数学 すうがく においてフビニの定理 ていり (フビニのていり、英 えい : Fubini's theorem )とは、Guido Fubini (1907 ) によって導入 どうにゅう された、逐次 ちくじ 積分 せきぶん による二 に 重 じゅう 積分 せきぶん の計算 けいさん が可能 かのう となるための条件 じょうけん に関 かん する一 いち 結果 けっか である。すなわち、次 つぎ のような計算 けいさん が可能 かのう となる。
∫
X
(
∫
Y
f
(
x
,
y
)
d
y
)
d
x
=
∫
Y
(
∫
X
f
(
x
,
y
)
d
x
)
d
y
=
∫
X
×
Y
f
(
x
,
y
)
d
(
x
,
y
)
.
{\displaystyle \int _{X}\left(\int _{Y}f(x,y)\,{\text{d}}y\right)\,{\text{d}}x=\int _{Y}\left(\int _{X}f(x,y)\,{\text{d}}x\right)\,{\text{d}}y=\int _{X\times Y}f(x,y)\,{\text{d}}(x,y).}
この結果 けっか 、積分 せきぶん の順序 じゅんじょ (英語 えいご 版 ばん ) は逐次 ちくじ 積分 せきぶん において変 か えることが可能 かのう となる。フビニの定理 ていり は、ある二 に 変数 へんすう 函数 かんすう が可 か 積分 せきぶん であれば、上記 じょうき のような二 に 回 かい の繰 く り返 かえ しの積分 せきぶん は等 ひと しいことを意味 いみ する。Leonida Tonelli (1909 ) によって導入 どうにゅう されたトネリの定理 ていり (Tonelli's theorem)も同様 どうよう のものであるが、その定理 ていり が適用 てきよう される函数 かんすう は可 か 積分 せきぶん ではなくとも非負 ひふ であればよい。
フビニの定理 ていり の特別 とくべつ な場合 ばあい として、実 じつ ベクトル空間 くうかん の閉有界 かい 部分 ぶぶん 集合 しゅうごう の積 せき 上 じょう の連続 れんぞく 函数 かんすう に対 たい する定理 ていり は、18世紀 せいき にオイラーによって知 し られていた。Lebesgue (1904 ) はこの結果 けっか を、ある区間 くかん の積 せき 上 じょう の有界 ゆうかい 可 か 測 はか 函数 かんすう へと拡張 かくちょう した。1906年 ねん にレヴィは、この定理 ていり は有界 ゆうかい ではなくても可 か 積分 せきぶん である函数 かんすう に対 たい して拡張 かくちょう されると予想 よそう し、フビニは1907年 ねん にそれが事実 じじつ であることを証明 しょうめい した。
X と Y が測度 そくど を伴 ともな う測度 そくど 空間 くうかん であるなら、それらの積 せき に関 かん する積 せき 測度 そくど を定義 ていぎ するいくつかの自然 しぜん な方法 ほうほう が存在 そんざい する。
測度 そくど 空間 くうかん の(圏 けん 論 ろん の意味 いみ での)積 せき X ×Y は、それらの可 か 測 はか な部分 ぶぶん 集合 しゅうごう の積 せき A ×B によって生成 せいせい されるσ しぐま 代数 だいすう をその可 か 測 はか 集合 しゅうごう として持 も つ。X ×Y 上 うえ の測度 そくど μ みゅー は、可 か 測 はか 部分 ぶぶん 集合 しゅうごう A および B に対 たい して μ みゅー (A ×B )=μ みゅー (A )μ みゅー (B ) を満 み たすとき、積 せき 測度 そくど と呼 よ ばれる。一般 いっぱん に X ×Y 上 うえ には多 おお くの異 こと なる積 せき 測度 そくど が存在 そんざい しうる。フビニの定理 ていり とトネリの定理 ていり はいずれも、この問題 もんだい を解決 かいけつ するための技術 ぎじゅつ 的 てき な条件 じょうけん を必要 ひつよう としている。その最 もっと も一般 いっぱん 的 てき な方法 ほうほう として、すべての可 か 測 はか 空間 くうかん は σ しぐま -有限 ゆうげん であると仮定 かてい する方法 ほうほう がある。この場合 ばあい 、X ×Y 上 うえ の積 せき 測度 そくど は唯 ただ 一 ひと つとなる。また、可 か 測 はか 集合 しゅうごう の測度 そくど が、可 か 測 はか 集合 しゅうごう の積 せき の可算 かさん 個 こ の合併 がっぺい であるような集合 しゅうごう の測度 そくど の下限 かげん で与 あた えられる場合 ばあい 、X ×Y 上 うえ には常 つね に唯 ただ 一 ひと つの極大 きょくだい 積 せき 測度 そくど (maximal product measure)が存在 そんざい する。その極大 きょくだい 積 せき 測度 そくど は、可 か 測 はか 集合 しゅうごう の積 せき によって生成 せいせい される集合 しゅうごう の環 たまき 上 じょう で μ みゅー (A ×B )=μ みゅー (A )μ みゅー (B ) を満 み たすような加法 かほう 的 てき 函数 かんすう μ みゅー に対 たい してカラテオドリの拡張 かくちょう 定理 ていり を適用 てきよう することで構成 こうせい できる。
