卡拉泰奧多里可測性準則

Basis
最後更新: 標籤: 測度論

先備知識

外測度對 R\mathbb{R} 的每個子集都賦予了大小,但它只具有次可加性。問題在於某些「壞」集合在邊界處洩漏測度,使可加性失敗。康斯坦丁·卡拉泰奧多里(Constantin Carathéodory,1914 年)的洞察在於:以一個單一的幾何條件刻畫「好」集合——即可測集(measurable set)——:集合 EE 是可測的,當且僅當它對每個測試集 AA 都能完美地分割成兩個不重疊的部分。

準則

設 μ∗\mu^* 是集合 XX 上的外測度(抽象定義見外測度)。集合 E⊆XE \subseteq X 關於 μ∗\mu^* 是卡拉泰奧多里可測的(或簡稱可測的),若

μ∗(A)=μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec)對所有 A⊆X.(1)\mu^*(A) = \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c) \qquad \text{對所有 } A \subseteq X. \tag{1}

(1)(1) 中的集合 AA 稱為測試集(test set)。你要問的是:EE 是否將 AA 分成兩部分,使這兩部分的外測度恰好相加等於 μ∗(A)\mu^*(A)?

由於 A=(A∩E)∪(A∩Ec)A = (A \cap E) \cup (A \cap E^c) 且兩部分不相交,次可加性始終給出

μ∗(A)≤μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec).\mu^*(A) \leq \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c).

因此準則 (1)(1) 的實質內容是反向不等式:

μ∗(A)≥μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec).(1’)\mu^*(A) \geq \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c). \tag{1'}

換言之:EE 在切割 AA 時不「製造」額外的測度。

備註。 該準則關於 EE 和 EcE^c 是對稱的:若 EE 滿足 (1)(1),則 EcE^c 也滿足(只需交換兩者的角色)。因此可測性在補集運算下保持。

可測集構成 σ 代數

設 M\mathcal{M} 為所有 μ∗\mu^*-可測集的集族。現在驗證 M\mathcal{M} 滿足 σ 代數的全部三條公理。

公理 1:X∈MX \in \mathcal{M}。 對任意測試集 AA:A∩X=AA \cap X = A 且 A∩Xc=A∩∅=∅A \cap X^c = A \cap \emptyset = \emptyset,故 μ∗(A∩X)+μ∗(A∩Xc)=μ∗(A)+0=μ∗(A)\mu^*(A \cap X) + \mu^*(A \cap X^c) = \mu^*(A) + 0 = \mu^*(A)。✓

公理 2:在補集運算下封閉。 上文已述:準則 (1)(1) 關於 EE 和 EcE^c 是對稱的。✓

公理 3:在可數聯集運算下封閉。 這是論證的核心。下面是關鍵步驟。

先處理有限聯集。 設 E,F∈ME, F \in \mathcal{M},要證明 E∪F∈ME \cup F \in \mathcal{M}。對任意測試集 AA,以 AA 為測試集利用 EE 的可測性,再以 A∩EcA \cap E^c 為測試集利用 FF 的可測性:

μ∗(A)=μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec)\mu^*(A) = \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c) μ∗(A∩Ec)=μ∗(A∩Ec∩F)+μ∗(A∩Ec∩Fc).\mu^*(A \cap E^c) = \mu^*(A \cap E^c \cap F) + \mu^*(A \cap E^c \cap F^c).

注意 Ec∩Fc=(E∪F)cE^c \cap F^c = (E \cup F)^c,故

μ∗(A)=μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec∩F)+μ∗(A∩(E∪F)c).(2)\mu^*(A) = \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c \cap F) + \mu^*(A \cap (E \cup F)^c). \tag{2}

由於 A∩(E∪F)=(A∩E)∪(A∩Ec∩F)A \cap (E \cup F) = (A \cap E) \cup (A \cap E^c \cap F) 且兩者不相交,次可加性給出 μ∗(A∩(E∪F))≤μ∗(A∩E)+μ∗(A∩Ec∩F)\mu^*(A \cap (E \cup F)) \leq \mu^*(A \cap E) + \mu^*(A \cap E^c \cap F)。代入 (2)(2):

μ∗(A)≥μ∗(A∩(E∪F))+μ∗(A∩(E∪F)c),\mu^*(A) \geq \mu^*(A \cap (E \cup F)) + \mu^*(A \cap (E \cup F)^c),

結合另一方向的次可加性,即證 E∪F∈ME \cup F \in \mathcal{M}。由歸納法,M\mathcal{M} 在有限聯集下封閉。

可數聯集。 設 E1,E2,…∈ME_1, E_2, \ldots \in \mathcal{M} 兩兩不相交(一般情形可化歸於此,令 E~k=Ek∖(E1∪⋯∪Ek−1)\tilde{E}_k = E_k \setminus (E_1 \cup \cdots \cup E_{k-1}),由已建立的封閉性質,這些集合仍在 M\mathcal{M} 中)。令 Sn≔⨆k=1nEk∈MS_n \coloneqq \bigsqcup_{k=1}^n E_k \in \mathcal{M}。對任意測試集 AA 和每個 nn:

