EssayAI
Блог
Блог
Математика и алгоритмы

Лемма Фату: формулировка, доказательство и применения

22 марта 2026Время чтения: 9 минут
#лемма Фату#мера и интеграл#теория меры#предельный переход#монотонная сходимость
Лемма Фату: формулировка, доказательство и применения

Лемма Фату - базовый результат теории интеграла Лебега об одностороннем переходе к пределу под знаком интеграла для неотрицательных функций. В отличие от теоремы Лебега о мажорируемой сходимости, она не требует ни мажоранты, ни монотонности - взамен даёт лишь неравенство. Ниже - формулировка, доказательство через теорему о монотонной сходимости, сравнение с Леви и Лебегом, применения, контрпримеры и обратная Фату.

Формулировка леммы Фату

Пусть (X,A,μ)(X, \mathcal{A}, \mu) - пространство с мерой, fn:X→[0,∞]f_n : X \to [0, \infty] - последовательность неотрицательных измеримых функций. Тогда

∫Xlim inf⁡n→∞fn dμ≤lim inf⁡n→∞∫Xfn dμ.\int_X \liminf_{n \to \infty} f_n \, d\mu \le \liminf_{n \to \infty} \int_X f_n \, d\mu.

Никаких дополнительных предположений - ни поточечной сходимости, ни мажоранты, ни конечности интегралов. Равенство, вообще говоря, не выполняется: можно построить пример, где левая часть равна нулю, а правая - единице (см. ниже).

Условие fn≥0f_n \ge 0 критично: без него лемма теряет силу. Простейший контрпример - fn(x)=−1[n,n+1](x)f_n(x) = -\mathbb{1}_{[n, n+1]}(x) на R\mathbb{R}: ∫fn=−1\int f_n = -1 для всех nn, поэтому lim inf⁡∫fn=−1\liminf \int f_n = -1, но lim inf⁡fn≡0\liminf f_n \equiv 0 и ∫lim inf⁡fn=0\int \liminf f_n = 0. Неравенство 0≤−10 \le -1 ложно.

Подставь свою последовательность fnf_n ниже - соберём задачу и в чате посчитаем обе части неравенства, проверим знак и при необходимости перейдём к теореме Леви или DCT.

Набросок доказательства

Стандартный приём - представление lim inf⁡\liminf как супремума инфимумов и применение теоремы Леви о монотонной сходимости.

По определению, lim inf⁡nfn(x)=sup⁡kinf⁡n≥kfn(x)\liminf_n f_n(x) = \sup_k \inf_{n \ge k} f_n(x). Обозначим gk(x)=inf⁡n≥kfn(x)g_k(x) = \inf_{n \ge k} f_n(x). Последовательность gkg_k неубывающая (g1≤g2≤…g_1 \le g_2 \le \dots), поскольку при k1≤k2k_1 \le k_2 инфимум берётся по меньшему множеству и не уменьшается. Кроме того, gk≥0g_k \ge 0 как инфимум неотрицательных функций, и каждая gkg_k измерима.

По теореме Леви о монотонной сходимости (MCT),

∫gk dμ↗∫sup⁡kgk dμ=∫lim inf⁡nfn dμ.\int g_k \, d\mu \nearrow \int \sup_k g_k \, d\mu = \int \liminf_n f_n \, d\mu.

С другой стороны, gk≤fng_k \le f_n для всех n≥kn \ge k, поэтому ∫gk≤∫fn\int g_k \le \int f_n при n≥kn \ge k. Беря инфимум по таким nn,

∫gk dμ≤inf⁡n≥k∫fn dμ.\int g_k \, d\mu \le \inf_{n \ge k} \int f_n \, d\mu.

Переходя к пределу k→∞k \to \infty и пользуясь MCT слева,

∫lim inf⁡nfn dμ=lim⁡k∫gk dμ≤lim⁡kinf⁡n≥k∫fn dμ=lim inf⁡n∫fn dμ.\int \liminf_n f_n \, d\mu = \lim_k \int g_k \, d\mu \le \lim_k \inf_{n \ge k} \int f_n \, d\mu = \liminf_n \int f_n \, d\mu.