二 ふた つの完備 かんび 距離 きょり 空間 くうかん の積 せき は通常 つうじょう 、完備 かんび ではない。例 たと えば、単位 たんい 区間 くかん I 上 うえ のルベーグ測度 そくど の積 せき は、平方 へいほう I ×I 上 うえ のルベーグ測度 そくど ではない。完備 かんび 測度 そくど に対 たい するフビニの定理 ていり の変化 へんか 版 ばん も存在 そんざい し、そこでは不 ふ 完備 かんび な測度 そくど の積 せき の代 か わりにその積 せき の完備 かんび 化 か が用 もち いられる。
可 か 積分 せきぶん 函数 かんすう に対 たい するフビニの定理 ていり [ 編集 へんしゅう ]
X と Y を測度 そくど 空間 くうかん とし、X × Y を与 あた えられた極大 きょくだい 積 せき 測度 そくど (X と Y が σ しぐま -有限 ゆうげん であるなら、それは唯 ただ 一 ひと つの積 せき 測度 そくど となる)とする。フビニの定理 ていり では、f(x,y) が X × Y 可 か 積分 せきぶん であるなら、すなわち可 か 測 はか かつ
∫
X
×
Y
|
f
(
x
,
y
)
|
d
(
x
,
y
)
<
∞
{\displaystyle \int _{X\times Y}|f(x,y)|\,d(x,y)<\infty }
が有限 ゆうげん であるなら、次 つぎ が成立 せいりつ すると述 の べられている。
∫
X
(
∫
Y
f
(
x
,
y
)
d
y
)
d
x
=
∫
Y
(
∫
X
f
(
x
,
y
)
d
x
)
d
y
=
∫
X
×
Y
f
(
x
,
y
)
d
(
x
,
y
)
.
{\displaystyle \int _{X}\left(\int _{Y}f(x,y)\,dy\right)dx=\int _{Y}\left(\int _{X}f(x,y)\,dx\right)dy=\int _{X\times Y}f(x,y)\,d(x,y).}
この式 しき のはじめの二 ふた つの積分 せきぶん は、それぞれ二 ふた つの測度 そくど に関 かん する逐次 ちくじ 積分 せきぶん であり、三 みっ つ目 め の積分 せきぶん はそれら二 ふた つの測度 そくど の極大 きょくだい 積 せき に関 かん する積分 せきぶん である。上記 じょうき に現 あらわ れる各 かく 偏 へん 積分 せきぶん
∫
Y
f
(
x
,
y
)
d
y
,
∫
X
f
(
x
,
y
)
d
x
{\displaystyle \textstyle \int _{Y}f(x,y)\,dy,\int _{X}f(x,y)\,dx}
は至 いた る所 ところ で定義 ていぎ されている必要 ひつよう はない。実際 じっさい 、それらが定義 ていぎ されない点 てん は測度 そくど 0 の集合 しゅうごう を構成 こうせい するため、このことは問題 もんだい とならない。
上述 じょうじゅつ の、絶対 ぜったい 値 ち に関 かん する積分 せきぶん が有限 ゆうげん でないなら、上 うえ 式 しき の二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん は実際 じっさい に異 こと なる値 ね を取 と りうる。そのような可能 かのう 性 せい については、後述 こうじゅつ の内容 ないよう を参照 さんしょう されたい。
フビニの定理 ていり はしばしば、X と Y は σ しぐま -有限 ゆうげん であるという仮定 かてい が初 はじ めから置 お かれ、そのような場合 ばあい 、積 せき 測度 そくど は極大 きょくだい であるという仮定 かてい は必要 ひつよう なくなる(実際 じっさい 、極 ごく 大積 おおつみ 測度 そくど が唯 ただ 一 ひと つの積 せき 測度 そくど となるため)。空間 くうかん が σ しぐま -有限 ゆうげん でないなら、フビニの定理 ていり が成立 せいりつ しないような異 こと なる積 せき 測度 そくど が存在 そんざい する可能 かのう 性 せい もある。例 たと えば、ある積 せき 測度 そくど と非負 ひふ 可 か 測 はか 函数 かんすう f に対 たい して、|f | の二 に 重 じゅう 積分 せきぶん はゼロとなるが二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん は異 こと なる値 ね となることが起 お こり得 え る(後述 こうじゅつ の、反例 はんれい に関 かん する節 ふし を参照 さんしょう )。