Мера (математика)

Обобщение массы, длины, площади и объема
Неформально, мера обладает свойством монотонности в том смысле, что если является подмножеством меры , то оно меньше или равно мере Более того, мера пустого множества должна быть равна 0. Простым примером является объем (насколько большой объект занимает пространство) в качестве меры. А {\displaystyle А} Б , {\displaystyle Б,} А {\displaystyle А} Б . {\displaystyle Б.}

В математике понятие меры является обобщением и формализацией геометрических мер ( длина , площадь , объем ) и других общих понятий, таких как величина , масса и вероятность событий. Эти, казалось бы, различные понятия имеют много общего и часто могут рассматриваться вместе в едином математическом контексте. Меры являются основополагающими в теории вероятностей , теории интегрирования и могут быть обобщены для принятия отрицательных значений , как в случае с электрическим зарядом . Далеко идущие обобщения (такие как спектральные меры и проекционно-значные меры ) меры широко используются в квантовой физике и физике в целом.

Интуиция, лежащая в основе этой концепции, восходит к Древней Греции , когда Архимед пытался вычислить площадь круга . [1] [2] Но только в конце 19-го и начале 20-го веков теория меры стала разделом математики. Основы современной теории меры были заложены в работах Эмиля Бореля , Анри Лебега , Николая Лузина , Иоганна Радона , Константина Каратеодори и Мориса Фреше , среди прочих.

Определение

Счётная аддитивность меры : мера счётного непересекающегося объединения равна сумме всех мер каждого подмножества. μ {\displaystyle \мю}

Пусть — множество и -алгебра над Множественная функция из на расширенную прямую действительных чисел называется мерой, если выполняются следующие условия: Х {\displaystyle X} Σ {\displaystyle \Сигма} σ {\displaystyle \сигма} Х . {\displaystyle X.} μ {\displaystyle \мю} Σ {\displaystyle \Сигма}

  • Неотрицательность : Для всех Э Σ ,     μ ( Э ) 0. {\displaystyle E\in \Sigma,\ \ \mu (E)\geq 0.}
  • μ ( ) = 0. {\displaystyle \mu (\varnothing )=0.}
  • Счетная аддитивность (или -аддитивность ): для всех счетных наборов попарно непересекающихся множеств в Σ, σ {\displaystyle \сигма} { Э к } к = 1 {\displaystyle \{E_{k}\}_{k=1}^{\infty }} μ ( к = 1 Э к ) = к = 1 μ ( Э к ) . {\displaystyle \mu \left(\bigcup _{k=1}^{\infty }E_{k} \right)=\sum _{k=1}^{\infty }\mu (E_{k}) .}

Если хотя бы одно множество имеет конечную меру, то требование выполняется автоматически в силу счетной аддитивности: и, следовательно, Э {\displaystyle E} μ ( ) = 0 {\displaystyle \mu (\varnothing )=0} μ ( Э ) = μ ( Э ) = μ ( Э ) + μ ( ) , {\ displaystyle \ му (E) = \ му (E \ чашка \ varnothing) = \ му (E) + \ му (\ varnothing),} μ ( ) = 0. {\displaystyle \mu (\varnothing )=0.}

Если условие неотрицательности опускается и принимает не более одного из значений, то называется знаковой мерой . μ {\displaystyle \мю} ± , {\displaystyle \pm \infty ,} μ {\displaystyle \мю}

Пара называется измеримым пространством , а элементы называются измеримыми множествами . ( Х , Σ ) {\displaystyle (X,\Сигма)} Σ {\displaystyle \Сигма}

Тройка называется пространством меры . Вероятностная мера — это мера с общей мерой один — то есть, Вероятностное пространство это пространство меры с вероятностной мерой. ( Х , Σ , μ ) {\displaystyle (X,\Сигма,\мю)} μ ( Х ) = 1. {\displaystyle \мю (X)=1.}

Для пространств мер, которые также являются топологическими пространствами, могут быть наложены различные условия совместимости для меры и топологии. Большинство мер, встречающихся на практике в анализе (а во многих случаях и в теории вероятностей ), являются мерами Радона . Меры Радона имеют альтернативное определение в терминах линейных функционалов на локально выпуклом топологическом векторном пространстве непрерывных функций с компактным носителем . Этот подход принят Бурбаки (2004) и рядом других источников. Более подробную информацию см. в статье о мерах Радона .

