【实变函数】02

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【实变函数】02

2024-07-13 22:05| 来源: 网络整理| 查看: 265

1. 测度和\(\sigma\)-环

  在上一篇我感受到,对复杂集合的描述都是很困难的事,更不好定义一个清晰普遍的测度。正确的思路应该是,从可以定义测度的简单集开始,合理地向外扩展,直至包含足够丰富的集。这样即满足了复杂性要求,也同时兼容了简单集的测度。所谓简单集,就比如实数集上的区间,区间长(测度)有公认的定义。当然我们这里不局限于实数集或者欧氏空间,而把讨论对象放在一般集合上。先是有一个全集\(X\)做为基本空间,测度只定义在\(X\)的某些子集上,由\(X\)的某些子集组成的集合称为集类,这里用黑体字母表示\(\mathbf{E}\)。

  假设在\(X\)的某个简单集类上已经有公认的度量(测度)定义\(\mu(E)\),它必须符合以下3个常识性的限定:(1)\(\mu(\Phi)=0\);(2)\(\mu(E)\geqslant0\);(3)式(1)的可加性。这3个简单直观的限定其实包含了众多具有度量性质的函数,比如个数、长度、质量、概率等。可加性结合第一条的空集为0,可以自由推导出子集的交、并、差的测度,也就是说测度对有限的集合运算是封闭的,任何对测度的扩充也应当对这些运算封闭。

\[E_i\cap E_j=\Phi\;\Rightarrow\;\mu\left(\bigcup_{i=1}^{n}E_i\right)=\bigcup_{i=1}^{n}\mu(E_i)\tag{1}\]

  有限运算把测度限制在了简单集类上,我们要做的就是捅破“有限”这层窗户纸,但又不能捅得太过。上一篇中强调了可列无穷的特殊意义,它是无穷中最接近有穷的存在,数学归纳法是有穷到可列无穷的桥梁。现在很自然的一步就是要把简单集类先扩展到对可列个运算的封闭,其实不难证明,只需要对可列个并封闭就行了,即如果\(\mathbf{E}\)对可列个并以及有限个交、差封闭,那么它对可列个交、差、并封闭。定义好了集类的可列封闭性,还需要把式(1)的可加性扩展到式(2)的可列可加性,结合前两条性质,这既是我们对测度的基本要求。

\[E_i\cap E_j=\Phi\;\Rightarrow\;\mu\left(\bigcup_{i=1}^\infty E_i\right)=\bigcup_{i=1}^\infty\mu(E_i)\tag{2}\]

  上面的封闭性描述比较繁琐,教材上把“在有限并、差上封闭的集类”(等价于在并、交上封闭)称为\(X\)上的环,包含\(X\)的环也叫\(X\)上的域。简单推敲一下会发现,这个定义并不符合代数上环和域的要求,但单纯为了表述简单,以下仍沿用这两个名词。再比如任意集类\(\mathbf{E}\)对环(域)条件的闭包(包含\(\mathbf{E}\)且满足条件的最小集类)称为的张成环(域),一般记作\(\mathbf{R}(\mathbf{E})\)(\(\mathbf{F}(\mathbf{E})\))。当然我们更关注的是满足可列可加性的环(域),它被称为\(\sigma\)-环(\(\sigma\)-域),以及相应的有张成\(\sigma\)-环(\(\sigma\)-域),记作\(\mathbf{S}(\mathbf{E})\)(\(\mathbf{F}(\mathbf{E})\))。

  在考虑测度的性质时,我们只需狠狠地盯住上面的三个特征,它就是单纯的一个“量”,数量、重量等。可列可加性也只是单纯的“叠加”,并不对子集之间的空间布局有任何要求。从这3个特征出发,不难得到测度的一些基本特征,这里不再罗列。但要特别提醒一点:某些特征需要避开\(\mu=\infty\)的情景,以免产生逻辑漏洞。另外,当\(\mathbf{R}\)是一个\(\sigma\)-环,请自行证明式(3~5),其中式(4~5)要求存在\(k\)使得\(\mu\left(\underset{i=k}{\overset{\infty}{\bigcap}}E_i\right)



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