ある非 ひ 極大 きょくだい 積 せき 測度 そくど に対 たい するフビニの定理 ていり の技巧 ぎこう 的 てき な一般 いっぱん 化 か も存在 そんざい する。このことについては (Fremlin 2003 ) を参照 さんしょう されたい。トネリの定理 ていり およびフビニ=トネリの定理 ていり は、非 ひ σ しぐま -有限 ゆうげん 空間 くうかん 上 じょう では極 ごく 大積 おおつみ 測度 そくど に対 たい してでさえも成立 せいりつ しないことがある。しかし実際 じっさい の場合 ばあい 、フビニの定理 ていり を使 つか う対象 たいしょう となるほとんど全 すべ ての測度 そくど 空間 くうかん は、σ しぐま -有限 ゆうげん である。
非負 ひふ 函数 かんすう に対 たい するトネリの定理 ていり [ 編集 へんしゅう ]
(レオニダス・トネリ (英語 えいご 版 ばん ) の名 な にちなむ)トネリの定理 ていり (Tonelli's theorem)は、フビニの定理 ていり の後継 こうけい となる定理 ていり である。トネリの定理 ていり の結論 けつろん はフビニの定理 ていり のものと同一 どういつ であるが、フビニの定理 ていり の |f| の積分 せきぶん が有限 ゆうげん であるという仮定 かてい は、f が非負 ひふ であるという仮定 かてい に置 お き換 か えられる。
トネリの定理 ていり では、(X , A , μ みゅー ) と (Y , B , ν にゅー ) が σ しぐま -有限 ゆうげん 測度 そくど 空間 くうかん (英語 えいご 版 ばん ) であり、X×Y から [0,∞] への函数 かんすう f が非負 ひふ かつ可 か 測 はか であるなら、次 つぎ が成立 せいりつ すると述 の べられている。
∫
X
(
∫
Y
f
(
x
,
y
)
d
y
)
d
x
=
∫
Y
(
∫
X
f
(
x
,
y
)
d
x
)
d
y
=
∫
X
×
Y
f
(
x
,
y
)
d
(
x
,
y
)
.
{\displaystyle \int _{X}\left(\int _{Y}f(x,y)\,{\text{d}}y\right)\,{\text{d}}x=\int _{Y}\left(\int _{X}f(x,y)\,{\text{d}}x\right)\,{\text{d}}y=\int _{X\times Y}f(x,y)\,{\text{d}}(x,y).}
トネリの定理 ていり の特別 とくべつ な場合 ばあい として、
∑
x
∑
y
a
x
y
=
∑
y
∑
x
a
x
y
{\displaystyle \sum _{x}\sum _{y}a_{xy}=\sum _{y}\sum _{x}a_{xy}}
のような和 わ の順序 じゅんじょ 交換 こうかん が挙 あ げられる。ただし
a
x
y
{\displaystyle a_{xy}}
は全 すべ ての x および y に対 たい して非負 ひふ であるとする。トネリの定理 ていり の要点 ようてん は、このような和 わ の順序 じゅんじょ 交換 こうかん はたとえ級数 きゅうすう が発散 はっさん する場合 ばあい でも成立 せいりつ する、ということである。実際 じっさい 、和 わ の順序 じゅんじょ 交換 こうかん によって値 ね が変 か わるような例 れい は、
+
∞
{\displaystyle +\infty }
および
−
∞
{\displaystyle -\infty }
にそれぞれ発散 はっさん する部分 ぶぶん 列 れつ が存在 そんざい する場合 ばあい にしか起 お こり得 え ないが、今回 こんかい は全 すべ ての元 もと は非負 ひふ であるため、この可能 かのう 性 せい は除 のぞ かれている。
測度 そくど 空間 くうかん は σ しぐま -有限 ゆうげん であるという条件 じょうけん が無 な い場合 ばあい 、上述 じょうじゅつ の三 みっ つの積分 せきぶん がそれぞれ異 こと なる値 ね を取 と ることも起 お こり得 え る。何人 なんにん かの研究 けんきゅう 者 しゃ は、σ しぐま -有限 ゆうげん でない測度 そくど 空間 くうかん に対 たい するトネリの定理 ていり の一般 いっぱん 化 か を与 あた えているが、そのような一般 いっぱん 化 か ではしばしば問題 もんだい を σ しぐま -有限 ゆうげん の場合 ばあい に直 ただ ちに帰着 きちゃく させるような追加 ついか 条件 じょうけん が与 あた えられている。例 たと えば、A ×B 上 うえ の σ しぐま -代数 だいすう を、可 か 測 はか 集合 しゅうごう のすべての積 せき によってではなく、有限 ゆうげん 測度 そくど の部分 ぶぶん 集合 しゅうごう の積 せき によって生成 せいせい されるものと設定 せってい されることもあるが、これはその積 せき から各 かく 要素 ようそ A および B への射影 しゃえい が可 か 測 はか ではないという望 のぞ ましくない結果 けっか をもたらす。