μ∗(A∩Sn)=∑k=1nμ∗(A∩Ek).(3)\mu^*(A \cap S_n) = \sum_{k=1}^{n} \mu^*(A \cap E_k). \tag{3}

式 (3)(3) 由對 nn 的歸納法得出,利用以 A∩SnA \cap S_n 為測試集時 EnE_n 的可測性。現令 S≔⋃kEkS \coloneqq \bigcup_k E_k。由於 Sn⊆SS_n \subseteq S,單調性與 (3)(3) 給出:

μ∗(A∩S)≥μ∗(A∩Sn)=∑k=1nμ∗(A∩Ek).\mu^*(A \cap S) \geq \mu^*(A \cap S_n) = \sum_{k=1}^{n} \mu^*(A \cap E_k).

令 n→∞n \to \infty,得 μ∗(A∩S)≥∑k=1∞μ∗(A∩Ek)\mu^*(A \cap S) \geq \sum_{k=1}^{\infty} \mu^*(A \cap E_k),結合次可加性:

μ∗(A∩S)=∑k=1∞μ∗(A∩Ek).(4)\mu^*(A \cap S) = \sum_{k=1}^{\infty} \mu^*(A \cap E_k). \tag{4}

又 Sc⊆SncS^c \subseteq S_n^c,故 μ∗(A∩Sc)≤μ∗(A∩Snc)\mu^*(A \cap S^c) \leq \mu^*(A \cap S_n^c)。利用 SnS_n 的可測性:

μ∗(A∩Sn)+μ∗(A∩Snc)=μ∗(A),\mu^*(A \cap S_n) + \mu^*(A \cap S_n^c) = \mu^*(A),

故對每個 nn,μ∗(A∩Sc)≤μ∗(A)−∑k=1nμ∗(A∩Ek)\mu^*(A \cap S^c) \leq \mu^*(A) - \sum_{k=1}^n \mu^*(A \cap E_k)。結合 (4)(4):

μ∗(A)≥μ∗(A∩S)+μ∗(A∩Sc),\mu^*(A) \geq \mu^*(A \cap S) + \mu^*(A \cap S^c),

故 S∈MS \in \mathcal{M}。結論: M\mathcal{M} 是 σ 代數。✓

M\mathcal{M} 上的可數可加性

上述論證的真正收穫是式 (4)(4) 在 A=XA = X 時的應用:

μ∗ ⁣(⨆k=1∞Ek)=∑k=1∞μ∗(Ek)對兩兩不相交的 Ek∈M.(5)\mu^*\!\left(\bigsqcup_{k=1}^{\infty} E_k\right) = \sum_{k=1}^{\infty} \mu^*(E_k) \qquad \text{對兩兩不相交的 } E_k \in \mathcal{M}. \tag{5}

這就是可數可加性(countable additivity)——真正測度的定義性質。限制 μ∗↾M\mu^* \restriction_{\mathcal{M}} 因此將外測度轉化為 σ 代數 M\mathcal{M} 上的真正測度。

完備性

測度空間 (X,M,μ∗)(X, \mathcal{M}, \mu^*) 是完備的(complete),若零測集的每個子集都是可測的。卡拉泰奧多里的構造自動保證了完備性。

命題。 若 μ∗(N)=0\mu^*(N) = 0 且 A⊆NA \subseteq N,則 A∈MA \in \mathcal{M}。

證明。 對任意測試集 TT:T∩A⊆NT \cap A \subseteq N,故 μ∗(T∩A)≤μ∗(N)=0\mu^*(T \cap A) \leq \mu^*(N) = 0。又 T⊇T∩AcT \supseteq T \cap A^c,故由單調性 μ∗(T∩Ac)≤μ∗(T)\mu^*(T \cap A^c) \leq \mu^*(T)。因此 μ∗(T∩A)+μ∗(T∩Ac)≤0+μ∗(T)=μ∗(T)\mu^*(T \cap A) + \mu^*(T \cap A^c) \leq 0 + \mu^*(T) = \mu^*(T),反向不等式由次可加性給出。故 A∈MA \in \mathcal{M}。

這個完備性在實踐中很重要:它意味著你永遠不必擔心零測集的子集「落在」σ 代數之外。

摘要

  • 卡拉泰奧多里準則 (1)(1) 說的是:當 EE 對每個測試集 AA 進行可加分割時,EE 是可測的;其非平凡的內容是反向不等式 (1′)(1')。
  • 所有可測集的集族 M\mathcal{M} 是一個 σ 代數:它包含 XX,在補集運算下封閉(準則的對稱性),在可數聯集運算下封閉(有限聯集的論證通過上述極限論證擴展)。
  • 在兩兩不相交的可測集上,外測度滿足可數可加性——式 (5)(5)。這使 μ∗↾M\mu^*\restriction_{\mathcal{M}} 成為真正的測度。
  • 所得測度空間是完備的:零測集的每個子集都是可測的。
  • 下一步:勒貝格測度將此機制應用於 μ∗=λ∗\mu^* = \lambda^*(R\mathbb{R} 上的勒貝格外測度),從而產生 R\mathbb{R} 上長度的典型概念。