勒貝格測度

勒貝格測度是賦予歐幾里得空間的子集一個長度、面積、或者體積的標準方法。它廣泛套用於實分析,特別是用於定義勒貝格積分。可以賦予一個體積的集合被稱為勒貝格可測;勒貝格可測集A的體積或者說測度記作λ(A)。一個值為∞的勒貝格測度是可能的,但是即使如此,在假設選擇公理成立時,R的所有子集也不都是勒貝格可測的。不可測集的“奇特”行為導致了巴拿赫-塔斯基悖論這樣的命題,它是選擇公理的一個結果。

歷史

勒貝格在1901年描述勒他的測度,隨後在第二年他描述了勒貝格積分。二者都是作為他在1902年的博士論文的一部分發表的。

例子

勒貝格測度 勒貝格測度
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1.如果 A是一個區間 , 那么其勒貝格測度是區間長度 。開區間 的長度與閉區間一樣,因為兩集合的差是零測集。

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2. 如果 A是區間 和 的笛卡爾積,則它是一個長方形,測度為它的面積 。

3.康托爾集是一個 勒貝格測度為零的不可數集的例子。

性質

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上的勒貝格測度有如下的性質 :

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1. 如果 A是區間 的笛卡爾積,那么 A是勒貝格可測的,並且 其中 表示區間 I的長度。

2. 如果 A是有限個或可數個兩兩互不相交的勒貝格可測集的並,那么 A也是勒貝格可測的,並且λ( A) 就是這些可測集的測度的和(或無窮級數的和)。

3. 如果 A勒貝格可測的,那么它的補集(相對於 R)也是可測的。

4. 對於每個勒貝格可測集 A,λ( A) ≥ 0 。

5. 如果 A與 B是勒貝格可測的,且 A是 B的子集,那么λ( A) ≤ λ( B)。 (由 2, 3 及 4可得。)

6. 可數多個是勒貝格可測集的交或者並仍然是勒貝格可測的。 (由2,3 可得)。

7. 如果 A是一個開集或閉集,且是 R(甚至Borel集,見度量空間,待補)的子集,那么 A是勒貝格可測的。

8. 如果 A是一個勒貝格可測集,並有 λ( A) = 0 (零測集),則 A的任何一個子集也是零測集。

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9. 如果 A是勒貝格可測的, x是 R中的一個元素, A關於x的平移(定義為 )也是勒貝格可測的,並且測度等於 A.

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10. 如果 A是勒貝格可測的, ,則 關於 的擴張(定義為 )也是勒貝格可測的,其測度為 。

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11. 更廣泛地說,設 T是一個線性變換, A是一個 R的勒貝格可測子集,則 T( A)也是勒貝格可測的,其測度為 。

12. 如果 A是 R的勒貝格可測子集, f是一個 A到 R上的連續單射函式,則 f( A)也是勒貝格可測的。

勒貝格測度 勒貝格測度
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簡要地說, 的勒貝格可測子集組成一個含所有區間及其笛卡爾積的σ代數,且λ是其上唯一的完備的、平移不變的、滿足 的測度。

勒貝格測度是 σ-有限測度

零測集

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的子集是零測集,如果對於每一個ε > 0,它都可以用可數個 n個區間的乘積來覆蓋,其總體積最多為ε。所有可數集都是零測集。

勒貝格測度 勒貝格測度
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如果 的子集的豪斯多夫維數小於 n,那么它就是關於 n維勒貝格測度的零測集。在這裡,豪斯多夫維數是相對於 上的歐幾里得度量(或任何與其等價的利普希茨度量)。另一方面,一個集合可能拓撲維數小於 n,但具有正的 n維勒貝格測度。一個例子是史密斯-沃爾泰拉-康托爾集,它的拓撲維數為0,但1維勒貝格測度為正數。

為了證明某個給定的集合 A是勒貝格可測的,我們通常嘗試尋找一個“較好”的集合 B,與 A只相差一個零測集,然後證明 B可以用開集或閉集的可數交集和並集生成。

勒貝格測度的結構

勒貝格測度的現代結構,基於外測度,是卡拉特奧多里發明的。

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固定 , 中的 盒子是形如 的集合,其中 。這個盒子的體積 定義為

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對於任何 的子集 A,我們可以定義它的外測度 :

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是可數個盒子的集合,它的並集覆蓋了 。然後定義集合 A為勒貝格可測的,如果對於所有集合 ,都有:

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這些勒貝格可測的集合形成了一個σ代數。勒貝格測度定義為λ( A) = λ( A)對於任何勒貝格可測的集合 A。

勒貝格測度 勒貝格測度
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根據維塔利定理,存在實數 的一個勒貝格不可測的子集。如果 A是的任何測度為正數的子集,那么 A便有勒貝格不可測的子集 。

與其他測度的關係

在所定義的集合上,博雷爾測度與勒貝格測度是一致的;然而,仍然有更多勒貝格可測的集合不是博雷爾可測的。博雷爾測度是平移不變的,但不是完備的。

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哈爾測度可以定義在任何局部緊群上,是勒貝格測度的一個推廣(帶有加法的是一個局部緊群)。

勒貝格測度 勒貝格測度
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豪斯多夫測度(參見豪斯多夫維數)是勒貝格測度的一個推廣,對於測量的維數比 n低的子集是很有用的,例如內的曲線或曲面,以及分形集合。不能把豪斯多夫測度與豪斯多夫維數的概念混淆。

可以證明,在無窮維空間不存在勒貝格測度的類似物。

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