また他 た の例 れい では、f の台 だい が有限 ゆうげん 測度 そくど の積 せき の可算 かさん 個 こ の合併 がっぺい に含 ふく まれるという条件 じょうけん が加 くわ えられている。Fremlin (2003) は、トネリの定理 ていり のいくつかの非 ひ σ しぐま -有限 ゆうげん 空間 くうかん への拡張 かくちょう が与 あた えられているが、それは幾分 いくぶん 技術 ぎじゅつ 的 てき なものである。そのような一般 いっぱん 化 か はどれも、抽象 ちゅうしょう 的 てき な測度 そくど 論 ろん の範疇 はんちゅう を超 こ えた点 てん において意義 いぎ 深 ふか い応 おう 用例 ようれい が見 み つかっているものではなく、実際 じっさい の興味 きょうみ あるほとんど全 すべ ての測度 そくど 空間 くうかん は σ しぐま -有限 ゆうげん である。
フビニ=トネリの定理 ていり [ 編集 へんしゅう ]
フビニの定理 ていり とトネリの定理 ていり を組 く み合 あ わせることで、フビニ=トネリの定理 ていり (しばしばフビニの定理 ていり と省略 しょうりゃく して呼 よ ばれる)が得 え られる。その定理 ていり では、X と Y が σ しぐま -有限 ゆうげん 測度 そくど (英語 えいご 版 ばん ) であり、f は以下 いか の三 みっ つの積分 せきぶん
∫
X
(
∫
Y
|
f
(
x
,
y
)
|
d
y
)
d
x
{\displaystyle \int _{X}\left(\int _{Y}|f(x,y)|\,{\text{d}}y\right)\,{\text{d}}x}
∫
Y
(
∫
X
|
f
(
x
,
y
)
|
d
x
)
d
y
{\displaystyle \int _{Y}\left(\int _{X}|f(x,y)|\,{\text{d}}x\right)\,{\text{d}}y}
∫
X
×
Y
|
f
(
x
,
y
)
|
d
(
x
,
y
)
{\displaystyle \int _{X\times Y}|f(x,y)|\,{\text{d}}(x,y)}
のいずれかが有界 ゆうかい であるような可 か 測 はか 函数 かんすう であるなら、次 つぎ の等式 とうしき が成立 せいりつ することが述 の べられている。
∫
X
(
∫
Y
f
(
x
,
y
)
d
y
)
d
x
=
∫
Y
(
∫
X
f
(
x
,
y
)
d
x
)
d
y
=
∫
X
×
Y
f
(
x
,
y
)
d
(
x
,
y
)
.
{\displaystyle \int _{X}\left(\int _{Y}f(x,y)\,{\text{d}}y\right)\,{\text{d}}x=\int _{Y}\left(\int _{X}f(x,y)\,{\text{d}}x\right)\,{\text{d}}y=\int _{X\times Y}f(x,y)\,{\text{d}}(x,y).}
上述 じょうじゅつ の条件 じょうけん 式 しき における f の絶対 ぜったい 値 ち は、f の正 せい あるいは負 まけ の部分 ぶぶん で置 お き換 か えることが出来 でき る。非負 ひふ 函数 かんすう の負 まけ の部分 ぶぶん はゼロであり、積分 せきぶん は有限 ゆうげん となることから、そのような置 お き換 か えはトネリの定理 ていり を含 ふく むものであることが分 わ かる。非公式 ひこうしき 的 てき に、それらの条件 じょうけん が満 み たされるなら f の二 に 重 じゅう 積分 せきぶん は(無限 むげん となることもあるが)well defined と呼 よ ばれる。
フビニの定理 ていり に対 たい してフビニ=トネリの定理 ていり を用 もち いることの利点 りてん は、絶対 ぜったい 値 ち |f | の逐次 ちくじ 積分 せきぶん は二 に 重 じゅう 積分 せきぶん よりも容易 ようい に研究 けんきゅう できることがあることである。フビニの定理 ていり におけるように、単一 たんいつ の積分 せきぶん は測度 そくど 0 の集合 しゅうごう 上 じょう で定義 ていぎ されないこともある。
完備 かんび 測度 そくど に対 たい するフビニの定理 ていり [ 編集 へんしゅう ]
