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ルベーグスティルチェス積分についての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。

Lebesgue–Stieltjes Measure

ナンブキトラ
HTML変換日:2026年7月26日

この文章ではLebesgue–Stieltjes測度を構成してゆく. つまり以下の定理を証明する.

定理 1.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする.このとき, ℝ上の測度μϕで, 任意のa,b∈[−∞,∞]でa<bを満たすものに対して

μϕ⁢((a,b])=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a)

となるものが存在する.

1 Riesz–Markov–Kakutaniによる方法

以下の内容については[2]や [3]を読んでも良い.

定義 2.

Xを局所コンパクトハウスドルフ空間とする. このときX上の測度μがRMK測度であるとは以下の条件を満たすときにいう

  1. (1)

    μは[0,∞]に値をとるボレル測度である.

  2. (2)

    Xの任意のコンパクト集合Kについてμ⁢(K)<∞

  3. (3)

    Xの任意のボレル集合は外部正則である.つまり μ⁢(E)=inf{μ⁢(V)|V∈𝔒X⁢E⊂V}が成り立つ.ここで𝔒XはXの開集合系である.

  4. (4)

    Eが開集合もしくはμ⁢(E)<∞ならばEは コンパクト正則である.つまり, μ⁢(E)=sup{μ⁢(K)|K∈C⁢p⁢t⁢(X)⁢K⊂E} が成り立つ.ここでC⁢p⁢t⁢(X)はXのコンパクト集合全体である.

X上のRMK測度全体をM⁢(X)と書くことにする X上の符号付き測度で二つのRMK測度の差で表されるもの全体をS⁢(X)と書くことにする.

定義 3.

Xを位相空間とする. このとき C⁢(X)でX上の実連続関数全体の集合を表す・ Cb⁢(X)でX上の有界実連続関数全体の集合を表す. また,Xが距離空間で距離関数dを備えているとき, Cu⁢(X)でX上の(dに関して)一様連続な実関数全体を表す.dを明示的に書いていないが,以下では紛れがないので心配は無用である. また,以下ではCb⁢(X)にはsupノルムが備わっているとする.

以下の定理はRiesz–Markov–Kakutaniの表現定理の一つの形態である.

定理 4.

Xをコンパクトハウスドルフ空間とする. このとき

Cb⁢(X)∗=C⁢(X)∗=S⁢(X).

である. より詳しく述べると,μ∈Cb⁢(X)∗に対して 二つのRMK測度αとβが(差を除いて)一意的に対応して, 任意のf∈Cb⁢(X)に対して

μ⁢(f)=∫Xf⁢𝑑α−∫Xf⁢𝑑β

が成り立つ. 特に非負なμ∈Cb⁢(X)∗つまり f≥0ならばμ⁢(f)≥0を満たすようなμ は通常の意味での測度(非負の値しか取らない測度) に対応する.

定義 5.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. このとき, 任意のn∈ℕに対して Lϕ,n:Cc⁢(ℝ)⁢ℝ を以下のように定義する.

Lϕ,n⁢(f)=∑i=−∞∞f⁢(i2n)⁢(ϕ⁢(i2n)−ϕ⁢(i−12n))

と定義する.fの台がコンパクトなので,これは有限和である.

補題 6.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. 任意のf∈Cc⁢(ℝ)に対して limn→∞Lϕ,n⁢(f)が存在する.

証明.

M>0をsupp⁡(f)⊂[−M,M]を満たすものとし, C=ϕ⁢(2⁢M)−ϕ⁢(−2⁢M)とする. 任意にε>0を与える. このときfは一様連続なので,あるδ が存在して, |x−y|<δならば|f⁢(x)−f⁢(y)|<ε/Cを満たす. N∈ℕを2−N<δとすると, N<m<nをみたすn,m∈ℕについて, {ai}⊂ℝ を 0≤k<2n−mならば ai+k=ai とし,ak⁢(2n−m)=k と定義すると,

Lϕ,m⁢(f)⁢∑i=−∞∞f⁢(ai2n)⁢(ϕ⁢(i2n)−ϕ⁢(i−12n))

となるから,

|Lϕ,n⁢(f)−Lϕ,m⁢(f)| =∑i=−∞∞|f⁢(i2n)−f⁢(ai2−n)|⁢(ϕ⁢(i2n)−ϕ⁢(i−12n))
<εC⁢∑i=−∞∞(ϕ⁢(i2n)−ϕ⁢(i−12n))≤ε

を得る. つまり,{Lϕ,n⁢(f)}n∈ℕ はコーシー列なので, limn→∞Lϕ,n⁢(f)が存在する. ∎

定義 7.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. このとき, L⁢ϕ:Cc⁢(ℝ)→ℝを

Lϕ⁢(f)=limn→∞Lϕ,n⁢(f)

と定義する.

