外測度

Basis
最後更新: 標籤: 測度論

你希望有一個函式能對 R\mathbb{R} 的每個子集賦予「大小」。σ 代數告訴你哪些集合最終將是可測的,但在限制到這些集合之前,你先建構一個初步的大小函式——外測度(outer measure)——它定義在所有子集上。它的關鍵優點是始終有定義良好;它的關鍵缺陷是只有次可加性,而非完全可加性。修正這個缺陷正是下一章節卡拉泰奧多里(Carathéodory)的工作。

定義

基本想法是從外部用開區間覆蓋集合 EE 並加總其長度,以此近似 EE 的大小。對所有可數覆蓋取下確界(infimum),即得覆蓋 EE 所需的最小可能總長度。

定義。 對任意集合 ERE \subseteq \mathbb{R}EE 的**勒貝格外測度(Lebesgue outer measure)**為

λ(E)    inf ⁣{k=1(bkak)  |  Ek=1(ak,bk)},(1)\lambda^*(E) \;\coloneqq\; \inf\!\left\{ \sum_{k=1}^{\infty} (b_k - a_k) \;\middle|\; E \subseteq \bigcup_{k=1}^{\infty} (a_k, b_k) \right\}, \tag{1}

其中下確界取遍覆蓋 EE 的所有可數開區間族 (ak,bk)(a_k, b_k)。若不存在有限上界,令 λ(E)=+\lambda^*(E) = +\infty

幾點符號說明:

  • 區間 (ak,bk)(a_k, b_k) 可以重疊;bkakb_k - a_k 是第 kk 個區間的長度。
  • 允許多次使用同一個區間(但這樣做只是浪費覆蓋空間)。
  • 有限覆蓋是可數覆蓋的特例(用空區間補足即可)。

同樣的構造可在 Rn\mathbb{R}^n 上用 nn 維長方體進行,或在任意度量空間上用適當的「基本集」進行,但現在我們在 R\mathbb{R} 上工作。

三個基本性質

(一)空集的外測度為零

λ()=0.(2)\lambda^*(\emptyset) = 0. \tag{2}

對任意 ε>0\varepsilon > 0,用長度為 ε\varepsilon 的單一區間 (0,ε)(0, \varepsilon) 覆蓋 \emptyset。令 ε0\varepsilon \to 0λ()0\lambda^*(\emptyset) \leq 0;由於長度非負,故 λ()=0\lambda^*(\emptyset) = 0

(二)單調性

ABRA \subseteq B \subseteq \mathbb{R},則

λ(A)λ(B).(3)\lambda^*(A) \leq \lambda^*(B). \tag{3}

BB 的每個可數覆蓋也是 AA 的可數覆蓋。對 BB 的覆蓋取下確界,所得數值已不小於 λ(A)\lambda^*(A)

(三)可數次可加性

對任意集合序列 E1,E2,E3,RE_1, E_2, E_3, \ldots \subseteq \mathbb{R}

λ ⁣(k=1Ek)    k=1λ(Ek).(4)\lambda^*\!\left(\bigcup_{k=1}^{\infty} E_k\right) \;\leq\; \sum_{k=1}^{\infty} \lambda^*(E_k). \tag{4}

證明概要。 若某個 λ(Ek)=+\lambda^*(E_k) = +\infty,不等式平凡成立。否則,固定 ε>0\varepsilon > 0。對每個 kk,選取 EkE_k 的可數開區間覆蓋,使總長度至多為 λ(Ek)+ε/2k\lambda^*(E_k) + \varepsilon/2^k。將所有這些區間合在一起,構成 kEk\bigcup_k E_k 的一個可數覆蓋,總長度至多為

k=1 ⁣(λ(Ek)+ε2k)=k=1λ(Ek)+ε.\sum_{k=1}^{\infty}\!\left(\lambda^*(E_k) + \frac{\varepsilon}{2^k}\right) = \sum_{k=1}^{\infty} \lambda^*(E_k) + \varepsilon.

由於 ε\varepsilon 是任意的,(4)(4) 得證。

這三個性質——正規化 (2)(2)、單調性 (3)(3) 和可數次可加性 (4)(4)——是抽象意義上外測度的定義公理。集合 XX 上滿足這三條性質的任意函式 μ ⁣:2X[0,+]\mu^* \colon 2^X \to [0, +\infty] 稱為 XX 上的外測度。

外測度與區間長度吻合

一個基本合理性驗證:對有界閉區間 [a,b][a, b]

λ([a,b])=ba.(5)\lambda^*([a, b]) = b - a. \tag{5}

上界。 用單一區間 (aε,b+ε)(a - \varepsilon, b + \varepsilon) 覆蓋 [a,b][a, b],得 λ([a,b])ba+2ε\lambda^*([a,b]) \leq b - a + 2\varepsilon;令 ε0\varepsilon \to 0

下界。 [a,b][a, b] 的任何開覆蓋都有有限子覆蓋(海涅–博雷爾定理,Heine–Borel)。對 [a,b][a, b] 的有限覆蓋的長度求和,結果至少為 bab - a(對重疊區間的數目用歸納法得出的標準論證)。由於每個可數覆蓋都包含這樣一個有限子覆蓋,下確界至少為 bab - a

綜合得 λ([a,b])=ba\lambda^*([a,b]) = b - a。同樣的論證給出 λ((a,b))=λ([a,b))=ba\lambda^*((a,b)) = \lambda^*([a,b)) = b - a,對開區間和半開區間均成立。

可數可加性為何會失敗

外測度滿足次可加性 (4)(4),但它對所有子集滿足可數可加性。來自測度論導論的維塔利集 VV 是反例:平移集合 VqV+qV_q \coloneqq V + q(其中 qQ[1,1]q \in \mathbb{Q} \cap [-1, 1])兩兩不相交,且

[0,1]    qQ[1,1]Vq    [1,2].[0,1] \;\subseteq\; \bigcup_{q \in \mathbb{Q} \cap [-1,1]} V_q \;\subseteq\; [-1, 2].

單調性給出 1λ ⁣(qVq)31 \leq \lambda^*\!\left(\bigcup_q V_q\right) \leq 3。由於所有 VqV_q 都是 VV 的平移,它們有相同的外測度。若可數可加性成立,總和要麼是 00(若 λ(V)=0\lambda^*(V) = 0)要麼是 ++\infty(若 λ(V)>0\lambda^*(V) > 0)——兩者都不在 [1,3][1, 3] 內。矛盾。

結論:外測度是你對 R\mathbb{R}所有子集所能做到的最佳結果。要獲得真正的可加性,你必須限制到一個適當的子族——即由卡拉泰奧多里準則所識別的可測集。

摘要

  • 勒貝格外測度 λ(E)\lambda^*(E) 由式 (1)(1) 定義,是覆蓋 EE 的可數開區間族的總長度的下確界。
  • 它滿足:λ()=0\lambda^*(\emptyset) = 0(式 (2)(2))、單調性(式 (3)(3))、可數次可加性(式 (4)(4))。
  • 這三個性質是外測度的抽象定義;λ\lambda^*R\mathbb{R} 上的外測度。
  • 在區間上,λ\lambda^* 與普通長度吻合——式 (5)(5)
  • 可數可加性在所有子集上失敗:維塔利集表明,在 2R2^{\mathbb{R}} 上不存在一致的、平移不變的、可數可加的測度。
  • 解決方案是卡拉泰奧多里準則:識別出哪些集合對每個測試集都有可加分割,並將 λ\lambda^* 限制到這些集合上。