上述 じょうじゅつ のフビニおよびトネリの定理 ていり は、ルベーグ測度 そくど を伴 ともな う実数 じっすう 直線 ちょくせん R 同士 どうし の積 せき の上 うえ での積分 せきぶん に対 たい して適用 てきよう できないという厄介 やっかい な問題 もんだい がある。これは、R ×R 上 うえ のルベーグ測度 そくど は R 上 うえ のルベーグ測度 そくど 同士 どうし の積 せき とは異 こと なり、その完備 かんび 化 か であるという点 てん から生 しょう じる問題 もんだい である。一般 いっぱん に二 ふた つの完備 かんび 測度 そくど 空間 くうかん X と Y の積 せき は、完備 かんび ではない。この理由 りゆう により、完備 かんび 測度 そくど に対 たい するフビニの定理 ていり の変形 へんけい 版 ばん がしばしば用 もち いられる。大雑把 おおざっぱ に言 い うと、すべての測度 そくど をその完備 かんび 化 か で置 お き換 か えるということである。上述 じょうじゅつ のものと似 に たフビニの定理 ていり の変形 へんけい 版 ばん は多 おお く存在 そんざい するが、それらには以下 いか のようないくつかの小 ちい さな差異 さい が見 み られる:
二 ふた つの測度 そくど 空間 くうかん の積 せき X ×Y を取 と る代 か わりに、ある測度 そくど の完備 かんび 化 か を取 と る。
X ×Y の完備 かんび 化 か の上 うえ で f が可 か 測 はか であるなら、その垂直 すいちょく あるいは水平 すいへい 直線 ちょくせん への制限 せいげん は、それらの直線 ちょくせん 内 ない の測度 そくど 0 の部分 ぶぶん 集合 しゅうごう に対 たい して非 ひ 可 か 測 はか となることがある。したがってそのような垂直 すいちょく あるいは水平 すいへい に対 たい する積分 せきぶん は、非 ひ 可 か 測 はか な函数 かんすう の積分 せきぶん も含 ふく むため、測度 そくど 0 の集合 しゅうごう 上 じょう では定義 ていぎ されない可能 かのう 性 せい も許 ゆる す必要 ひつよう がある。可 か 積分 せきぶん ではない函数 かんすう は定義 ていぎ されていないため、このことによってわずかな差異 さい が生 しょう じる。
一般 いっぱん に、X と Y 上 うえ の測度 そくど は完備 かんび であることが仮定 かてい される。そうでなければ、垂直 すいちょく あるいは水平 すいへい 直線 ちょくせん に沿 そ った二 ふた つの部分 ぶぶん 積分 せきぶん は well-defined であるが可 か 測 はか でないという場合 ばあい が起 お こり得 え る。例 たと えば f を、測度 そくど 0 の集合 しゅうごう を含 ふく むようなある可 か 測 はか 集合 しゅうごう と非 ひ 可 か 測 はか 集合 しゅうごう の積 せき に関 かん する特性 とくせい 函数 かんすう とする。このとき、その積分 せきぶん は至 いた る所 ところ で well-defined であるが、非 ひ 可 か 測 はか である。
フビニおよびトネリの定理 ていり の証明 しょうめい は、σ しぐま -有限 ゆうげん 性 せい に関連 かんれん する仮定 かてい を用 もち いるため、必然 ひつぜん 的 てき に幾分 いくぶん 技巧 ぎこう 的 てき なものとなる。ほとんどの証明 しょうめい では、以下 いか に述 の べるような徐々 じょじょ に複雑 ふくざつ になっていく函数 かんすう に対 たい して定理 ていり の成立 せいりつ を示 しめ すことで、最終 さいしゅう 的 てき にすべてを示 しめ す方針 ほうしん を採 と っている。
手順 てじゅん 1:積 せき 上 じょう の測度 そくど は積 せき 測度 そくど であるという事実 じじつ を使 つか って、長方形 ちょうほうけい 区間 くかん 上 じょう の特性 とくせい 函数 かんすう に対 たい して定理 ていり を証明 しょうめい する。
手順 てじゅん 2:空間 くうかん が σ しぐま -有限 ゆうげん であるという条件 じょうけん (あるいはそれに関連 かんれん する条件 じょうけん )を使 つか って、可 か 測 はか 集合 しゅうごう 上 じょう の特性 とくせい 函数 かんすう に対 たい して定理 ていり を証明 しょうめい する。
手順 てじゅん 3:函数 かんすう が可 か 測 はか であるという条件 じょうけん を使 つか って、単 たん 函数 かんすう (有限 ゆうげん 個 こ の値 ね のみを取 と る函数 かんすう 。手順 てじゅん 2の函数 かんすう の有限 ゆうげん の線型 せんけい 結合 けつごう である)近似 きんじ により正 せい の可 か 測 はか 函数 かんすう に対 たい して定理 ていり を証明 しょうめい する。これによって、トネリの定理 ていり は証明 しょうめい される。
手順 てじゅん 4:函数 かんすう が可 か 積分 せきぶん であるという条件 じょうけん を使 つか って、その函数 かんすう を二 ふた つの正 せい の可 か 積分 せきぶん 函数 かんすう の差 さ で表 あらわ し、それぞれに対 たい してトネリの定理 ていり を用 もち いる。これによって、フビニの定理 ていり が証明 しょうめい される。
