你希望有一個函式能對 R \mathbb{R} 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 E E E 並加總其長度,以此近似 E E E 的大小。對所有可數覆蓋取下確界(infimum) ,即得覆蓋 E E E 所需的最小可能總長度。
定義。 對任意集合 E ⊆ R E \subseteq \mathbb{R} E ⊆ R ,E E E 的**勒貝格外測度(Lebesgue outer measure)**為
λ ∗ ( E ) ≔ inf { ∑ k = 1 ∞ ( b k − a k ) | E ⊆ ⋃ k = 1 ∞ ( a k , b k ) } , (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} λ ∗ ( E ) : = inf { k = 1 ∑ ∞ ( b k − a k ) E ⊆ k = 1 ⋃ ∞ ( a k , b k ) } , ( 1 )
其中下確界取遍覆蓋 E E E 的所有可數開區間族 ( a k , b k ) (a_k, b_k) ( a k , b k ) 。若不存在有限上界,令 λ ∗ ( E ) = + ∞ \lambda^*(E) = +\infty λ ∗ ( E ) = + ∞ 。
幾點符號說明:
區間 ( a k , b k ) (a_k, b_k) ( a k , b k ) 可以重疊;b k − a k b_k - a_k b k − a k 是第 k k k 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 R n \mathbb{R}^n R n 上用 n n n 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} 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} λ ∗ ( ∅ ) = 0. ( 2 )
對任意 ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 ,用長度為 ε \varepsilon ε 的單一區間 ( 0 , ε ) (0, \varepsilon) ( 0 , ε ) 覆蓋 ∅ \emptyset ∅ 。令 ε → 0 \varepsilon \to 0 ε → 0 得 λ ∗ ( ∅ ) ≤ 0 \lambda^*(\emptyset) \leq 0 λ ∗ ( ∅ ) ≤ 0 ;由於長度非負,故 λ ∗ ( ∅ ) = 0 \lambda^*(\emptyset) = 0 λ ∗ ( ∅ ) = 0 。
(二)單調性
若 A ⊆ B ⊆ R A \subseteq B \subseteq \mathbb{R} A ⊆ B ⊆ R ,則
λ ∗ ( A ) ≤ λ ∗ ( B ) . (3) \lambda^*(A) \leq \lambda^*(B). \tag{3} λ ∗ ( A ) ≤ λ ∗ ( B ) . ( 3 )
B B B 的每個可數覆蓋也是 A A A 的可數覆蓋。對 B B B 的覆蓋取下確界,所得數值已不小於 λ ∗ ( A ) \lambda^*(A) λ ∗ ( A ) 。
(三)可數次可加性
對任意集合序列 E 1 , E 2 , E 3 , … ⊆ R E_1, E_2, E_3, \ldots \subseteq \mathbb{R} E 1 , E 2 , E 3 , … ⊆ R ,
λ ∗ ( ⋃ k = 1 ∞ E k ) ≤ ∑ k = 1 ∞ λ ∗ ( E k ) . (4) \lambda^*\!\left(\bigcup_{k=1}^{\infty} E_k\right) \;\leq\; \sum_{k=1}^{\infty} \lambda^*(E_k). \tag{4} λ ∗ ( k = 1 ⋃ ∞ E k ) ≤ k = 1 ∑ ∞ λ ∗ ( E k ) . ( 4 )
證明概要。 若某個 λ ∗ ( E k ) = + ∞ \lambda^*(E_k) = +\infty λ ∗ ( E k ) = + ∞ ,不等式平凡成立。否則,固定 ε > 0 \varepsilon > 0 ε > 0 。對每個 k k k ,選取 E k E_k E k 的可數開區間覆蓋,使總長度至多為 λ ∗ ( E k ) + ε / 2 k \lambda^*(E_k) + \varepsilon/2^k λ ∗ ( E k ) + ε / 2 k 。將所有這些區間合在一起,構成 ⋃ k E k \bigcup_k E_k ⋃ k E k 的一個可數覆蓋,總長度至多為
∑ k = 1 ∞ ( λ ∗ ( E k ) + ε 2 k ) = ∑ k = 1 ∞ λ ∗ ( E k ) + ε . \sum_{k=1}^{\infty}\!\left(\lambda^*(E_k) + \frac{\varepsilon}{2^k}\right)
= \sum_{k=1}^{\infty} \lambda^*(E_k) + \varepsilon. k = 1 ∑ ∞ ( λ ∗ ( E k ) + 2 k ε ) = k = 1 ∑ ∞ λ ∗ ( E k ) + ε .