Это и есть лемма Фату. Существенно используется только неотрицательность (для применения MCT) и линейность интеграла на неотрицательных функциях.

Сравнение с теоремами Леви и Лебега

Три классических результата перехода к пределу под знаком интеграла отличаются предположениями и силой выводов.

Теорема Леви (MCT). Для 0≤f1≤f2≤…0 \le f_1 \le f_2 \le \dots с fn→ff_n \to f почти всюду выполнено ∫fn→∫f\int f_n \to \int f. Требует монотонности, даёт равенство.

Лемма Фату. Для fn≥0f_n \ge 0 выполнено ∫lim inf⁡fn≤lim inf⁡∫fn\int \liminf f_n \le \liminf \int f_n. Не требует ни монотонности, ни сходимости - но даёт лишь одностороннее неравенство.

Теорема Лебега (DCT). Для fn→ff_n \to f почти всюду с мажорантой ∣fn∣≤g|f_n| \le g, g∈L1g \in L^1, выполнено ∫fn→∫f\int f_n \to \int f. Требует мажоранту, даёт равенство и L1L^1-сходимость.

Лемма Фату - самая «дешёвая» по предположениям, но и самая слабая по выводу. Когда последовательность монотонна - берём Леви; когда есть мажоранта - Лебега; когда ни того, ни другого, но функции неотрицательны и нужна оценка сверху на ∫lim inf⁡\int \liminf - Фату.

Вывод DCT из леммы Фату

Классическое применение Фату - доказательство теоремы Лебега о мажорируемой сходимости. Пусть fn→ff_n \to f почти всюду, ∣fn∣≤g|f_n| \le g, ∫g<∞\int g < \infty. Тогда g−fn≥0g - f_n \ge 0 и g+fn≥0g + f_n \ge 0, и можно применить Фату дважды.

Шаг 1. К g−fn≥0g - f_n \ge 0: lim inf⁡n(g−fn)=g−f\liminf_n (g - f_n) = g - f (так как fn→ff_n \to f), поэтому

∫(g−f) dμ≤lim inf⁡n∫(g−fn) dμ=∫g dμ−lim sup⁡n∫fn dμ.\int (g - f) \, d\mu \le \liminf_n \int (g - f_n) \, d\mu = \int g \, d\mu - \limsup_n \int f_n \, d\mu.

Сокращая ∫g\int g, получаем lim sup⁡∫fn≤∫f\limsup \int f_n \le \int f.

Шаг 2. К g+fn≥0g + f_n \ge 0 аналогично: ∫f≤lim inf⁡∫fn\int f \le \liminf \int f_n.

Объединяя, ∫f≤lim inf⁡∫fn≤lim sup⁡∫fn≤∫f\int f \le \liminf \int f_n \le \limsup \int f_n \le \int f, то есть ∫fn→∫f\int f_n \to \int f. Без Фату это доказательство не получается - двойное применение неравенства даёт равенство.

Контрпример: где Фату даёт строгое неравенство

«Уезжающий бугорок» fn(x)=n⋅1[0,1/n](x)f_n(x) = n \cdot \mathbb{1}_{[0, 1/n]}(x) на [0,1][0, 1] - стандартный пример. Поточечно fn(x)→0f_n(x) \to 0 для всех x>0x > 0, поэтому lim inf⁡fn=0\liminf f_n = 0 почти всюду и ∫lim inf⁡fn=0\int \liminf f_n = 0. С другой стороны, ∫fn=n⋅(1/n)=1\int f_n = n \cdot (1/n) = 1 для каждого nn, поэтому lim inf⁡∫fn=1\liminf \int f_n = 1. Лемма Фату даёт 0≤10 \le 1 - верно, но неравенство строгое.

Другой пример - fn(x)=1[n,n+1](x)f_n(x) = \mathbb{1}_{[n, n+1]}(x) на R\mathbb{R}. Поточечный предел нулевой, ∫lim inf⁡fn=0\int \liminf f_n = 0, а ∫fn=1\int f_n = 1 для всех nn, lim inf⁡∫fn=1\liminf \int f_n = 1. Снова строгое неравенство - масса «уезжает на бесконечность».

