In mathematics, Fatou's lemma establishes an inequality relating the Lebesgue integral of the limit inferior of a sequence of functions to the limit inferior of integrals of these functions. The lemma is named after Pierre Fatou.
Fatou's lemma can be used to prove the Fatou–Lebesgue theorem and Lebesgue's dominated convergence theorem.
In what follows, denotes the -algebra of Borel sets on .
Fatou's lemma. Given a measure space and a set let be a sequence of -measurable non-negative functions . Define the function by setting for every .
Then is -measurable, and also , where the integrals may be infinite.
Fatou's lemma remains true if its assumptions hold -almost everywhere. In other words, it is enough that there is a null set such that the values are non-negative for every To see this, note that the integrals appearing in Fatou's lemma are unchanged if we change each function on .
Fatou's lemma does not require the monotone convergence theorem, but the latter can be used to provide a quick proof. A proof directly from the definitions of integrals is given further below.
In each case, the proof begins by analyzing the properties of . These satisfy:
the sequence is pointwise non-decreasing at any x and
.
Since , we immediately see that f is measurable.
Moreover,
By the Monotone Convergence Theorem and property (1), the limit and integral may be interchanged:
where the last step used property (2).
To demonstrate that the monotone convergence theorem is not "hidden", the proof below does not use any properties of Lebesgue integral except those established here.
Denote by the set of simple -measurable functions such that on .
If everywhere on then
If and then
If f is nonnegative and , where is a non-decreasing chain of -measurable sets, then
Since we have
By definition of Lebesgue integral and the properties of supremum,
Let be the indicator function of the set It can be deduced from the definition of Lebesgue integral that
if we notice that, for every outside of Combined with the previous property, the inequality implies
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The course is based on Durrett's text book
Probability: Theory and Examples.
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En mathématiques, l’intégrale de Lebesgue désigne à la fois une théorie relative à l'intégration et à la mesure, et le résultat de l'intégration d'une fonction à valeurs réelles définie sur (ou sur ) muni de la mesure de Lebesgue. Généralisant l'intégrale de Riemann, l'intégrale de Lebesgue joue un rôle important en analyse, en théorie des probabilités et dans beaucoup d'autres domaines des mathématiques. Dans les cas simples, l'intégrale d'une fonction positive f peut être vue comme l'aire comprise entre l'axe des x (l'axe horizontal) et la courbe de la fonction f.
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En mathématiques, le théorème de convergence monotone (ou théorème de Beppo Levi) est un résultat de la théorie de l'intégration de Lebesgue. Il permet de démontrer le lemme de Fatou et le théorème de convergence dominée. Ce théorème indique que pour une suite croissante de fonctions mesurables positives on a toujours la convergence de la suite de leurs intégrales vers l'intégrale de la limite simple. Le théorème autorise donc, pour une telle suite de fonctions, à intervertir les symboles et .
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