カラテオドリの可測性基準

Basis
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前提知識

外測度R\mathbb{R} のすべての部分集合に大きさを与えるが、劣加法的にしかならない。問題は「悪い」集合が境界をまたいで測度を漏らし、加法性を破綻させることにある。コンスタンティン・カラテオドリ(Constantin Carathéodory)の洞察(1914年)は「良い」集合——可測なもの——を一つの幾何学的条件で特徴づけることだった:集合 EE が可測であるのは、それがすべてのテスト集合 AAぴったりと分割するときだ。

基準

μ\mu^* を集合 XX 上の外測度とする(抽象的定義は外測度を参照)。集合 EXE \subseteq Xμ\mu^* に関してカラテオドリ可測(Carathéodory-measurable、単に可測)であるとは、

μ(A)=μ(AE)+μ(AEc)すべての AX に対して(1)\mu^*(A) = \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c) \qquad \text{すべての } A \subseteq X \text{ に対して} \tag{1}

が成り立つことをいう。式 (1)(1)AAテスト集合(test set)という。問いは:EEAA を、外測度が正確に μ(A)\mu^*(A) になるように二つの部分に分割するか?

A=(AE)(AEc)A = (A \cap E) \cup (A \cap E^c) であり二つの部分が互いに素なので、劣加法性から常に

μ(A)μ(AE)+μ(AEc)\mu^*(A) \leq \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c)

が成り立つ。したがって基準 (1)(1) の実質的な中身は逆向きの不等式だ:

μ(A)μ(AE)+μ(AEc).(1’)\mu^*(A) \geq \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c). \tag{1'}

言葉にすると:EEAA を二分するときに「余分な測度を生み出さない」ということだ。

注意。 基準は EEEcE^c について対称だ:EE(1)(1) を満たすならば EcE^c も満たす(役割を入れ替えるだけ)。したがって可測性は補集合を取っても保たれる。

可測集合は σ-加法族をなす

M\mathcal{M} をすべての μ\mu^*-可測集合の族とする。M\mathcal{M} が σ-加法族の三つの公理を満たすことを確かめる。

公理 1:XMX \in \mathcal{M} 任意のテスト集合 AA に対して:AX=AA \cap X = A かつ AXc=A \cap X^c = \emptyset なので μ(AX)+μ(AXc)=μ(A)+0=μ(A)\mu^*(A \cap X) + \mu^*(A \cap X^c) = \mu^*(A) + 0 = \mu^*(A)。✓

公理 2:補集合について閉じている。 すでに上で見た通り、基準 (1)(1)EEEcE^c について対称だ。✓

公理 3:可算和について閉じている。 これが議論の核心だ。

まず有限和について。 E,FME, F \in \mathcal{M} とする。EFME \cup F \in \mathcal{M} を示したい。任意のテスト集合 AA に対して、テスト集合 AAEE の可測性を使い、次にテスト集合 AEcA \cap E^cFF の可測性を使う:

μ(A)=μ(AE)+μ(AEc)\mu^*(A) = \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c) μ(AEc)=μ(AEcF)+μ(AEcFc).\mu^*(A \cap E^c) = \mu^*(A \cap E^c \cap F) + \mu^*(A \cap E^c \cap F^c).

EcFc=(EF)cE^c \cap F^c = (E \cup F)^c に注意すると:

μ(A)=μ(AE)+μ(AEcF)+μ(A(EF)c).(2)\mu^*(A) = \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c \cap F) + \mu^*(A \cap (E \cup F)^c). \tag{2}

A(EF)=(AE)(AEcF)A \cap (E \cup F) = (A \cap E) \cup (A \cap E^c \cap F)(互いに素)なので劣加法性より μ(A(EF))μ(AE)+μ(AEcF)\mu^*(A \cap (E \cup F)) \leq \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c \cap F)。式 (2)(2) に代入すると:

μ(A)μ(A(EF))+μ(A(EF)c),\mu^*(A) \geq \mu^*(A \cap (E \cup F)) + \mu^*(A \cap (E \cup F)^c),

これは(劣加法性と合わせて)EFME \cup F \in \mathcal{M} を証明する。帰納法により M\mathcal{M} は有限和について閉じている。

可算和について。 E1,E2,ME_1, E_2, \ldots \in \mathcal{M} を互いに素とする(一般の場合は E~k=Ek(E1Ek1)\tilde{E}_k = E_k \setminus (E_1 \cup \cdots \cup E_{k-1}) と置くことで帰着できる;すでに確立した閉性により E~kM\tilde{E}_k \in \mathcal{M} のまま)。Snk=1nEkMS_n \coloneqq \bigsqcup_{k=1}^n E_k \in \mathcal{M} と置く。任意のテスト集合 AA と各 nn に対して:

μ(ASn)=k=1nμ(AEk).(3)\mu^*(A \cap S_n) = \sum_{k=1}^{n} \mu^*(A \cap E_k). \tag{3}

(3)(3) はテスト集合 ASnA \cap S_nEnE_n の可測性を使う帰納法で従う。SkEkS \coloneqq \bigcup_k E_k とする。SnSS_n \subseteq S なので単調性と (3)(3) より:

μ(AS)μ(ASn)=k=1nμ(AEk).\mu^*(A \cap S) \geq \mu^*(A \cap S_n) = \sum_{k=1}^{n} \mu^*(A \cap E_k).

nn \to \infty とすれば μ(AS)k=1μ(AEk)\mu^*(A \cap S) \geq \sum_{k=1}^{\infty} \mu^*(A \cap E_k);劣加法性と合わせて:

μ(AS)=k=1μ(AEk).(4)\mu^*(A \cap S) = \sum_{k=1}^{\infty} \mu^*(A \cap E_k). \tag{4}

また ScSncS^c \subseteq S_n^c なので μ(ASc)μ(ASnc)\mu^*(A \cap S^c) \leq \mu^*(A \cap S_n^c)SnS_n の可測性を使うと:

μ(ASn)+μ(ASnc)=μ(A),\mu^*(A \cap S_n) + \mu^*(A \cap S_n^c) = \mu^*(A),

したがって μ(ASc)μ(A)k=1nμ(AEk)\mu^*(A \cap S^c) \leq \mu^*(A) - \sum_{k=1}^n \mu^*(A \cap E_k) がすべての nn について成り立つ。式 (4)(4) と合わせると:

μ(A)μ(AS)+μ(ASc),\mu^*(A) \geq \mu^*(A \cap S) + \mu^*(A \cap S^c),

よって SMS \in \mathcal{M}結論: M\mathcal{M} は σ-加法族だ。✓

M\mathcal{M} 上での可算加法性

上の議論の真の収穫は、式 (4)(4)A=XA = X を代入することで得られる:

μ ⁣(k=1Ek)=k=1μ(Ek)互いに素な EkM に対して。(5)\mu^*\!\left(\bigsqcup_{k=1}^{\infty} E_k\right) = \sum_{k=1}^{\infty} \mu^*(E_k) \qquad \text{互いに素な } E_k \in \mathcal{M} \text{ に対して。} \tag{5}

これが可算加法性(countable additivity)——真の測度の定義的性質だ。制限 μM\mu^* \restriction_{\mathcal{M}} は外測度を σ-加法族 M\mathcal{M} 上の真の測度に変える。

完備性

測度空間 (X,M,μ)(X, \mathcal{M}, \mu^*)完備(complete)であるとは、零集合のすべての部分集合が可測であることをいう。カラテオドリの構成は自動的に完備性を与える。

命題。 μ(N)=0\mu^*(N) = 0 かつ ANA \subseteq N ならば AMA \in \mathcal{M}

証明。 任意のテスト集合 TT に対して:TANT \cap A \subseteq N なので μ(TA)μ(N)=0\mu^*(T \cap A) \leq \mu^*(N) = 0。また TTAcT \supseteq T \cap A^c なので単調性より μ(TAc)μ(T)\mu^*(T \cap A^c) \leq \mu^*(T)。したがって μ(TA)+μ(TAc)0+μ(T)=μ(T)\mu^*(T \cap A) + \mu^*(T \cap A^c) \leq 0 + \mu^*(T) = \mu^*(T);逆の不等式は劣加法性から成り立つ。よって AMA \in \mathcal{M}

この完備性は実践的に重要だ:測度ゼロの集合の部分集合が σ-加法族の「外に出る」心配をする必要がない。

まとめ

  • カラテオドリの基準 (1)(1) は、EE がすべてのテスト集合 AA を加法的に分割するとき EE が可測だという;非自明な中身は逆不等式 (1)(1') だ。
  • すべての可測集合の族 M\mathcal{M}σ-加法族だ:XX を含み、補集合について閉じ(基準の対称性)、可算和について閉じている(有限和の議論を上の極限操作で拡張)。
  • 互いに素な可測集合上で外測度は可算加法的——式 (5)(5)。これにより μM\mu^*\restriction_{\mathcal{M}} は真の測度になる。
  • 得られる測度空間は完備:零集合のすべての部分集合は可測だ。
  • 次:ルベーグ測度でこの枠組みを μ=λ\mu^* = \lambda^*R\mathbb{R} 上のルベーグ外測度)に適用し、標準的な長さの概念を生み出す。