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Fubini 定理

Fubini's theorem

在适当可积条件下,多重积分等于任意次序的迭代积分。

条目类型
定理

形式陈述

(X,μ)(Y,ν)σ-有限测度空间。若 f:X×YC 对乘积测度可积,即

X×Y|f|d(μ×ν)<,

则对几乎处处的 x,y,截面分别可积,迭代积分存在,并且

X×Yfd(μ×ν)=X(Yf(x,y)dν(y))dμ(x)=Y(Xf(x,y)dμ(x))dν(y).

非负可测函数无需绝对可积性的版本属于独立的 Tonelli 定理;Fubini 本页只陈述 |f|< 的可积函数版本。

直觉

把二元函数先固定一个坐标,就得到一族截面函数;Fubini 说明在绝对可积时,先对哪一族截面求平均都不会改变总结果。绝对可积性排除了正负质量在不同方向上以不同次序抵消。因而“交换积分顺序”不是符号操作,而是一条关于可积性、截面可测性和乘积空间的定理。

例子与边界

矩形指标函数给出乘积测度公式 (μ×ν)(A×B)=μ(A)ν(B)。若条件收敛而不绝对收敛,交换积分顺序可能得到不同值或一侧不存在;这与级数重排类似。σ-有限性是标准乘积测度和截面定理中的重要假设,不能无声删除。Fubini 不等同于初等多元微积分中的变量代换,后者还涉及 Jacobian。

X,Y 独立且 h(x,y)=u(x)v(y) 可积,则

E[u(X)v(Y)]=u(x)v(y)d(PX×PY)=Eu(X)Ev(Y).

这里既用到乘积分布,也用到可交换的迭代积分。对双重级数,取计数测度后同一定理说明绝对可和时可任意换序;条件收敛时则可能出现不同结果。

推论与应用

乘积测度提供二重积分的底层空间,Tonelli 定理先处理非负函数,Fubini 再在绝对可积条件下处理有符号函数。独立性、卷积、积分算子和 PDE 能量计算都把复杂总量拆成截面后使用这一交换原则。高维Monte Carlo 积分可以把乘积空间上的积分整体视为一个期望;若要分坐标调换积分、条件化或重新排列估计,仍须先满足本页的可积与换序条件。

参考资料
  • Gerald B. Folland, Real Analysis, 2nd ed., Wiley, 1999,§2.5, product measures, Tonelli, and Fubini。
  • Walter Rudin, Real and Complex Analysis, 3rd ed., McGraw-Hill, 1987,Ch. 8, integration on product spaces。
关系图谱6 个相邻概念 · 2 类关系

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