• 测度(Measure)


    测度概述

      数学上,测度(Measure)是一个函数,它对一个给定集合的某些子集指定一个数,这个数可以比作大小、体积、概率等等。传统的积分是在区间上进行的,后来人们希望把积分推广到任意的集合上,就发展出测度的概念,它在数学分析和概率论有重要的地位。

      测度论是实分析的一个分支,研究对象有σ代数、测度、可测函数和积分,其重要性在概率论和统计学中有所体现的。

     

    测度的定义

      形式上说,一个测度mu(详细的说法是可列可加的正测度)是个函数。设mathcal{A}是集合X上的一个σ代数,mu在上mathcal{A}定义,于扩充区间[0,infty]中取值,并且满足以下性质:

    • 空集的测度为零:
    mu(emptyset) = 0
    • 可数可加性,或称σ可加性:若E_1,E_2,cdotsmathcal{A}中可数个两两不交的集合的序列,则所有E_i的并集的测度,等于每个E_i的测度之总和:
    mu(igcup_{i=1}^infty E_i) = sum_{i=1}^infty mu(E_i)

      这样的三元组(X, mathcal{A}, mu)称为一个测度空间,而mathcal{A}中的元素称为这个空间中的可测集。

     

    测度的性质

      下面的一些性质可从测度的定义导出:

     

    单调性

      测度mu的单调性:

      若E_1E_2为可测集,而且E_1 subseteq E_2,则 mu(E_1) leq mu(E_2)

     

    可数个可测集的并集的测度

      若 E_1, E_2, E_3cdots为可测集(不必是两两不交的),并且对于所有的nE_nE_{n+1},则集合E_n的并集是可测的,且有如下不等式(「次可列可加性」):

    mu(igcup_{i=1}^infty E_i) leq sum_{i=1}^infty mu(E_i)

      以及如下极限:

    mu(igcup_{i=1}^infty E_i) = lim_{i	oinfty} mu(E_i)
     

    可数个可测集的交集的测度

      若 E_1,E_2,cdots为可测集,并且对于所有的nE_{n+1}E_n,则E_n的交集是可测的。进一步说,如果至少一个E_n的测度有限,则有极限:

    mu(igcap_{i=1}^infty E_i) = lim_{i	oinfty} mu(E_i)

      如若不假设至少一个E_n的测度有限,则上述性质一般不成立。例如对于每一个nin mathbb{N},令

    E_n = [n, infty) subseteq mathbb{R}

    这里,全部集合都具有无限测度,但它们的交集是空集。

     

    σ有限测度

    如果mu(Omega)是一个有限实数(而不是infty),则测度空间(X, mathcal{A}, mu)称为有限测度空间。如果Omega可以表示为可数个可测集的并集,而且这些可测集的测度均有限,则该测度空间称为σ有限测度空间。称测度空间中的一个集合A具有σ有限测度,如果A可以表示为可数个可测集的并集,而且这些可测集的测度均有限。

    作为例子,实数集赋以标准勒贝格测度是σ有限的,但不是有限的。为说明之,只要考虑闭区间族[k, k+1],k 取遍所有的整数;这样的区间共有可数多个,每一个的测度为1,而且并起来就是整个实数集。作为另一个例子,取实数集上的计数测度,即对实数集的每个有限子集,都把元素个数作为它的测度,至于无限子集的测度则令为infty。这样的测度空间就不是σ有限的,因为任何有限测度集只含有有限个点,从而,覆盖整个实数轴需要不可数个有限测度集。σ有限的测度空间有些很好的性质;从这点上说,σ有限性可以类比于拓扑空间的可分性。

     

    完备性

    一个可测集N称为零测集,如果mu(N)=0。零测集的子集称为可去集,它未必是可测的,但零测集自然是可去集。如果所有的可去集都可测,则称该测度为完备测度。

    一个测度可以按如下的方式延拓为完备测度:考虑X的所有这样的子集F,它与某个可测集E仅差一个可去集,也就是说EF的对称差包含于一个零测集中。由这些子集F生成的σ代数,并定义mu(F)的值就等于mu(E)

     

    例子

    下列是一些测度的例子(重要性与顺序无关)。

    • 计数测度 定义为mu(S) = S的‘元素个数’。
    • 一维勒贝格测度 是定义在mathbb{R}的一个含所有区间的σ代数上的、完备的、平移不变的、满足mu([0,1])=1的唯一测度。
    • Circular angle 测度 是旋转不变的。
    • 局部紧拓扑群上的哈尔测度是勒贝格测度的一种推广,而且也有类似的刻划。
    • 恆零测度 定义为mu(S) = 0,对任意的S
    • 每一个概率空间都有一个测度,它对全空间取值为1(于是其值全部落到单位区间[0,1]中)。这就是所谓概率测度。
    • 其它例子,包括:狄拉克测度、波莱尔测度、若尔当测度、遍历测度、欧拉测度、高斯测度、贝尔测度、拉东测度。
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