補題 8.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. このときLϕ は正値線形形式である.

証明.

各Lϕ,nが正値線形形式だからその極限で定義される Lϕもそうである.

∎

定義 9.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. 上の補題 8 とRMKから, Lϕに対応する RMK測度が存在する. これをμϕと書くことにする. もちろん

Lϕ⁢(f)=∫ℝf⁢𝑑μϕ

が成り立つ.

命題 10.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. このとき 任意のa,b∈[−∞,∞]でa<bを満たすものに対して

μϕ⁢((a,b])=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a)

が成り立つ.

証明.

まず最初に, a,bが s,t∈ℤでN∈ℤ≥0 を使って a=s/2N, b=t/2N と表される場合に等式を証明する. n∈ℤ≥0をN<nとして, cn=(s⁢2n−N+1)/2N, dn=(t⁢2n−N+1)/2N とおく. このときfn∈Cc⁢(ℝ)を以下のように定義する.

fn⁢(x)={1cn−a⁢(x−a)if ⁢x∈[a,cn]1if ⁢x∈[cn,b]−1dn−b⁢(x−dn)if ⁢x∈[b,dn]0o. w.

すると,n→∞のときfn→χ(a,b] なので,

μϕ⁢((a,b])=limn→∞∫ℝfn⁢𝑑μϕ=limn→∞Lϕ⁢(fn)

である. m>nとして, Lϕ,m⁢(fn)を計算する.

|Lϕ,m⁢(fn)−(ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a))|≤(ϕ⁢(dn)−ϕ⁢(b))+(ϕ⁢(cn)−ϕ⁢(a))

となるので特に

|Lϕ⁢(fn)−(ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a))|≤(ϕ⁢(dn)−ϕ⁢(b))+(ϕ⁢(cn)−ϕ⁢(a))

である. ϕは右連続なので,n→∞のとき右辺は0に近づくから,

limn→∞Lϕ⁢(fn)=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a)

よって

μϕ⁢((a,b])=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a)

がわかる.a,bが一般の場合には,測度論を使えばわかる. つまり, anとbnをs/2N (s∈ℤ,N∈ℤ≥0)の形で表される数で a<anとb<bnを満たし limn→∞an=aと limn→∞bn=b を満たすものとする. すると ⋃n∈ℤ≥0⋂m∈ℤ≥0(an,bm]=(a,b] なので,有限測度に関する極限公式とϕの右連続性を使えば μϕ⁢((a,b])=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a) がわかる. ∎

2 分位関数を使う方法

この節では, Lebesgue–Stieltjes測度の存在を Quantile function(分位関数)を使って証明する. ただし,通常のLebesgue測度の存在は前提とする点には注意しよう.

定義 11.

ϕをℝ上の右連続な単調増加関数とする. このとき, Iϕ=[infϕ,supϕ]∩ℝと定義する (ここでわざわざℝとの共通部分をとっているのは, supやinfが∞や−∞の値を取る場合を見越してのことであり,そうでない場合には余計なものである). ϕの分位関数Qϕ:Iϕ→ℝを以下のように定義する.

Qϕ⁢(w)=inf{x∈ℝ∣w≤ϕ⁢(x)}

分位関数のことを一般化した逆関数と呼んだりもする.

補題 12.

任意のw∈Iϕとx∈ℝについて w≤ϕ⁢(x)とQϕ⁢(w)≤x は同値である.

証明.

まずw≤ϕ⁢(x)を仮定する. このときQϕの定義から Qϕ⁢(w)≤xである.

逆にQϕ⁢(w)≤xを仮定する. このときϕの右連続性から {z∈ℝ∣w≤ϕ⁢(z)} は閉集合であるから この集合のinfであるQϕ⁢(w)も この集合に属する.よって w≤ϕ⁢(Qϕ⁢(w))である. 今,Qϕ⁢(w)≤xと仮定しているので, ϕの単調性からw≤ϕ⁢(x)である. ∎

系 13.

x∈ℝを固定すると

{w∈Iϕ∣Qϕ⁢(w)≤x}={w∈Iϕ∣w≤ϕ⁢(x)}

が成り立つ.

補題 14.

ϕをℝ上の右連続な単調増加関数とする. このとき任意のy∈Iϕについて y≤ϕ⁢(Qϕ⁢(y))が成り立つ. また,任意のx∈ℝについて Qϕ⁢(ϕ⁢(x))≤xが成り立つ.

証明.

まず当然Qϕ⁢(y)≤Qϕ⁢(y)なので 先の補題からy≤ϕ⁢(Qϕ⁢(y))が成り立つ. また,当然ϕ⁢(x)≤ϕ⁢(x)なので,当然 Qϕ⁢(ϕ⁢(x))≤xが成り立つ. ∎

補題 15.

