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Fatou–Lebesgue theorem

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1392: 1047: 25: 832: 1387:{\displaystyle \max {\bigl (}{\biggl |}\int _{S}\liminf _{n\to \infty }f_{n}\,d\mu {\biggr |},{\Bigl |}\int _{S}\limsup _{n\to \infty }f_{n}\,d\mu {\Bigr |}{\bigr )}\leq \int _{S}\max {\bigl (}{\Bigl |}\liminf _{n\to \infty }f_{n}{\Bigr |},{\Bigl |}\limsup _{n\to \infty }f_{n}{\Bigr |}{\bigr )}\,d\mu \leq \int _{S}\limsup _{n\to \infty }|f_{n}|\,d\mu \leq \int _{S}g\,d\mu } 475: 573: 278: 827:{\displaystyle \int _{X}\liminf _{n\to \infty }f_{n}\,d\mu +\int _{X}g\,d\mu =\int _{X}\liminf _{n\to \infty }(f_{n}+g)\leq \liminf _{n\to \infty }\int _{X}(f_{n}+g)\,d\mu =\liminf _{n\to \infty }\int _{X}f_{n}\,d\mu +\int _{X}g\,d\mu .} 470:{\displaystyle \int _{S}\liminf _{n\to \infty }f_{n}\,d\mu \leq \liminf _{n\to \infty }\int _{S}f_{n}\,d\mu \leq \limsup _{n\to \infty }\int _{S}f_{n}\,d\mu \leq \int _{S}\limsup _{n\to \infty }f_{n}\,d\mu \,.} 1039: 983: 869: 909: 889: 946: 568: 89: 496:
Since the middle inequality (for sequences of real numbers) is always true, the directions of the other inequalities are easy to remember.
61: 42: 68: 75: 1398: 530: 57: 1456: 489:
are taken pointwise. The integral of the absolute value of these limiting functions is bounded above by the integral of
1451: 146: 142: 108: 991: 46: 177: 82: 157:
to the limit inferior and the limit superior of integrals of these functions. The theorem is named after
951: 912: 837: 130: 35: 173: 154: 1410: 894: 874: 162: 918: 871:
term we get the first inequality. The second inequality is the elementary inequality between
540: 169: 138: 8: 207: 534: 248: 1428: 1445: 1414: 211: 158: 203: 122: 1433: 24: 150: 134: 915:, i.e. applying the Fatou lemma to the non-negative functions 234:
which dominates the sequence in absolute value, meaning that |
513:
as well as the limit inferior and the limit superior of the
263:
as well as the limit inferior and the limit superior of the
480:
Here the limit inferior and the limit superior of the
1050: 994: 954: 921: 897: 877: 840: 576: 543: 281: 49:. Unsourced material may be challenged and removed. 1386: 1033: 977: 940: 903: 883: 863: 826: 562: 522:are measurable and dominated in absolute value by 469: 226:). If there exists a Lebesgue-integrable function 1286: 1253: 1243: 1210: 1173: 1123: 1113: 1063: 1443: 1319: 1259: 1216: 1198: 1139: 1079: 1051: 996: 898: 878: 756: 698: 657: 588: 431: 375: 329: 293: 948:, and again (up to sign) cancelling the finite 1293: 1203: 1180: 1056: 911:. The last inequality follows by applying 183: 1377: 1354: 1298: 1164: 1104: 1034:{\displaystyle \limsup _{n}|f_{n}|\leq g} 968: 854: 814: 791: 745: 636: 613: 463: 456: 410: 364: 318: 109:Learn how and when to remove this message 168:If the sequence of functions converges 1444: 1411:Topics in Real and Functional Analysis 176:and the theorem reduces to Lebesgue's 1399:monotonicity of the Lebesgue integral 47:adding citations to reliable sources 18: 13: 1329: 1269: 1226: 1149: 1089: 766: 708: 667: 598: 531:linearity of the Lebesgue integral 441: 385: 339: 303: 14: 1468: 1421: 978:{\displaystyle \int _{X}g\,d\mu } 864:{\displaystyle \int _{X}g\,d\mu } 23: 34:needs additional citations for 1350: 1335: 1326: 1266: 1223: 1146: 1086: 1021: 1006: 763: 742: 723: 705: 691: 672: 664: 595: 537:to the non-negative functions 438: 382: 336: 300: 1: 1404: 178:dominated convergence theorem 172:, the inequalities turn into 7: 202:, ... denote a sequence of 10: 1473: 1457:Theorems in measure theory 1452:Theorems in real analysis 834:Cancelling the finite(!) 