测度(英语:Measure)是种对特定一群子集指定数值的函数,直观上相当于体积,也就是指定一个代表体积大小的数值给每个可以测量大小的空间。传统的黎曼积分是在区间上进行的,为了把积分推广到更一般的集合上,人们就发展出测度的概念。一个特别重要的例子是勒贝格测度,它从 � n 维欧式空间 � � {\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}} 出发,概括了传统长度、面积和体积等等的概念。
研究测度的学问被统称为测度论,因为指定的数值通常是非负实数,所以测度论通常会被视为实分析的一个分支,它在数学分析和概率论有重要的地位。
目录 1 定义 1.1 定义的分歧 2 性质 2.1 单调性 2.2 可数个可测集的并集的测度 2.3 可数个可测集的交集的测度 3 完备性 4 例子 5 相关条目 6 参考文献 7 外部链接 定义 要正式定义测度之前,必须先要决定怎样的一群子集合,是“可以测量的”,详细请见σ-代数。
集合 � X 有σ-代数 Σ\Sigma ,函数 � : Σ → [ 0 , ∞ ) {\displaystyle \mu :\Sigma \to [0,,\infty )} 若满足:
� ( ∅ )
0 {\displaystyle \mu (\varnothing )=0} (空集合的测度为零) 可数可加性( �\sigma -可加性):若 { � � ∈ Σ } � ∈ � {\displaystyle {E_{n}\in \Sigma }_{n\in \mathbb {N} }} 是 Σ\Sigma 中两两不相交的集合序列,也就是说,对所有 � ≠ � i\neq j 都有 � � ∩ � �
∅{\displaystyle E_{i}\cap E_{j}=\varnothing },则有 � ( ⋃ � ∈ � � � )
∑ �
1 ∞ � ( � � ) {\displaystyle \mu \left(\bigcup {n\in \mathbb {N} }E{n}\right)=\sum {n=1}^{\infty }\mu (E{n})}。 那 �\mu 被称为定义在 Σ\Sigma 上的一个非负测度,或简称为测度。为了叙述简便起见,有时会直接称 ( � , Σ , � ) {\displaystyle (X,,\Sigma ,,\mu )} 为一测度空间。
如果将 �\mu 的值域扩展到复数,也就是说 � : Σ → � {\displaystyle \mu :\Sigma \to \mathbb {C} } ,那 �\mu 会被进一步称为复数测度。[1]
定义的分歧 照着上述定义中的可数可加性去推论,不少母集合本身的测度值(如对 � � {\displaystyle {\mathbb {R} }^{n}} 本身取勒贝格测度)会变成无穷大而实际上不存在,为了让上述定义在最小更动的情况下适用,不少书籍[2]会形式上将无穷大视为一个数,而容许测度取值为无穷大;容许这样定义的书籍会将只容许有限实数值的测度称为(非负)有限测度。但容许测度取值无穷大须额外申明,至少有个可测集合 � ∈ Σ{\displaystyle E\in \Sigma } 使得 � ( � ) ≥ 0 {\displaystyle \mu (E)\geq 0} ,否则这样会容许测度值全为无穷大的病态情况。
更进一步的,如果对测度空间 ( � , Σ , � ) {\displaystyle (X,,\Sigma ,,\mu )} 来说,母集合 � X 都可以表示为某个 Σ\Sigma 的可测集合序列 { � � ∈ Σ } � ∈ � {\displaystyle {E_{n}\in \Sigma }_{n\in \mathbb {N} }} 的并集:
�
⋃ � ∈ � � � {\displaystyle X=\bigcup {n\in \mathbb {N} }E{n}} 则有限测度 �\mu 会被进一步的称为(非负)σ-有限测度。
性质 单调性 测度 �
\mu\ 的单调性: 若 � 1
E_1\ 和 � 2
E_2\ 为可测集,而且 � 1 ⊆ � 2 E_1 \subseteq E_2,则 � ( � 1 ) ≤ � ( � 2 ) \mu(E_1) \leq \mu(E_2)。
可数个可测集的并集的测度 若 � 1 , � 2 , � 3 ⋯E_1, E_2, E_3\cdots为可测集(不必是两两不交的),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”):
� ( ⋃ �
1 ∞ � � ) ≤ ∑ �
1 ∞ � ( � � ) \mu(\bigcup_{i=1}^\infty E_i) \leq \sum_{i=1}^\infty \mu(E_i) 如果还满足并且对于所有的 �
n\ , � �
E_n\ ⊆ � � + 1
E_{n+1}\ ,则如下极限式成立:
� ( ⋃ �
1 ∞ � � )
lim � → ∞ � ( � � ) . \mu\left(\bigcup_{i=1}^\infty E_i\right) = \lim_{i\to\infty} \mu(E_i). 可数个可测集的交集的测度 若 � 1 , � 2 , ⋯E_1,E_2,\cdots为可测集,并且对于所有的 �
n\ , � � + 1
E_{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:
� ( ⋂ �
1 ∞ � � )
lim � → ∞ � ( � � ) \mu(\bigcap_{i=1}^\infty E_i) = \lim_{i\to\infty} \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 � ∈ � n\in \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。
完备性 对于一个可测集 � N,若 � ( � )
0
\mu(N)=0\ 成立,则称为零测集,其子集称为可去集。
一个可去集未必是可测的,但零测集一定是可去集。
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的所有与某个可测集 � E仅差一个可去集的子集 � F,可得到 � E与 � F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 � ( � )
� ( � ) {\displaystyle \mu (F)=\mu (E)},所得到的测度即为完备测度。
例子 下列是一些测度的例子(顺序与重要性无关)。
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 � ( [ 0 , 1 ] )
1
\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。 恒零测度定义为 � ( � )
0
\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。见概率论公理。 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。
相关条目 外测度(Outer measure) 几乎处处(Almost everywhere) 勒贝格测度(Lebesgue measure) 勒贝格积分 法图引理(Fatou's lemma) 富比尼定理(Fubini's theorem) 可测基数
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