ϕをℝ上の右連続な単調増加関数とする. このとき Qϕは右連続な単調増加関数 である.

証明.

記述を簡単にするためにQ=Qϕと書くことにする. Qの単調性は定義から従う.

wを任意に固定する. supy<wQ⁢(w)=xとおく. すると x≤Q⁢(w)である. y<wとなるyを任意にとる. 今x<Q⁢(w)と仮定して ϵ=(Q⁢(w)−x)/2とする. ここで,もしもw≤ϕ⁢(x−ϵ) とするとQ⁢(w)≤x−ϵ<xとなるがこれは仮定に反するのでϕ⁢(x−ϵ)<wである. さらに,Q⁢(y)≤Q⁢(w)より, Q⁢(y)+ϵ≤x−ϵが成り立つ. よって y≤ϕ⁢(Q⁢(y))≤ϕ⁢(Q⁢(y)+ϵ)≤ϕ⁢(x−ϵ)<wである. ゆえにw≤ϕ⁢(x−ϵ)<wとなって矛盾する. つまりQ⁢(w)=xであり,Qの左連続性が示された. ∎

まず最初にϕが有界な場合にLebesgue–Stieltjes測度を構成する.

定理 16.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. さらにϕは有界であると仮定する. このとき, ℝ上の測度μϕで, 任意のa,b∈[−∞,∞]でa<bを満たすものに対して

μϕ⁢((a,b])=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a)

となるものが存在する.

証明.

Iϕ上の通常のルベーグ測度を νと書くことにする. そしてμ=(Qϕ)∗⁢νと書くことにしよう. ここでQϕは左連続だから特にボレル可測であることに注意しよう. このμが求めている測度であることを以下で証明しよう. まず任意のx∈ℝについて μ⁢((−∞,x])=ν⁢(Qϕ−1⁢((−∞,x])) であるが,

Qϕ−1⁢((−∞,x])={w∈Iϕ∣Qϕ⁢(w)≤x}={w∈Iϕ∣w≤ϕ⁢(x)}

であるから, μ⁢((−∞,x])=ϕ⁢(x)−infϕである. ϕが有界なので,この値は有限の値であることに注意しよう. よって

μ⁢((a,b])=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a)

となる. ∎

次にϕが一般の場合にLebesgue–Stieltjes測度を構成しよう.

定理 17.

ϕ:ℝ→ℝを右連続な非減少関数とする. このとき, ℝ上の測度μϕで, 任意のa,b∈[−∞,∞]でa<bを満たすものに対して

μϕ⁢((a,b])=ϕ⁢(b)−ϕ⁢(a)

となるものが存在する.

証明.

各nについてϕn⁢i:ℝ→ℝを ϕn⁢(s)=min⁡{max⁡{ϕ⁢(s),−n},n}と定義する. これは

ϕn⁢(s)={nn≤ϕ⁢(s)⁢のときϕ⁢(s)−n≤ϕ⁢(s)<n⁢のとき−nϕ⁢(s)<−n⁢のとき

と書いても同じことである. この関数ϕnは有界で右連続な単調関数になっている. よって先の定理から 各nについて

μn⁢((a,b])=ϕn⁢(b)−ϕn⁢(a)

となる測度μnが存在する. ϕnは右連続なので二つの集合 {s∈ℝ∣n≤ϕ⁢(s)} と {s∈ℝ∣−n≤ϕ⁢(s)} には最小元が存在する. ϕは単調増加なので mn≤Mnである. それをそれぞれ Mn, mnと書くことにする. まず 任意のnとA∈𝔅⁢(ℝ)について μn⁢(A)=μn⁢(A∩[mn,Mn])が成り立つことを示そう. この式が成り立つA全体を𝔖とおく. すると𝔖は(a,b]の形の集合を全て含んでいる. 𝔖がλ系であることを示そう. X∈𝔖 (λ⁢1)と 𝔖が単調な族について閉じている(λ⁢2) ことは簡単にわかる. μn⁢(B∖A)=μn⁢(B)−μn⁢(A)=μn⁢(B∩[mn,Mn])−μn⁢(A∩[mn,Mn])=μn⁢((B∖A)∩[mn,Mn]) なので(λ⁢3)も成り立つ. よってπ-λ定理によって, 𝔖=𝔅⁢(ℝ)となることがわかる.

同様にして, 任意のnとA∈𝔅⁢(ℝ)について

μn⁢(A∩In)=μn+1⁢(A∩In)

となることがわかる.

