形式陈述
设 是 上的有符号测度。Jordan 分解定理断言存在唯一一对互相奇异的正测度 ,使
“互相奇异”记作 ,表示存在可测分割 ,使 、。取任一Hahn 分解公理库Hahn 分解定理Hahn decomposition theorem · Hahn 分解把有符号测度的空间分成所有可测子集均为非负与均为非正的两部分。 ,便可具体定义
虽然 可在 -零集上改变,所得 与选择无关。它们分别称为 的正变差与负变差。
Jordan 分解还有决定唯一性的最小性。若 是任意正测度且 ,那么对每个 都有
所以互相奇异的分解不会在两边人为加入同一份质量。对一般扩展实值有符号测度, 中至少一个是有限测度;二者都有限当且仅当 是有限有符号测度。以 为准,-有限有符号测度则恰好是正、负部分都 -有限的情形。
证明机制
存在性由 Hahn 分解直接给出。在正集 上, 非负且继承可数可加性;负集 上乘以 后同理。两者分别集中于互不相交的区域,且
证明最小性时,若 ,由 得 ,于是 ;负部相同。若另有互相奇异分解 ,最小性给 、。两边之差相同迫使额外部分相同,而奇异性又迫使这份共同部分为零,故 、。
直觉
一张只有净额的账本可以用许多“收入减支出”表示:在收入和支出两栏同时加一百,净额完全不变。Jordan 分解用互相奇异性禁止这类虚增——每一份质量只能属于正边或负边,不能同时出现在两栏。于是它保留了产生净额所需的最小正质量与最小负质量。
正、负部分不是按集合的总值逐个截断。公式 通常不具可加性,因为一个集合内部可能已经发生抵消。Jordan 分解先在整个空间上找出符号纯净区域,再对每个 分别查看 与 ;先分区、后测量的次序不能倒转。
当 有密度 时,一切变得熟悉:,且 。Jordan 分解正是把这个逐点图像提升到没有共同密度、甚至没有拓扑结构的可测空间。
例子与边界
令
定义在 上。则
两者分别集中在 与 ,并且
所以 ,但两部分都非零。若改写成
并任取非零正测度 ,仍得到同一个差,却不再互相奇异,也不再最小。
离散例子 的 Jordan 分解就是 、()。若 ,则先发生代数抵消,,其最小分解是 ,而不是 。这说明互相奇异性消除的是同一位置上的冗余质量。
有限有符号测度不等于“正负部分总质量相等”。相等只意味着 ;有限性要求二者各自有限。对允许无穷值的一般有符号测度,若一边总质量无穷,涉及 时仍要遵守不能出现 的定义边界。
推论与应用
Jordan 分解立即定义总变差测度
它满足 ,因此 一旦确定,正负部分也随之恢复。若 ,则 、、;这套公式是有符号 Radon–Nikodym 理论的基本计算规则。
有限有符号测度空间以 成为 Banach 空间。Riesz–Markov–Kakutani 定理把 上的有界实线性泛函识别为有限有符号 Radon 测度时,泛函的正负分解正对应 ,算子范数则对应总变差质量。
参考资料
- Gerald B. Folland, Real Analysis: Modern Techniques and Their Applications, 2nd ed., Wiley, 1999, §3.1, Jordan decomposition and total variation.
- Sheldon Axler, Measure, Integration & Real Analysis, Springer, 2020, Ch. 10, positive and negative variations.