外測度は 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 E が可測であるのは、それがすべてのテスト集合 A をぴったりと分割するときだ。
基準
μ∗ を集合 X 上の外測度とする(抽象的定義は外測度を参照)。集合 E⊆X が μ∗ 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∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec)すべての A⊆X に対して(1)
が成り立つことをいう。式 (1) の A をテスト集合(test set)という。問いは:E は A を、外測度が正確に μ∗(A) になるように二つの部分に分割するか?
A=(A∩E)∪(A∩Ec) 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∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec)
が成り立つ。したがって基準 (1) の実質的な中身は逆向きの不等式だ:
μ∗(A)≥μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec).(1’)
言葉にすると:E が A 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 E と Ec について対称だ:E が (1) を満たすならば Ec 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 をすべての μ∗-可測集合の族とする。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:X∈M。
任意のテスト集合 A に対して:A∩X=A かつ A∩Xc=∅ なので μ∗(A∩X)+μ∗(A∩Xc)=μ∗(A)+0=μ∗(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) は E と Ec 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,F∈M とする。E∪F∈M を示したい。任意のテスト集合 A に対して、テスト集合 A で E の可測性を使い、次にテスト集合 A∩Ec で F の可測性を使う:
μ∗(A)=μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec)
μ∗(A∩Ec)=μ∗(A∩Ec∩F)+μ∗(A∩Ec∩Fc).
Ec∩Fc=(E∪F)c に注意すると:
μ∗(A)=μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec∩F)+μ∗(A∩(E∪F)c).(2)
A∩(E∪F)=(A∩E)∪(A∩Ec∩F)(互いに素)なので劣加法性より μ∗(A∩(E∪F))≤μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec∩F)。式 (2) に代入すると:
μ∗(A)≥μ∗(A∩(E∪F))+μ∗(A∩(E∪F)c),
これは(劣加法性と合わせて)E∪F∈M を証明する。帰納法により M は有限和について閉じている。
可算和について。 E1,E2,…∈M を互いに素とする(一般の場合は E~k=Ek∖(E1∪⋯∪Ek−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~k∈M のまま)。Sn:=⨆k=1nEk∈M と置く。任意のテスト集合 A と各 n に対して:
μ∗(A∩Sn)=k=1∑nμ∗(A∩Ek).(3)
式 (3) はテスト集合 A∩Sn で En の可測性を使う帰納法で従う。S:=⋃kEk とする。Sn⊆S なので単調性と (3) より:
μ∗(A∩S)≥μ∗(A∩Sn)=k=1∑nμ∗(A∩Ek).
n→∞ とすれば μ∗(A∩S)≥∑k=1∞μ∗(A∩Ek);劣加法性と合わせて:
μ∗(A∩S)=k=1∑∞μ∗(A∩Ek).(4)
また Sc⊆Snc なので μ∗(A∩Sc)≤μ∗(A∩Snc)。Sn の可測性を使うと:
μ∗(A∩Sn)+μ∗(A∩Snc)=μ∗(A),
したがって μ∗(A∩Sc)≤μ∗(A)−∑k=1nμ∗(A∩Ek) がすべての n について成り立つ。式 (4) と合わせると:
μ∗(A)≥μ∗(A∩S)+μ∗(A∩Sc),
よって S∈M。結論: M は σ-加法族だ。✓
M 上での可算加法性
上の議論の真の収穫は、式 (4) に A=X を代入することで得られる:
μ∗(k=1⨆∞Ek)=k=1∑∞μ∗(Ek)互いに素な Ek∈M に対して。(5)
これが可算加法性(countable additivity)——真の測度の定義的性質だ。制限 μ∗↾M は外測度を σ-加法族 M 上の真の測度に変える。
完備性
測度空間 (X,M,μ∗) が完備(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 かつ A⊆N ならば A∈M。
証明。 任意のテスト集合 T に対して:T∩A⊆N なので μ∗(T∩A)≤μ∗(N)=0。また T⊇T∩Ac なので単調性より μ∗(T∩Ac)≤μ∗(T)。したがって μ∗(T∩A)+μ∗(T∩Ac)≤0+μ∗(T)=μ∗(T);逆の不等式は劣加法性から成り立つ。よって A∈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) は、E がすべてのテスト集合 A を加法的に分割するとき E が可測だという;非自明な中身は逆不等式 (1′) だ。
- すべての可測集合の族 M は σ-加法族だ:X 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)。これにより μ∗↾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∗(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。