次に任意のnとA∈ℬ⁢(ℝ)について μn⁢(A)≤μn+1⁢(A) となることを示す. まずIn=[mn,Mn]と置くと,定義から In⊂In+1となることがわかる. よって μn⁢(A)=μn⁢(A∩In)=μn+1⁢(A∩In)≤μn+1⁢(A∩In)+μn+1⁢(A∩(In+1∖In))=μn+1⁢(A∩In+1) なので成り立つ.

関数 μ:𝔅⁢(ℝ)→[0,∞] を μ⁢(A)=limn→∞μn⁢(A)と定義する. μnの単調性からこの極限は存在する. このμがあの式を満たすことはϕn がϕに各点収束することからわかる. μが測度であることを示そう.完全加法性を示せば良い. ∑に関する単調収束定理,つまり数え上げ測度に関する 単調収束定理から

μ⁢(∐i∈ℤ≥0Ai) =limn→∞μn⁢(∐i∈ℤ≥0Ai)=limn→∞∑i=0∞μn⁢(Ai)=∑i=0∞limn→∞μn⁢(Ai)
=∑i=0∞μ⁢(Ai)

よってμは完全加法的である. 以上で一般のϕに対しても Lebesgue–Stieltjes測度が存在することがわかった. ∎

3 おまけ:ℝについてのProkhorovの定理

ℝに対するProkhovの定理はHellyの選出定理を使えば比較的簡単に示せるので,おまけとして紹介する.

以下の定理の証明は[1]などを参考にしても良い.

定理 18 (Hellyの選出定理).

{Fn}n∈ℕを[0,1]に値をとる右連続な非減少関数の列とする.このとき部分列{Fϕ⁢(n)}とある右連続な非減少関数Fが存在してFの連続点x∈ℝ毎に

limn→∞Fϕ⁢(n)⁢(x)=F⁢(x)

を満たす.

定理 19 (ℝについてのProkhorovの定理).

𝒮⊂𝒫⁢(ℝ)とする. このとき以下は同値である.

  1. (1)

    𝒮は相対コンパクトである.

  2. (2)

    𝒮は緊密である.

証明.

相対コンパクト性から緊密性を示す.

∀ϵ∈(0,1)⁢∃m∈ℕ⁢∀μ∈𝒮⁢μ⁢((−m,m))≥1−ϵ

を示そう. 背理法による.

∃ϵ∈(0,1)⁢∀m∈ℕ⁢∃μ∈𝒮⁢μ⁢((−m,m))<1−ϵ

を仮定する. 各m∈ℕについて対応する測度をμm とかく. このとき,𝒮のコンパクト性から, 部分列{mi}と{μi} が存在してx≤miならば

μi⁢((−x,x))<1−ϵ

と

μi⟹μ

が成り立つ. そして弱収束していることとmi→∞から 任意のx∈ℝについて

μ⁢((−x,x))≤lim infi→∞μi⁢((−x,x))≤1−ϵ

が成り立つが,x→∞とすると, 1≤1−ϵとなるので矛盾する.

今度は逆を示そう. 𝒮 は緊密であるとする.このとき

∀N∈ℕ⁢∃MN∈ℕ⁢∀μ∈𝒮⁢μ⁢([−MN,MN])≥1−2−N∧MN≥N

が成り立つ. 𝒮内の部分列{μn}n∈ℕをとる. μnの分布関数をFnと書くことにする. このとき, Hellyの選出定理から Fnの部分列と単調非減少関数Fで, Fの連続点について 各点収束する. 緊密性から,MN≤xを満たすxについて

1≥Fn⁢(x)−Fn⁢(−x)≥1−2−N

であり,Fの不連続点は高々可算個しかないので, xを連続点としてn→∞とすると,

1≥F⁢(x)−F⁢(−x)≥1−2−N

が成り立つ.x→∞ とすると,

limx→∞(F⁢(x)−F⁢(−x))=1

が成り立つ. また,limx→∞F⁢(−x)=0はFnの収束先であることからすぐわかるので, この文章の前半で頑張って示した内容から Fはある確率測度μの分布関数になる. つまり,μn⟹μとなるので,𝒮が相対コンパクトであることがわかる. ∎

References

  • [1] はてなブログ電波通信の記事 「Helly空間とHellyの選出定理」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2021/03/25/100947
  • [2] はてなブログ電波通信の記事 「リース・マルコフ・角谷の表現定理の証明(入射角16.225°の測度論入門2)」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2015/10/28/213025
  • [3] はてなブログ電波通信の記事 「Riesz-Markov-Kakutaniの表現定理II」, https://concious4410.hatenablog.com/entry/2020/02/02/213341
  • [4] 伊藤清三,「ルベーグ積分入門」, 1963年, 裳華房.
  • [5] 船木直久, 「確率論」, 講座・数学の考え方 20,2004, 朝倉書店.