Экземпляры

Некоторые важные меры перечислены здесь.

Другие «именованные» меры, используемые в различных теориях, включают: меру Бореля , меру Жордана , эргодическую меру , меру Гаусса , меру Бэра , меру Радона , меру Юнга и меру Лёба .

В физике примером меры является пространственное распределение массы (см., например, гравитационный потенциал ), или другое неотрицательное экстенсивное свойство , сохраняющееся (см. закон сохранения для списка таких свойств) или нет. Отрицательные значения приводят к знаковым мерам, см. «обобщения» ниже.

  • Мера Лиувилля , известная также как естественная форма объема на симплектическом многообразии, полезна в классической статистической и гамильтоновой механике.
  • Мера Гиббса широко используется в статистической механике, часто под названием канонического ансамбля .

Теория меры используется в машинном обучении. Одним из примеров является Flow Induced Probability Measure в GFlowNet. [3]

Основные свойства

Пусть будет мера. μ {\displaystyle \мю}

Монотонность

Если и являются измеримыми множествами с то Э 1 {\displaystyle E_{1}} Э 2 {\displaystyle E_{2}} Э 1 Э 2 {\displaystyle E_{1}\subseteq E_{2}} μ ( Э 1 ) μ ( Э 2 ) . {\displaystyle \mu (E_{1})\leq \mu (E_{2}).}

Мера счетных объединений и пересечений

Счетная субаддитивность

Для любой счетной последовательности (не обязательно непересекающихся) измеримых множеств в Э 1 , Э 2 , Э 3 , {\displaystyle E_{1},E_{2},E_{3},\ldots } Э н {\displaystyle E_{n}} Σ : {\displaystyle \Сигма :} μ ( я = 1 Э я ) я = 1 μ ( Э я ) . {\displaystyle \mu \left(\bigcup _{i=1}^{\infty }E_{i}\right)\leq \sum _{i=1}^{\infty }\mu (E_{i} ).}

Непрерывность снизу

Если — измеримые множества, которые возрастают (это означает, что ), то объединение множеств измеримо и Э 1 , Э 2 , Э 3 , {\displaystyle E_{1},E_{2},E_{3},\ldots } Э 1 Э 2 Э 3 {\displaystyle E_{1}\subseteq E_{2}\subseteq E_{3}\subseteq \ldots } Э н {\displaystyle E_{n}} μ ( я = 1 Э я )   =   лим я μ ( Э я ) = Как дела я 1 μ ( Э я ) . {\displaystyle \mu \left(\bigcup _{i=1}^{\infty }E_{i}\right)~=~\lim _{i\to \infty }\mu (E_{i})= \sup _{i\geq 1}\mu (E_{i}).}

Преемственность сверху

Если — измеримые множества, которые убывающие (имеется в виду, что ), то пересечение множеств измеримо; кроме того, если хотя бы одно из имеет конечную меру, то Э 1 , Э 2 , Э 3 , {\displaystyle E_{1},E_{2},E_{3},\ldots } Э 1 Э 2 Э 3 {\displaystyle E_{1}\supseteq E_{2}\supseteq E_{3}\supseteq \ldots } Э н {\displaystyle E_{n}} Э н {\displaystyle E_{n}} μ ( я = 1 Э я ) = лим я μ ( Э я ) = инф я 1 μ ( Э я ) . {\displaystyle \mu \left(\bigcap _{i=1}^{\infty }E_{i}\right)=\lim _{i\to \infty }\mu (E_{i})=\inf _{i\geq 1}\mu (E_{i}).}

Это свойство ложно без предположения, что хотя бы один из имеет конечную меру. Например, для каждого пусть все имеют бесконечную меру Лебега, но пересечение пусто. Э н {\displaystyle E_{n}} н Н , {\displaystyle n\in \mathbb {N} ,} Э н = [ н , ) Р , {\displaystyle E_{n}=[n,\infty )\subseteq \mathbb {R} ,}