次 つぎ の例 れい では、フビニの定理 ていり およびトネリの定理 ていり のいくつかの仮定 かてい が満 み たされないとき、どのようにして定理 ていり が成立 せいりつ しないかを示 しめ す。
σ しぐま -有限 ゆうげん 空間 くうかん でない場合 ばあい にトネリの定理 ていり が成立 せいりつ しないこと[ 編集 へんしゅう ]
X はルベーグ可 か 測 はか 集合 しゅうごう とルベーグ測度 そくど を伴 ともな う単位 たんい 区間 くかん とし、Y は数 かぞ え上 あ げ測度 そくど を伴 ともな う単位 たんい 区間 くかん でそのすべての部分 ぶぶん 集合 しゅうごう は可 か 測 はか であるものとする。したがって Y は σ しぐま -有限 ゆうげん ではない。f が X ×Y の対 たい 角 かく についての特性 とくせい 函数 かんすう であるなら、f の X に沿 そ った積分 せきぶん は Y 上 うえ の函数 かんすう 0 となるが、Y に沿 そ った積分 せきぶん は X 上 うえ の函数 かんすう 1 となる。したがって二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん の値 ね は異 こと なるものとなる。このことは、積 せき 測度 そくど がどのように選 えら ばれたとしても、σ しぐま -有限 ゆうげん でない空間 くうかん に対 たい してはトネリの定理 ていり は成立 せいりつ しないことを意味 いみ する。その測度 そくど はいずれも分解 ぶんかい 可能 かのう であり、トネリの定理 ていり は(σ しぐま -有限 ゆうげん 測度 そくど よりもやや一般 いっぱん 的 てき である)分解 ぶんかい 可能 かのう 測度 そくど に対 たい しては成立 せいりつ しないことが示 しめ される。
非 ひ 極大 きょくだい 積 せき 測度 そくど に対 たい してフビニの定理 ていり が成立 せいりつ しないこと[ 編集 へんしゅう ]
たとえ σ しぐま -有限 ゆうげん でない空間 くうかん であっても、極 ごく 大積 おおつみ 測度 そくど が用 もち いられるなら、フビニの定理 ていり は成立 せいりつ する。実際 じっさい 、上記 じょうき の例 れい において極大 きょくだい 積 せき 測度 そくど を考 かんが えると、対 たい 角 かく は無限 むげん 測度 そくど を持 も ち、したがって |f | の二 に 重 じゅう 積分 せきぶん は無限 むげん 大 だい となるため、(空虚 くうきょ な意味 いみ で)フビニの定理 ていり は成立 せいりつ する。しかし X ×Y を、測度 そくど の集合 しゅうごう がその水平 すいへい 区分 くぶん のルベーグ測度 そくど の和 やわ であるような積 せき 測度 そくど とするとき、|f | の二 に 重 じゅう 積分 せきぶん はゼロであるが、二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん の値 ね は依然 いぜん として異 こと なるものであり得 え る。これはフビニの定理 ていり が成立 せいりつ しないような積 せき 測度 そくど の例 れい である。
このことにより、二 ふた つの測度 そくど 空間 くうかん の同一 どういつ の積 せき 上 じょう の異 こと なる二 ふた つの積 せき 測度 そくど の例 れい が得 え られた。二 ふた つの σ しぐま -有限 ゆうげん 測度 そくど 空間 くうかん の積 せき として、唯 ただ 一 ひと つの積 せき 測度 そくど が存在 そんざい する。
非 ひ 可 か 測 はか 函数 かんすう に対 たい してトネリの定理 ていり が成立 せいりつ しないこと[ 編集 へんしゅう ]
X は第 だい 一 いち 非 ひ 可算 かさん 順序 じゅんじょ 数 すう で、可 か 測 はか 集合 しゅうごう が(測度 そくど 0 で)可算 かさん であるか、可算 かさん 個 こ の(測度 そくど 1 の)補 ほ 集合 しゅうごう であるような有限 ゆうげん 測度 そくど を伴 ともな うものとする。X ×X の(非 ひ 可 か 測 はか な)部分 ぶぶん 集合 しゅうごう E を x <y を満 み たすペア (x ,y ) で与 あた えると、それはすべての水平 すいへい 直線 ちょくせん 上 じょう で可算 かさん であり、すべての垂直 すいちょく 直線 ちょくせん 上 じょう に可算 かさん 個 こ の補 ほ 集合 しゅうごう を持 も つ。f を E の特性 とくせい 函数 かんすう とすると、f の二 に 種類 しゅるい の逐次 ちくじ 積分 せきぶん が定義 ていぎ され、それらは 1 と 0 という異 こと なる値 ね を取 と る。この函数 かんすう f は非 ひ 可 か 測 はか であるため、これはトネリの定理 ていり が非 ひ 可 か 測 はか 函数 かんすう に対 たい して成立 せいりつ しない例 れい となる。
