簡單函數

簡單函數（英語：simple function）又稱單純函數，是實分析中只取有限個實值的可測函數。

定義

集合 $\Omega$ 上有Σ-代數 $\Sigma$ ，若對函數 $f:\Omega \to \mathbb {R}$ ，存在 $A_{1},\,A_{2},\cdots ,A_{n}\in \Sigma$ 和 $a_{1},\,a_{2},\cdots ,a_{n}\in \mathbb {R}$，使得：

$f(x)=\sum _{k=1}^{n}a_{k}{\mathbf {1} }_{A_{k}}(x).$

其中 ${\mathbf {1} }_{A}$ 代表集合 $A$ 的指示函數，即：

${\mathbf {1} }_{A}(x)=\left\{{\begin{matrix}1,&{\mbox{if }}x\in A\\0,&{\mbox{if }}x\not \in A\end{matrix}}\right.$

則 $f$ 稱為簡單函數，也就是說，簡單函數是可測集合（即 $\Sigma$ 的元素）的指示函數的有限線性組合。

範例

• 半開區間[1,9)上的取整函數，它唯一的值是{1,2,3,4,5,6,7,8}。
• 實直線上的狄利克雷函數，如果x是有理數，則函數的值為1，否則為0。

性質

根據定義，兩個簡單函數的和、差與積，以及一個簡單函數與常數的積也是簡單函數，因此可推出所有簡單函數在複數域上形成了一個交換代數。

定理 — 集合 $\Omega$ 上有Σ-代數 $\Sigma$ ，任何非負，在 $\Sigma$ 上可測的 $f:\Omega \to [0,\,\infty )$ 都會是某遞增且非負簡單函數序列的逐點極限。更進一步的，若 $f$ 是有界的，則此簡單函數序列是一致收斂至$f$。

證明

對每個正整數 $n\in \mathbb {N}$，把 $[0,\,\infty )$ 分成 $2^{2n}+1$個區間，也就是取

$I_{n,k}=\left[k2^{-n},\,(k+1)2^{-n}\right)$ ，對於 $k=0,1,\ldots ,2^{2n}-1$。

以及

$I_{n,2^{2n}}=[2^{n},\infty )$

然後定義可測集合

$A_{n,k}=f^{-1}(I_{n,k})$，對於 $k=0,1,\ldots ,2^{2n}$。

則可對每個正整數 $n\in \mathbb {N}$ 定義非負簡單函數 $f_{n}:\Omega \to [0,\,\infty )$ 如下

$f_{n}(\omega )=\sum _{k=0}^{2^{2n}}{\frac {k}{2^{n}}}\cdot {\mathbf {1} }_{A_{n,k}}(\omega )$

也就構成了一個非負遞增簡單函數序列 ${\{f_{n}\}}_{n\in \mathbb {N} }$ 。

這樣的話，取任意 $\omega \in \Omega$ ， 都存在正整數 $n_{\omega }\in \mathbb {N}$ 使得

$2^{n_{\omega }}>f(\omega )$

這樣的話，只要 $n>n_{\omega }$ 的話，都會存在正整數 $k\in \mathbb {N}$ 使得

$k2^{-n}\leq f(\omega )<(k+1)2^{-n}$

所以有

$|f(\omega )-f_{n}(\omega )|<2^{-n}$

再考慮到，對任意正實數 $\epsilon \in (0,\,\infty )$ ，都存在正整數 $m\in \mathbb {N}$ 使得

$2^{m}\epsilon >1$

所以總結一下，對任意正實數 $\epsilon \in (0,\,\infty )$，取正整數 $n>\operatorname {max} \{m,\,n_{\omega }\}$ ，就會有

$|f(\omega )-f_{n}(\omega )|<2^{-n}<\epsilon$

所以簡單函數序列 $\{f_{n}\}$ 的確會逐點收斂至 $f$。

注意到若 $f$ 是有界的，那存在一個跟點 $\omega \in \Omega$ 選取無關的正整數 $n\in \mathbb {N}$ 使得

$2^{n}>f(\omega )$

那這樣的話，對任意正實數 $\epsilon \in (0,\,\infty )$，取正整數 $n^{\prime }>\operatorname {max} \{m,\,n\}$，就會得到一致收斂。$\Box$

簡單函數的積分

測度 $\mu :\Sigma \to [0,\,\infty )$ 定義在 $\Omega$ 的Σ-代數 $\Sigma$ 上，若簡單函數 $f:\Omega \to \mathbb {R}$ 可表達為

$f(x)=\sum _{k=1}^{n}a_{k}{\mathbf {1} }_{A_{k}}(x)$

則 $f$ 於某個 $E\in \Sigma$ 上，對測度 $\mu$ 的勒貝格積分定義為：

$\int _{E}f\,d\mu :=\sum _{k=1}^{n}a_{k}\mu (A_{k}\cap E)$

參考文獻

• J. F. C. Kingman, S. J. Taylor. Introduction to Measure and Probability, 1966, Cambridge.
• S. Lang. Real and Functional Analysis, 1993, Springer-Verlag.
• W. Rudin. Real and Complex Analysis, 1987, McGraw-Hill.
• H. L. Royden. Real Analysis, 1968, Collier Macmillan.