Другие свойства

Полнота

Измеримое множество называется нулевым множеством , если Подмножество нулевого множества называется пренебрежимо малым множеством . Пренебрежимо малое множество не обязательно должно быть измеримым, но каждое измеримое пренебрежимо малое множество автоматически является нулевым множеством. Мера называется полной, если каждое пренебрежимо малое множество измеримо. Х {\displaystyle X} μ ( Х ) = 0. {\displaystyle \мю (X)=0.}

Меру можно расширить до полной, рассматривая σ-алгебру подмножеств , которые отличаются на пренебрежимо малое множество от измеримого множества , то есть, такого, что симметричная разность и содержится в нулевом множестве. Определяется равным И {\displaystyle Y} Х , {\displaystyle X,} Х {\displaystyle X} И {\displaystyle Y} μ ( И ) {\displaystyle \мю (Y)} μ ( Х ) . {\displaystyle \мю (X).}

«Сбрасывая край»

Если -измеримо , то для почти всех [4] Это свойство используется в связи с интегралом Лебега . ф : Х [ 0 , + ] {\displaystyle f:X\to [0,+\infty ]} ( Σ , Б ( [ 0 , + ] ) ) {\displaystyle (\Sigma ,{\cal {B}}([0,+\infty ]))} μ { х Х : ф ( х ) т } = μ { х Х : ф ( х ) > т } {\displaystyle \mu \{x\in X:f(x)\geq t\}=\mu \{x\in X:f(x)>t\}} т [ , ] . {\displaystyle t\in [-\infty ,\infty ].}

Доказательство

Оба и являются монотонно невозрастающими функциями , поэтому оба они имеют не более счетного числа разрывов и, таким образом, они непрерывны почти всюду относительно меры Лебега. Если , то так что как и требовалось. Ф ( т ) := μ { х Х : ф ( х ) > т } {\displaystyle F(t):=\mu \{x\in X:f(x)>t\}} Г ( т ) := μ { х Х : ф ( х ) т } {\displaystyle G(t):=\mu \{x\in X:f(x)\geq t\}} t , {\displaystyle t,} t < 0 {\displaystyle t<0} { x X : f ( x ) t } = X = { x X : f ( x ) > t } , {\displaystyle \{x\in X:f(x)\geq t\}=X=\{x\in X:f(x)>t\},} F ( t ) = G ( t ) , {\displaystyle F(t)=G(t),}

Если таково, что то монотонность подразумевает так, что как и требовалось. Если для всех то мы закончили, поэтому предположим иное. Тогда существует единственное такое, что бесконечно слева от (что может произойти только при ) и конечно справа. Рассуждая, как и выше, когда Аналогично, если и то t {\displaystyle t} μ { x X : f ( x ) > t } = + {\displaystyle \mu \{x\in X:f(x)>t\}=+\infty } μ { x X : f ( x ) t } = + , {\displaystyle \mu \{x\in X:f(x)\geq t\}=+\infty ,} F ( t ) = G ( t ) , {\displaystyle F(t)=G(t),} μ { x X : f ( x ) > t } = + {\displaystyle \mu \{x\in X:f(x)>t\}=+\infty } t {\displaystyle t} t 0 { } [ 0 , + ) {\displaystyle t_{0}\in \{-\infty \}\cup [0,+\infty )} F {\displaystyle F} t {\displaystyle t} t 0 0 {\displaystyle t_{0}\geq 0} μ { x X : f ( x ) t } = + {\displaystyle \mu \{x\in X:f(x)\geq t\}=+\infty } t < t 0 . {\displaystyle t<t_{0}.} t 0 0 {\displaystyle t_{0}\geq 0} F ( t 0 ) = + {\displaystyle F\left(t_{0}\right)=+\infty } F ( t 0 ) = G ( t 0 ) . {\displaystyle F\left(t_{0}\right)=G\left(t_{0}\right).}