非 ひ 可 か 測 はか 函数 かんすう に対 たい してフビニの定理 ていり が成立 せいりつ しないこと[ 編集 へんしゅう ]
上 うえ の例 れい の変形 へんけい 版 ばん として、たとえ |f | が可 か 積分 せきぶん でいずれの逐次 ちくじ 積分 せきぶん が well-defined であっても、非 ひ 可 か 測 はか であればフビニの定理 ていり が成立 せいりつ しないことがあるという例 れい を以下 いか に挙 あ げる:f は E 上 うえ で 1 であり、E の補 ほ 集合 しゅうごう 上 じょう で -1 とする。このとき |f | はその直積 ちょくせき 空間 くうかん 上 じょう で積分 せきぶん 1 となり可 か 積分 せきぶん であるが、well-defined である各 かく 逐次 ちくじ 積分 せきぶん の値 ね はそれぞれ 1 と -1 となり、異 こと なる。
連続 れんぞく 体 たい 仮説 かせつ を考 かんが えることで、X を単位 たんい 区間 くかん I と見 み なすことが出来 でき 、二 ふた つの(ルベーグ測度 そくど による)逐次 ちくじ 積分 せきぶん は定義 ていぎ されるが等 ひと しくないような I ×I 上 うえ の有界 ゆうかい 非負 ひふ 函数 かんすう が存在 そんざい することが分 わ かる。この例 れい は Sierpiński (1920 ) によって発見 はっけん された。ルベーグ測度 そくど を伴 ともな う二 ふた つの単位 たんい 区間 くかん の積 せき 上 じょう に対 たい するフビニの定理 ていり のより強 つよ い結果 けっか において、函数 かんすう はもはや可 か 測 はか である必要 ひつよう はなく、二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん が well-defined で存在 そんざい していればよいが、その結果 けっか は標準 ひょうじゅん 的 てき な集合 しゅうごう 論 ろん のツェルメロ=フレンケルの公理 こうり とは独立 どくりつ なものである。連続 れんぞく 体 たい 仮説 かせつ とマーティンの公理 こうり はいずれも、逐次 ちくじ 積分 せきぶん の値 ね が異 こと なるような単位 たんい 正方形 せいほうけい 上 じょう の函数 かんすう が存在 そんざい することを意味 いみ するが、Friedman (1980 ) は、それはZFC と一致 いっち し、[0, 1] に対 たい する強 つよ フビニ型 がた 定理 ていり が成立 せいりつ し、二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん が存在 そんざい するならそれらは等 ひと しくなることを示 しめ した。ZFCから独立 どくりつ な命題 めいだい の一覧 いちらん を参照 さんしょう 。
非 ひ 可 か 積分 せきぶん 函数 かんすう に対 たい してフビニの定理 ていり が成立 せいりつ しないこと[ 編集 へんしゅう ]
フビニの定理 ていり によれば、(σ しぐま -有限 ゆうげん 測度 そくど 空間 くうかん の積 せき 上 じょう の可 か 測 はか 函数 かんすう に対 たい して)絶対 ぜったい 値 ち の積分 せきぶん が有限 ゆうげん であるなら、積分 せきぶん の順序 じゅんじょ は問題 もんだい にならない。すなわち、はじめに x について積分 せきぶん し、続 つづ いて y について積分 せきぶん すれば、はじめに y 、続 つづ いて x について積分 せきぶん したものと同 おな じ結果 けっか が得 え られる。絶対 ぜったい 値 ち の積分 せきぶん は有限 ゆうげん であるという仮定 かてい は、ルベーグ可 か 積分 せきぶん 性 せい であり、この仮定 かてい が無 な いと二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん は異 こと なる値 ね を取 と り得 え る。
逐次 ちくじ 積分 せきぶん が一般 いっぱん に異 こと なる値 ね を取 と る簡単 かんたん な例 れい として、二 ふた つの測度 そくど 空間 くうかん を正 せい の整数 せいすう として定 さだ め、函数 かんすう f (x ,y ) は x =y なら 1、x =y +1 なら -1、それ以外 いがい なら 0 となるものが挙 あ げられる。このとき二 ふた つの逐次 ちくじ 積分 せきぶん はそれぞれ 0 と 1 という異 こと なる値 ね を取 と る。
他 た の例 れい として、次 つぎ の函数 かんすう が考 かんが えられる。
x
2
−
y
2
(
x
2
+
y
2
)
2
=
−
∂
2
∂
x
∂
y
arctan
(
y
/
x
)
.
