではエゴロフが崩れる

の上で とします。どの点でも十分大きい から先は なので、各点収束します。

ところが有限測度の集合をどう除いても、残った側に山が乗る番号が必ずあります。一様収束にはなりません[2]。

同じ例は、概収束から測度収束が出ないことも示します。

によらず のままです。山が遠くへ歩いていくだけで、痩せてはいない。

有限測度なら概収束から測度収束が出る

なら、逆向きの矢印が立ちます。エゴロフから概一様収束が出て、そこから測度収束が従う。

直接示すこともできます。 は減少列で、共通部分は零集合です。

上からの連続性より で、 から結論が出ます。

有限測度

概収束・測度収束・概一様収束が、ほぼひとまとまりに動く。分かれるのは だけ

無限測度

概収束から測度収束が出ない。山が痩せずに遠くへ歩ける

局所測度収束

無限測度の空間では、測度収束を有限測度の部分集合ごとに要求する形も使われます。局所測度収束といいます[1]。

有限測度なら 2 つは同じもの。無限測度では、大域的なほうが真に強い条件になります。

さきほどの は、局所測度収束はします。どの有限測度の集合からも、いずれ山が出ていくため。

大域と局所の差が出るのは、無限の広さを使って質量を逃がせるからです。有限の空間には逃げ場がありません。

確率論でこの区別を気にせずに済むのは、確率空間の全測度が だから。測度論の側で反例が並ぶのは、無限測度を許しているためです。

関係を表にする

含意条件反例
測度なしなし
測度 成り立たない背の高くなる山
測度 概収束部分列なら成立タイプライター列
概収束 測度有限測度が要る歩いていく山
概収束 概一様有限測度が要る歩いていく山

quiz で確かめる

上のタイプライター列について、正しいものはどれですか。

  • 各点収束するので概収束もする
  • 測度収束と 収束はするが、収束する点が 1 つもない
  • 収束しないが各点収束する
  • 有限測度なのでエゴロフから一様収束が出る
__RESULT__

台の長さが に落ちるので測度でも でも に収束します。ところがどの点にも山が無限回戻るので、各点では振動したまま。エゴロフは概収束を仮定するので、ここでは使えません。

よくある誤り

測度収束すれば各点収束すると思う。言えるのは部分列についてだけです
概収束すれば測度収束すると思う。有限測度でないと崩れます
収束と測度収束が同値だと思う。含意は片側だけです
概収束すれば 収束すると思う。背の高くなる山が反例です
エゴロフの結論が一様収束だと思う。小さい集合を除いた上での一様収束です
除く集合を零集合にできると思う。測度を小さくできるだけで、 にはできません
リースの定理に 有限性が要らないと思う。仮定に入っています
局所測度収束と測度収束を同じものだと思う。無限測度では別の条件です

参考文献

Convergence in measure. Wikipedia(英語).
Egorov's theorem. Wikipedia(英語).
Konvergenz im Maß. Wikipedia(ドイツ語).
J. K. Hunter. *Measure Theory*. University of California at Davis, 2011.
関数列が近づくといっても、各点で近づくのか、差が大きい場所が痩せるのか、積分が落ちるのかで話が変わります。$L^p$ 収束は測度収束を含み、逆は成り立たない。測度収束から各点収束が出るのは部分列を抜いたときだけで、タイプライター列がその差を見せます。全体の測度が有限なら、エゴロフの定理が概収束を概一様収束まで押し上げる。無限測度では歩いていく山が反例になります。