Для Пусть — монотонно неубывающая последовательность, сходящаяся к Монотонно невозрастающая последовательность членов имеет по крайней мере одну конечно измеримую компоненту, и Непрерывность сверху гарантирует, что Правая часть тогда равна , если — точка непрерывности Поскольку непрерывна почти всюду, это завершает доказательство. t > t 0 , {\displaystyle t>t_{0},} t n {\displaystyle t_{n}} t . {\displaystyle t.} { x X : f ( x ) > t n } {\displaystyle \{x\in X:f(x)>t_{n}\}} Σ {\displaystyle \Sigma } μ {\displaystyle \mu } { x X : f ( x ) t } = n { x X : f ( x ) > t n } . {\displaystyle \{x\in X:f(x)\geq t\}=\bigcap _{n}\{x\in X:f(x)>t_{n}\}.} μ { x X : f ( x ) t } = lim t n t μ { x X : f ( x ) > t n } . {\displaystyle \mu \{x\in X:f(x)\geq t\}=\lim _{t_{n}\uparrow t}\mu \{x\in X:f(x)>t_{n}\}.} lim t n t F ( t n ) {\displaystyle \lim _{t_{n}\uparrow t}F\left(t_{n}\right)} F ( t ) = μ { x X : f ( x ) > t } {\displaystyle F(t)=\mu \{x\in X:f(x)>t\}} t {\displaystyle t} F . {\displaystyle F.} F {\displaystyle F}

Аддитивность

Меры должны быть счетно-аддитивными. Однако условие можно усилить следующим образом. Для любого множества и любого множества неотрицательных определяем: То есть, мы определяем сумму как супремум всех сумм конечного числа из них. I {\displaystyle I} r i , i I {\displaystyle r_{i},i\in I} i I r i = sup { i J r i : | J | < , J I } . {\displaystyle \sum _{i\in I}r_{i}=\sup \left\lbrace \sum _{i\in J}r_{i}:|J|<\infty ,J\subseteq I\right\rbrace .} r i {\displaystyle r_{i}}

Мера на является -аддитивной, если для любого семейства непересекающихся множеств выполняется следующее: Второе условие эквивалентно утверждению, что идеал нулевых множеств является -полным. μ {\displaystyle \mu } Σ {\displaystyle \Sigma } κ {\displaystyle \kappa } λ < κ {\displaystyle \lambda <\kappa } X α , α < λ {\displaystyle X_{\alpha },\alpha <\lambda } α λ X α Σ {\displaystyle \bigcup _{\alpha \in \lambda }X_{\alpha }\in \Sigma } μ ( α λ X α ) = α λ μ ( X α ) . {\displaystyle \mu \left(\bigcup _{\alpha \in \lambda }X_{\alpha }\right)=\sum _{\alpha \in \lambda }\mu \left(X_{\alpha }\right).} κ {\displaystyle \kappa }

Сигма-конечные меры

Пространство меры называется конечным, если — конечное действительное число (а не ). Ненулевые конечные меры аналогичны вероятностным мерам в том смысле, что любая конечная мера пропорциональна вероятностной мере. Мера называется σ-конечной, если ее можно разложить на счетное объединение измеримых множеств конечной меры. Аналогично, говорят, что множество в пространстве меры имеет σ-конечную меру , если оно является счетным объединением множеств с конечной мерой. ( X , Σ , μ ) {\displaystyle (X,\Sigma ,\mu )} μ ( X ) {\displaystyle \mu (X)} {\displaystyle \infty } μ {\displaystyle \mu } 1 μ ( X ) μ . {\displaystyle {\frac {1}{\mu (X)}}\mu .} μ {\displaystyle \mu } X {\displaystyle X}