{\displaystyle {\frac {x^{2}-y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}}=-{\frac {\partial ^{2}}{\partial x\partial y}}\arctan(y/x).}
このとき逐次 ちくじ 積分 せきぶん は
∫
x
=
0
1
(
∫
y
=
0
1
x
2
−
y
2
(
x
2
+
y
2
)
2
d
y
)
d
x
=
π ぱい
4
{\displaystyle \int _{x=0}^{1}\left(\int _{y=0}^{1}{\frac {x^{2}-y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}}\,{\text{d}}y\right)\,{\text{d}}x={\frac {\pi }{4}}}
および
∫
y
=
0
1
(
∫
x
=
0
1
x
2
−
y
2
(
x
2
+
y
2
)
2
d
x
)
d
y
=
−
π ぱい
4
{\displaystyle \int _{y=0}^{1}\left(\int _{x=0}^{1}{\frac {x^{2}-y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}}\,{\text{d}}x\right)\,{\text{d}}y=-{\frac {\pi }{4}}}
となり、異 こと なる値 ね となる。対応 たいおう する二 に 重 じゅう 積分 せきぶん は絶対 ぜったい 収束 しゅうそく (い換 いか えると、絶対 ぜったい 値 ち を取 と った積分 せきぶん は有限 ゆうげん でない)しない。すなわち、
∫
0
1
∫
0
1
|
x
2
−
y
2
(
x
2
+
y
2
)
2
|
d
y
d
x
=
∞
{\displaystyle \int _{0}^{1}\int _{0}^{1}\left|{\frac {x^{2}-y^{2}}{(x^{2}+y^{2})^{2}}}\right|\,{\text{d}}y\,{\text{d}}x=\infty }
となる。
クラトフスキ=ウラムの定理 ていり [ 編集 へんしゅう ]
ポーランドの数学 すうがく 者 しゃ カジミェシュ・クラトフスキ とスタニスワフ・ウラム の名 な にちなむクラトフスキ=ウラムの定理 ていり は、任意 にんい の第 だい 二 に 可算 かさん 的 てき ベール空間 くうかん に対 たい する同様 どうよう の結果 けっか であり、「ベールカテゴリーに対 たい するフビニの定理 ていり 」とも呼 よ ばれている。X と Y を第 だい 二 に 可算 かさん 的 てき ベール空間 くうかん (あるいは特 とく に、ポーランド空間 くうかん )とし、
A
⊂
X
×
Y
{\displaystyle A\subset X\times Y}
とする。このとき、A がベールの性質 せいしつ を持 も つものであるなら、以下 いか の二 ふた つの条件 じょうけん は同値 どうち である:
A は痩 やせ 集合 しゅうごう (meagre set)。
集合 しゅうごう
{
x
∈
X
:
A
x
is meager in Y
}
{\displaystyle \{x\in X:A_{x}{\text{ is meager in Y}}\}}
は X 内 ない の補 ほ 痩 やせ 集合 しゅうごう (comeagre set)。ただし
A
x
=
π ぱい
Y
[
A
∩
{
x
}
×
Y
]
{\displaystyle A_{x}=\pi _{Y}[A\cap \lbrace x\rbrace \times Y]}
であり、
π ぱい
Y
{\displaystyle \pi _{Y}}
は Y の上 うえ への射影 しゃえい 。
各 かく 条件 じょうけん の痩 やせ 集合 しゅうごう はそれぞれ補 ほ 痩 やせ 集合 しゅうごう に代 か えても成立 せいりつ する。仮 かり に A がベールの性質 せいしつ を持 も たないとしても、条件 じょうけん 2は条件 じょうけん 1より従 したが う[1] 。この定理 ていり は、任意 にんい のハウスドルフ空間 くうかん X および可算 かさん n-基 もと を持 も つハウスドルフ空間 くうかん Y に対 たい しても(空虚 くうきょ な意味 いみ であることもあるが)成立 せいりつ する。
この定理 ていり は、考 かんが えている函数 かんすう がある積 せき 空間 くうかん の集合 しゅうごう の特性 とくせい 函数 かんすう である場合 ばあい の通常 つうじょう のフビニの定理 ていり と類似 るいじ なものである。その場合 ばあい 、痩 やせ 集合 しゅうごう は測度 そくど 0 の集合 しゅうごう 、補 ほ 痩 やせ 集合 しゅうごう は全 ぜん 測度 そくど (full measure)の集合 しゅうごう 、ベールの性質 せいしつ を持 も つ集合 しゅうごう は可 か 測 はか 集合 しゅうごう に対応 たいおう する。
^ S. Srivastava A course on Borel sets . Springer, 1998, p. 112.
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Friedman, Harvey (1980), “A Consistent Fubini-Tonelli Theorem for Nonmeasurable Functions” , Illinois J. Math. 24 (3): 390–395, MR 573474 , http://projecteuclid.org/euclid.ijm/1256047607
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Tonelli, L. (1909), “Sull'integrazione per parti”, Atti della Accademia Nazionale dei Lincei (5) 18 (2): 246-253
Kudryavtsev, L.D. (2001), “Fubini theorem” , in Hazewinkel, Michiel, Encyclopedia of Mathematics , Springer, ISBN 978-1-55608-010-4 , https://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=Fubini_theorem
Teschl, Gerald , Topics in Real and Functional Analysis , (lecture notes), http://www.mat.univie.ac.at/~gerald/ftp/book-fa/index.html