由於 ε \varepsilon ε 是任意的,( 4 ) (4) ( 4 ) 得證。
這三個性質——正規化 ( 2 ) (2) ( 2 ) 、單調性 ( 3 ) (3) ( 3 ) 和可數次可加性 ( 4 ) (4) ( 4 ) ——是抽象意義上外測度 的定義公理。集合 X X X 上滿足這三條性質的任意函式 μ ∗ : 2 X → [ 0 , + ∞ ] \mu^* \colon 2^X \to [0, +\infty] μ ∗ : 2 X → [ 0 , + ∞ ] 稱為 X X X 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] [ a , b ] ,
λ ∗ ( [ a , b ] ) = b − a . (5) \lambda^*([a, b]) = b - a. \tag{5} λ ∗ ([ a , b ]) = b − a . ( 5 )
上界。 用單一區間 ( a − ε , b + ε ) (a - \varepsilon, b + \varepsilon) ( a − ε , b + ε ) 覆蓋 [ a , b ] [a, b] [ a , b ] ,得 λ ∗ ( [ a , b ] ) ≤ b − a + 2 ε \lambda^*([a,b]) \leq b - a + 2\varepsilon λ ∗ ([ a , b ]) ≤ b − a + 2 ε ;令 ε → 0 \varepsilon \to 0 ε → 0 。
下界。 [ a , b ] [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] [ a , b ] 的有限覆蓋的長度求和,結果至少為 b − a b - a b − 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 b − a b - a b − a 。
綜合得 λ ∗ ( [ a , b ] ) = b − a \lambda^*([a,b]) = b - a λ ∗ ([ a , b ]) = b − a 。同樣的論證給出 λ ∗ ( ( a , b ) ) = λ ∗ ( [ a , b ) ) = b − a \lambda^*((a,b)) = \lambda^*([a,b)) = b - a λ ∗ (( a , b )) = λ ∗ ([ 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) ( 4 ) ,但它對所有子集不 滿足可數可加性。來自測度論導論 的維塔利集 V V V 是反例:平移集合 V q ≔ V + q V_q \coloneqq V + q V q : = V + q (其中 q ∈ Q ∩ [ − 1 , 1 ] q \in \mathbb{Q} \cap [-1, 1] q ∈ Q ∩ [ − 1 , 1 ] )兩兩不相交,且
[ 0 , 1 ] ⊆ ⋃ q ∈ Q ∩ [ − 1 , 1 ] V q ⊆ [ − 1 , 2 ] . [0,1] \;\subseteq\; \bigcup_{q \in \mathbb{Q} \cap [-1,1]} V_q \;\subseteq\; [-1, 2]. [ 0 , 1 ] ⊆ q ∈ Q ∩ [ − 1 , 1 ] ⋃ V q ⊆ [ − 1 , 2 ] .
單調性給出 1 ≤ λ ∗ ( ⋃ q V q ) ≤ 3 1 \leq \lambda^*\!\left(\bigcup_q V_q\right) \leq 3 1 ≤ λ ∗ ( ⋃ q V q ) ≤ 3 。由於所有 V q V_q V q 都是 V V V 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 0 0 0 (若 λ ∗ ( V ) = 0 \lambda^*(V) = 0 λ ∗ ( V ) = 0 )要麼是 + ∞ +\infty + ∞ (若 λ ∗ ( V ) > 0 \lambda^*(V) > 0 λ ∗ ( V ) > 0 )——兩者都不在 [ 1 , 3 ] [1, 3] [ 1 , 3 ] 內。矛盾。
結論:外測度是你對 R \mathbb{R} R 的所有 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) λ ∗ ( E ) 由式 ( 1 ) (1) ( 1 ) 定義,是覆蓋 E E E 的可數開區間族的總長度的下確界。
它滿足:λ ∗ ( ∅ ) = 0 \lambda^*(\emptyset) = 0 λ ∗ ( ∅ ) = 0 (式 ( 2 ) (2) ( 2 ) )、單調性 (式 ( 3 ) (3) ( 3 ) )、可數次可加性 (式 ( 4 ) (4) ( 4 ) )。
這三個性質是外測度的抽象定義;λ ∗ \lambda^* λ ∗ 是 R \mathbb{R} R 上的外測度。
在區間上,λ ∗ \lambda^* λ ∗ 與普通長度吻合——式 ( 5 ) (5) ( 5 ) 。
可數可加性在所有子集上失敗:維塔利集表明,在 2 R 2^{\mathbb{R}} 2 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^* λ ∗ 限制到這些集合上。