Случай равенства типичен, когда последовательность монотонно возрастает (тогда Фату совпадает с MCT) или когда есть мажоранта, обеспечивающая равномерную интегрируемость (тогда работает DCT и неравенство превращается в равенство).

Обратная лемма Фату

Если поменять знак и допустить мажоранту сверху, получаем симметричный результат. Пусть fn≤gf_n \le g почти всюду, ∫g<∞\int g < \infty, и fnf_n измеримы (необязательно неотрицательны). Тогда

∫lim sup⁡nfn dμ≥lim sup⁡n∫fn dμ.\int \limsup_n f_n \, d\mu \ge \limsup_n \int f_n \, d\mu.

Доказательство - применение классической Фату к g−fn≥0g - f_n \ge 0. Это «обратная Фату», или «лемма Фату для lim sup⁡\limsup». Удобна, когда последовательность ограничена сверху интегрируемой функцией: даёт оценку сверху на интеграл верхнего предела.

Объединённая форма: если ∣fn∣≤g|f_n| \le g с g∈L1g \in L^1, то

∫lim inf⁡fn≤lim inf⁡∫fn≤lim sup⁡∫fn≤∫lim sup⁡fn.\int \liminf f_n \le \liminf \int f_n \le \limsup \int f_n \le \int \limsup f_n.

При сходимости fn→ff_n \to f почти всюду все четыре величины равны ∫f\int f - это и есть DCT.

Типовые задачи

Тип 1: проверить лемму Фату на конкретной последовательности. Найти lim inf⁡fn\liminf f_n поточечно, посчитать ∫lim inf⁡\int \liminf и ∫fn\int f_n для каждого nn, взять lim inf⁡\liminf справа. Сравнить и определить, строгое ли неравенство.

Тип 2: получить оценку ∫f≤C\int f \le C через Фату. Если fn→ff_n \to f почти всюду, fn≥0f_n \ge 0 и известно ∫fn≤C\int f_n \le C для всех nn, то ∫f≤C\int f \le C. Часто используется в теории вероятностей для оценки моментов предельной случайной величины.

Тип 3: построить контрпример к равенству ∫lim inf⁡=lim inf⁡∫\int \liminf = \liminf \int. Стандартные кандидаты - «уезжающий бугорок» или «волна, бегущая по R\mathbb{R}».

Тип 4: выбрать между Фату, Леви и DCT. Монотонность → Леви. Только неотрицательность, нужна оценка на ∫f\int f → Фату. Мажоранта + сходимость → Лебега.

Частые ошибки

  • Применяют Фату к функциям произвольного знака. Условие fn≥0f_n \ge 0 обязательно: контрпример fn=−1[n,n+1]f_n = -\mathbb{1}_{[n,n+1]} ломает неравенство. Если есть ограниченность снизу fn≥−hf_n \ge -h с интегрируемой hh - применять Фату к fn+hf_n + h.
  • Путают lim inf⁡\liminf и lim⁡\lim. Если fnf_n не сходится, lim inf⁡fn\liminf f_n всё равно определён поточечно - лемма работает. Если сходится - lim inf⁡fn=lim⁡fn\liminf f_n = \lim f_n.
  • Используют Фату вместо Леви при монотонности. Леви даёт сразу равенство, а не неравенство. Применение Фату - потеря информации.
  • Забывают, что неравенство одностороннее. Обратное неравенство ∫lim inf⁡≥lim inf⁡∫\int \liminf \ge \liminf \int требует дополнительных условий (мажоранта сверху, равномерная интегрируемость).
  • Применяют классическую Фату для lim sup⁡\limsup. Для lim sup⁡\limsup нужна обратная Фату и условие fn≤gf_n \le g с интегрируемой gg. Без мажоранты сверху симметричное неравенство ложно.

FAQ

Можно ли заменить lim inf⁡\liminf на lim⁡\lim, если fnf_n сходится? Да, если fn→ff_n \to f поточечно почти всюду, то lim inf⁡fn=f\liminf f_n = f почти всюду, и Фату принимает вид ∫f dμ≤lim inf⁡∫fn dμ\int f \, d\mu \le \liminf \int f_n \, d\mu. Эта форма часто используется как тест: если предельный интеграл нужно оценить снизу, Фату даёт нужное неравенство без мажоранты.