16:Theorem in measure theory 1429:"Fatou-Lebesgue theorem" 904:{\displaystyle \limsup } 884:{\displaystyle \liminf } 499: 184:Statement of the theorem 58:"Fatou–Lebesgue theorem" 1417:, University of Vienna. 941:{\displaystyle g-f_{n}} 563:{\displaystyle f_{n}+g} 210:functions defined on a 129:establishes a chain of 1388: 1035: 979: 942: 905: 885: 865: 828: 564: 471: 127:Fatou–Lebesgue theorem 1389: 1036: 980: 943: 906: 886: 866: 829: 565: 472: 1048: 992: 952: 919: 895: 875: 838: 574: 541: 526:, hence integrable. 279: 43:improve this article 913:reverse Fatou lemma 272:are integrable and 163:Henri Léon Lebesgue 1384: 1333: 1273: 1230: 1153: 1093: 1031: 1004: 975: 938: 901: 881: 861: 824: 770: 712: 671: 602: 560: 467: 445: 389: 343: 307: 1318: 1258: 1215: 1138: 1078: 995: 755: 697: 656: 587: 430: 374: 328: 292: 137:(in the sense of 119: 118: 111: 93: 1464: 1438: 1393: 1391: 1390: 1385: 1373: 1372: 1353: 1348: 1347: 1338: 1332: 1317: 1316: 1297: 1296: 1290: 1289: 1283: 1282: 1272: 1257: 1256: 1247: 1246: 1240: 1239: 1229: 1214: 1213: 1207: 1206: 1197: 1196: 1184: 1183: 1177: 1176: 1163: 1162: 1152: 1137: 1136: 1127: 1126: 1117: 1116: 1103: 1102: 1092: 1077: 1076: 1067: 1066: 1060: 1059: 1040: 1038: 1037: 1032: 1024: 1019: 1018: 1009: 1003: 984: 982: 981: 976: 964: 963: 947: 945: 944: 939: 937: 936: 910: 908: 907: 902: 890: 888: 887: 882: 870: 868: 867: 862: 850: 849: 833: 831: 830: 825: 810: 809: 790: 789: 780: 779: 769: 735: 734: 722: 721: 711: 684: 683: 670: 655: 654: 632: 631: 612: 611: 601: 586: 585: 569: 567: 566: 561: 553: 552: 476: 474: 473: 468: 455: 454: 444: 429: 428: 409: 408: 399: 398: 388: 363: 362: 353: 352: 342: 317: 316: 306: 291: 290: 114: 107: 103: 100: 94: 92: 51: 27: 19: 1472: 1471: 1467: 1466: 1465: 1463: 1462: 1461: 1442: 1441: 1427: 1424: 1407: 1368: 1364: 1349: 1343: 1339: 1334: 1322: 1312: 1308: 1292: 1291: 1285: 1284: 1278: 1274: 1262: 1252: 1251: 1242: 1241: 1235: 1231: 1219: 1209: 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1281: 1277: 1271: 1268: 1265: 1261: 1260:lim sup 1255: 1250: 1245: 1238: 1234: 1228: 1225: 1222: 1218: 1217:lim inf 1212: 1205: 1200: 1195: 1191: 1187: 1182: 1175: 1170: 1167: 1161: 1157: 1151: 1148: 1145: 1141: 1140:lim sup 1135: 1131: 1125: 1120: 1115: 1110: 1107: 1101: 1097: 1091: 1088: 1085: 1081: 1080:lim inf 1075: 1071: 1065: 1058: 1053: 1030: 1027: 1023: 1017: 1013: 1008: 1002: 998: 997:lim sup 974: 971: 967: 962: 958: 935: 931: 927: 924: 900: 899:lim sup 880: 879:lim inf 860: 857: 853: 848: 844: 823: 820: 817: 813: 808: 804: 800: 797: 794: 788: 784: 778: 774: 768: 765: 762: 758: 757:lim inf 754: 751: 748: 744: 741: 738: 733: 729: 725: 720: 716: 710: 707: 704: 700: 699:lim inf 696: 693: 690: 687: 682: 678: 674: 669: 666: 663: 659: 658:lim inf 653: 649: 645: 642: 639: 635: 630: 626: 622: 619: 616: 610: 606: 600: 597: 594: 590: 589:lim inf 584: 580: 559: 556: 551: 547: 517: 508: 501: 498: 484: 478: 477: 466: 462: 459: 453: 449: 443: 440: 437: 433: 432:lim sup 427: 423: 419: 416: 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