广义测度(signed measure)与复测度(complex measure)是经典测度论的两大核心推广。广义测度将测度值从 [0,∞] 延拓到 (−∞,∞],而复测度进一步推广到复平面 C。二者不仅是抽象理论的自然延伸,更在谱理论、调和分析与概率论中扮演不可替代的角色。
广义测度
设 (X,F) 为可测空间。函数 μ:F→(−∞,∞] 称为广义测度,若满足:
- μ(∅)=0;
- 对任意两两不交的 {An}⊆F,有 μ(⋃n=1∞An)=∑n=1∞μ(An)(可数可加性)。
注意 μ 至多可取 +∞ 或 −∞ 之一,不能两者同时出现,以避免 ∞−∞ 的不定型。
Hahn分解定理
对任意广义测度 μ,存在可测集 P(正集)与 N(负集)使得 X=P∪N,P∩N=∅,且对任意可测 A⊆P 有 μ(A)≥0,对任意可测 A⊆N 有 μ(A)≤0。此分解在相差一个 μ-零集的意义下唯一。
Jordan分解定理
广义测度 μ 可唯一表示为两个正测度之差:μ=μ+−μ−,其中 μ+(A)=μ(A∩P),μ−(A)=−μ(A∩N)。μ+ 与 μ− 分别称为 μ 的正变差与负变差。全变差测度定义为 ∣μ∣=μ++μ−,它是最小控制 μ 的正测度:对任意 A,∣μ(A)∣≤∣μ∣(A)。
Radon-Nikodym定理
若广义测度 μ 关于 σ-有限正测度 ν 绝对连续(μ≪ν),则存在唯一的 f∈L1(ν) 使得 dμ=fdν。这里 f 可取负值,其积分即为 μ。
复测度
复测度 ν:F→C 满足可数可加性,且级数 ∑ν(An) 无条件收敛(因重排不改变和)。复测度自动有界,不会出现无穷值。
全变差
对复测度 ν,定义其全变差 ∣ν∣ 为:
∣ν∣(A)=sup{j=1∑n∣ν(Aj)∣:{Aj} 是 A 的有限可测划分}
∣ν∣ 是有限正测度,且 ∣ν(A)∣≤∣ν∣(A)≤∣ν∣(X)<∞。
极分解(Polar Decomposition)
存在可测函数 h 满足 ∣h(x)∣=1 对 a.e. x 成立,使得 dν=hd∣ν∣。此即复测度的极分解,类比复数的极坐标表示:复测度 = 幺模函数 × 正测度。
Radon-Nikodym定理的复版本
若复测度 ν≪μ(μ 为 σ-有限正测度),则存在 f∈L1(μ) 使得 dν=fdμ。这里 f 是复值可积函数。
与有界变差函数的联系
在 R 上,右连续的有界变差函数 F 一一对应于有限广义测度:μ((a,b])=F(b)−F(a)。复测度则对应复值有界变差函数。这建立了测度论与经典分析之间的桥梁。
应用要点
- 谱定理:自伴算子与酉算子的谱测度分别是广义测度与复测度的投影值推广。
- 调和分析:Fourier变换的卷积测度常为复测度;Bochner定理用正定函数刻画有限正测度。
- 概率论:特征函数本质上是一个复测度的Fourier变换。
- 泛函分析:C0(X) 的对偶空间等价于正则复Borel测度空间(Riesz表示定理)。
广义测度与复测度将测度论从单纯的"大小"度量解放为可以编码方向、相位与符号的丰富结构,是现代分析不可或缺的语言。