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入射角16.225°の測度論入門:ω_0のLaTeXML自動変換版です。自動検査には合格していますが、元PDFとの目視比較は未実施です。正本はPDF・TeXです。

積分の変数変公式の証明の概略

一色三良(concious77)
HTML変換日:2026年7月26日

この文章では積分の変数変換の公式の証明の概略を与える。ここでいう積分とはルベーグ積分である。

リーマン積分に関する変数変換の公式の証明はいくつかの文献に見られるが、そのどれもが煩雑でとても信用できないと私は思ったのでルベーグ積分で変換公式の証明をして見ようと思ったきっかけである。そもそも高次元のリーマン積分、特に広義積分は定義自体が煩雑で、これをわざわざ教えるくらいならさっさとルベーグ積分教えたほうが効率的なのでは?と思っている。この文章もその現れなのかもしれない。

定理 1 (Radon-Nikodym).

可測空間(X,𝔐)上で定義された二つの正値σ有限測度μλについてλμについて絶対連続、つまりλμであるとする。このとき(X,𝔐)上の可測関数fが存在し、すべてのA𝔄について

λ(A)=Af𝑑μ

を充たす。このfλμに対するラドン・ニコディム微分という。

補題 2.

可測空間(X,𝔐)上で定義された二つの正値σ有限測度μλについて(X,𝔐)上の可測関数fが存在し、すべてのA𝔄について

λ(A)=Af𝑑μ

が成り立っているとする。このとき(X,𝔐,λ)上の可積分関数ϕについて

Xϕ𝑑λ=Xϕf𝑑μ

となる。

以下ではmでルベーグ測度を表す。

以下に述べるルベーグの微分定理は今ではHardy-Littlewoodの極大関数の弱評価を用いて証明する方法が有名になっているが極大関数を用いない証明もある。いづれにせよVitaliの被覆定理などの被覆定理を援用しなければならないようである。

定理 3 (Lebesgueの微分定理その1).

fLloc1(N)について殆ど至る所のxN

limr01m(B(x,r))B(x,r)f(y)𝑑m(y)=f(x)

が成り立つ。ここでB(x,r)は中心がxで半径rの開球または、閉球を表す。(開球でも閉球でも定理は成り立つ。)

この微分定理から次の二つの微分定理が得られるが、本文とは関係ない。

定理 4 (Lebesgueの微分定理その2).

fLloc1(N)について殆ど至る所のxN

limr01m(B(x,r))B(x,r)|f(y)f(x)|𝑑m(y)=0

が成り立つ。ここでB(x,r)は中心がxで半径rの開球または、閉球を表す。(開球でも閉球でも定理は成り立つ。)

定理 5 (Lebesgueの微分定理その3(Lp)).

1p<としたとき任意の fLlocp(N)について殆ど至る所のxN

limr01m(B(x,r))B(x,r)|f(y)f(x)|p𝑑m(y)=0

が成り立つ。ここでB(x,r)は中心がxで半径rの開球または、閉球を表す。(開球でも閉球でも定理は成り立つ。)

この定理5p>NのときW1,p(N)の元は殆ど至る所微分可能というCaldero´nの定理の証明でMorreyの不等式と合わせて効果的に用いられる。(このCaldero´nの定理はリプシッツ関数が殆ど至る所微分可能であることを語るRademacherの定理の拡張になっている。)詳細な証明については[3]参照

定理 6.

U,VNNの開集合とし、Φ:UVC1球の微分同相写像とする。このとき

limr0m(Φ(B(x,r)))m(B(x,r))=|detJΦ(x)|

が成り立つ。ここでJΦ(x)とは点xにおけるΦのヤコビ行列である。

補題 7.

ユークリッド空間の間の局所リプシッツ写像によるルベーグ測度に関する零集合の像はルベーグ測度に関する零集合である。

定理 8 (変数変換公式).

U,VNNの開集合とし、Φ:UVC1球の微分同相写像とする。このときU上の測度μ

μ(A)=m(Φ(A))

で定めると、μU上のルベーグ測度mに関して絶対連続となり、そのラドン・ニコディム微分は|detJΦ(x)|となる。従ってV上の可積分関数fに対して

Vf(y)𝑑m(y)=Uf(Φ(x))𝑑μ(x)=Uf(Φ(x))|detJΦ(x)|𝑑m(x)

が成り立つ。最左辺のmV上のルベーグ測度である。

証明.

先の補題からμmに関して絶対連続であることはすぐにわかる。(ところでμ及びmσ有限なのでラドン・ニコディムの定理を適応できる。)ラドン・ニコディム微分を求めるには定理6と定理3を用いれば良い。最後の公式は単関数近似と単調収束定理を用いればfが特性関数の場合に証明すればよいことが分かる。さて、集合AVについて

χA(Φ(x))=χΦ1(A)(x)

が簡単にわかる。そして

VχA𝑑m(y)=m(A)=m(Φ(Φ1(A)))=μ(Φ1(A))=UχΦ1(A)(x)𝑑μ(x)
=UχA(Φ(x))𝑑μ(x)

がわかり、あとは補題2から変換公式が従う。 ∎

References

  • [1] 竹之内脩,ルベーグ積分,培風館,現代数学レクチャーズB-7,1980
  • [2] ユルゲン・ヨスト著,小谷元子訳,ポストモダン解析学,シュプリンガー・ジャパン,2009
  • [3] J.Heinonen,Lectures on Analysis on Metric Spces,springer,UTX,2001
  • [4] W.Rudin,Real and Complex Analysis second edition,McGraw-Hill, 1974