Чем отличаются лемма Фату и теорема Лебега? Фату работает для неотрицательных функций без сходимости и мажоранты, даёт неравенство ∫lim inf⁡≤lim inf⁡∫\int \liminf \le \liminf \int. Лебега требует сходимости почти всюду и общей интегрируемой мажоранты ∣fn∣≤g|f_n| \le g, даёт равенство ∫fn→∫f\int f_n \to \int f и сходимость в L1L^1. DCT - частный случай двойного применения Фату.

Существует ли версия Фату для условных математических ожиданий? Да, для условного математического ожидания E[⋅∣G]\mathbb{E}[\cdot \mid \mathcal{G}] выполнено E[lim inf⁡Xn∣G]≤lim inf⁡E[Xn∣G]\mathbb{E}[\liminf X_n \mid \mathcal{G}] \le \liminf \mathbb{E}[X_n \mid \mathcal{G}] почти наверное для неотрицательных случайных величин. Доказательство повторяет схему интегральной версии, но с условным аналогом MCT.

Коротко

Лемма Фату - фундаментальное неравенство теории меры: для неотрицательных измеримых fnf_n выполнено ∫lim inf⁡fn dμ≤lim inf⁡∫fn dμ\int \liminf f_n \, d\mu \le \liminf \int f_n \, d\mu. Доказательство - представление lim inf⁡\liminf как sup⁡kinf⁡n≥kfn\sup_k \inf_{n \ge k} f_n и применение теоремы Леви о монотонной сходимости. По силе предположений Фату - самая «дешёвая» в связке Леви–Фату–Лебега: не требует ни монотонности, ни мажоранты, ни сходимости. Взамен даёт лишь одностороннее неравенство, которое может быть строгим (контрпример - «уезжающий бугорок» n1[0,1/n]n \mathbb{1}_{[0,1/n]}, где левая часть равна нулю, а правая - единице). Главные применения: вывод теоремы Лебега о мажорируемой сходимости через двойное применение к g±fng \pm f_n, оценка моментов предельных случайных величин, обратная Фату для lim sup⁡\limsup с мажорантой сверху.

Доверьте текст нейросети EssayAI

Открыть EssayAI

Бесплатно, на русском языке и без VPN

Читайте также

Неравенство Гёльдера для интегралов: формулы и применение

Неравенство Гёльдера для интегралов: формулы и применение

Неравенство Гёльдера для интеграла: формулировка с сопряжёнными показателями p и q, доказательство через неравенство Юнга, частные случаи и применение в пространствах L^p.

14 марта 20269 минут
Теорема Лебега о мажорируемой сходимости: DCT и применения

Теорема Лебега о мажорируемой сходимости: DCT и применения

Теорема Лебега о мажорируемой сходимости (DCT): условие мажоранты с интегрируемой , переход к пределу под интегралом, доказательство через лемму Фату.

5 марта 20268 минут
Теорема Радона-Никодима: плотность и условное матожидание

Теорема Радона-Никодима: плотность и условное матожидание

Теорема Радона-Никодима: формулировка для σ-конечных мер, производная dν/dμ, связь с плотностью распределения, условное матожидание и разложение Лебега с контрпримерами.

2 февраля 20269 минут
Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG и GROUP BY

Как работают агрегатные функции SQL: COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, группировка GROUP BY, порядок выполнения запроса, разница HAVING и WHERE и поведение NULL внутри агрегата.

24 сентября 20269 минут
Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): ряд Тейлора и максимум

Интегральный синус Si(x): почему интеграл sin t / t не берётся в элементарных функциях, разложение в ряд, предел π/2, максимум Si(π) и выброс Гиббса. С калькулятором.

24 сентября 202610 минут
Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: массив и просеивание

Куча как структура данных: свойство кучи, хранение в обычном массиве и индексы 2i+1 и 2i+2, просеивание sift-up и sift-down, построение за O(n) и приоритетная очередь.

24 сентября 202610 минут