Например, действительные числа со стандартной мерой Лебега являются σ-конечными, но не конечными. Рассмотрим замкнутые интервалы для всех целых чисел , таких интервалов счетно много, каждый имеет меру 1, и их объединение является всей действительной прямой. В качестве альтернативы рассмотрим действительные числа со счетной мерой , которая назначает каждому конечному набору действительных чисел количество точек в наборе. Это пространство меры не является σ-конечным, потому что каждое множество с конечной мерой содержит только конечное число точек, и потребовалось бы несчетное число таких множеств, чтобы покрыть всю действительную прямую. Пространства с σ-конечной мерой обладают некоторыми очень удобными свойствами; σ-конечность можно сравнить в этом отношении со свойством Линделёфа топологических пространств. [ оригинальное исследование? ] Их также можно рассматривать как смутное обобщение идеи о том, что пространство с мерой может иметь «несчетную меру». [ k , k + 1 ] {\displaystyle [k,k+1]} k ; {\displaystyle k;}

Строго локализуемые меры

Полуконечные меры

Пусть будет множеством, пусть будет сигма-алгеброй на и пусть будет мерой на Мы говорим, что является полуконечным , имея в виду, что для всех [5] X {\displaystyle X} A {\displaystyle {\cal {A}}} X , {\displaystyle X,} μ {\displaystyle \mu } A . {\displaystyle {\cal {A}}.} μ {\displaystyle \mu } A μ pre { + } , {\displaystyle A\in \mu ^{\text{pre}}\{+\infty \},} P ( A ) μ pre ( R > 0 ) . {\displaystyle {\cal {P}}(A)\cap \mu ^{\text{pre}}(\mathbb {R} _{>0})\neq \emptyset .}

Полуконечные меры обобщают сигма-конечные меры таким образом, что некоторые большие теоремы теории мер, справедливые для сигма-конечных, но не произвольных мер, могут быть расширены с небольшими изменениями так, чтобы они были справедливы для полуконечных мер. (Задача: добавить примеры таких теорем; см. страницу обсуждения.)

Простые примеры

  • Каждая сигма-конечная мера является полуконечной.
  • Предположим, пусть и предположим для всех A = P ( X ) , {\displaystyle {\cal {A}}={\cal {P}}(X),} f : X [ 0 , + ] , {\displaystyle f:X\to [0,+\infty ],} μ ( A ) = a A f ( a ) {\displaystyle \mu (A)=\sum _{a\in A}f(a)} A X . {\displaystyle A\subseteq X.}
    • Мы имеем, что является сигма-конечным тогда и только тогда, когда для всех и является счетным. Мы имеем, что является полуконечным тогда и только тогда, когда для всех [6] μ {\displaystyle \mu } f ( x ) < + {\displaystyle f(x)<+\infty } x X {\displaystyle x\in X} f pre ( R > 0 ) {\displaystyle f^{\text{pre}}(\mathbb {R} _{>0})} μ {\displaystyle \mu } f ( x ) < + {\displaystyle f(x)<+\infty } x X . {\displaystyle x\in X.}
    • Принимая вышесказанное (то есть подсчет меры на ), мы видим, что подсчет меры на есть f = X × { 1 } {\displaystyle f=X\times \{1\}} μ {\displaystyle \mu } P ( X ) {\displaystyle {\cal {P}}(X)} P ( X ) {\displaystyle {\cal {P}}(X)}
      • сигма-конечный тогда и только тогда, когда счетен; и X {\displaystyle X}
      • полуконечный (независимо от того, является ли он счетным). (Таким образом, подсчет меры на множестве мощности произвольного несчетного множества дает пример полуконечной меры, которая не является сигма-конечной.) X {\displaystyle X} P ( X ) {\displaystyle {\cal {P}}(X)} X , {\displaystyle X,}
  • Пусть будет полной, отделимой метрикой на пусть будет борелевской сигма-алгеброй, индуцированной и пусть Тогда мера Хаусдорфа полуконечна. [7] d {\displaystyle d} X , {\displaystyle X,} B {\displaystyle {\cal {B}}} d , {\displaystyle d,} s R > 0 . {\displaystyle s\in \mathbb {R} _{>0}.} H s | B {\displaystyle {\cal {H}}^{s}|{\cal {B}}}
  • Пусть будет полной, отделимой метрикой на пусть будет борелевской сигма-алгеброй, индуцированной и пусть Тогда мера упаковки полуконечна. [8] d {\displaystyle d} X , {\displaystyle X,} B {\displaystyle {\cal {B}}} d , {\displaystyle d,} s R > 0 . {\displaystyle s\in \mathbb {R} _{>0}.} H s | B {\displaystyle {\cal {H}}^{s}|{\cal {B}}}

Приведенный пример

Нулевая мера является сигма-конечной и, таким образом, полуконечной. Кроме того, нулевая мера явно меньше или равна Можно показать, что существует наибольшая мера с этими двумя свойствами: μ . {\displaystyle \mu .}

Теорема (полуконечная часть) [9]  —  Для любой меры на существует среди полуконечных мер на , которые меньше или равны наибольшему элементу μ {\displaystyle \mu } A , {\displaystyle {\cal {A}},} A {\displaystyle {\cal {A}}} μ , {\displaystyle \mu ,} μ sf . {\displaystyle \mu _{\text{sf}}.}

Мы говорим, что полуконечная часть означает полуконечную меру, определенную в приведенной выше теореме. Мы приводим некоторые хорошие, явные формулы, которые некоторые авторы могут принять за определение, для полуконечной части: μ {\displaystyle \mu } μ sf {\displaystyle \mu _{\text{sf}}}

  • μ sf = ( sup { μ ( B ) : B P ( A ) μ pre ( R 0 ) } ) A A . {\displaystyle \mu _{\text{sf}}=(\sup\{\mu (B):B\in {\cal {P}}(A)\cap \mu ^{\text{pre}}(\mathbb {R} _{\geq 0})\})_{A\in {\cal {A}}}.} [9]
  • μ sf = ( sup { μ ( A B ) : B μ pre ( R 0 ) } ) A A } . {\displaystyle \mu _{\text{sf}}=(\sup\{\mu (A\cap B):B\in \mu ^{\text{pre}}(\mathbb {R} _{\geq 0})\})_{A\in {\cal {A}}}\}.} [10]
  • μ sf = μ | μ pre ( R > 0 ) { A A : sup { μ ( B ) : B P ( A ) } = + } × { + } { A A : sup { μ ( B ) : B P ( A ) } < + } × { 0 } . {\displaystyle \mu _{\text{sf}}=\mu |_{\mu ^{\text{pre}}(\mathbb {R} _{>0})}\cup \{A\in {\cal {A}}:\sup\{\mu (B):B\in {\cal {P}}(A)\}=+\infty \}\times \{+\infty \}\cup \{A\in {\cal {A}}:\sup\{\mu (B):B\in {\cal {P}}(A)\}<+\infty \}\times \{0\}.} [11]

Так как является полуконечным, то следует, что если то является полуконечным. Также очевидно, что если является полуконечным то μ sf {\displaystyle \mu _{\text{sf}}} μ = μ sf {\displaystyle \mu =\mu _{\text{sf}}} μ {\displaystyle \mu } μ {\displaystyle \mu } μ = μ sf . {\displaystyle \mu =\mu _{\text{sf}}.}

Не примеры

Каждая мера , которая не является нулевой мерой, не является полуконечной. (Здесь мы говорим мера , имея в виду меру, диапазон которой лежит в : ) Ниже мы приводим примеры мер, которые не являются нулевыми мерами. 0 {\displaystyle 0-\infty } 0 {\displaystyle 0-\infty } { 0 , + } {\displaystyle \{0,+\infty \}} ( A A ) ( μ ( A ) { 0 , + } ) . {\displaystyle (\forall A\in {\cal {A}})(\mu (A)\in \{0,+\infty \}).} 0 {\displaystyle 0-\infty }

  • Пусть будет непустым, пусть будет -алгеброй на пусть будет ненулевой функцией, и пусть Можно показать, что является мерой. X {\displaystyle X} A {\displaystyle {\cal {A}}} σ {\displaystyle \sigma } X , {\displaystyle X,} f : X { 0 , + } {\displaystyle f:X\to \{0,+\infty \}} μ = ( x A f ( x ) ) A A . {\displaystyle \mu =(\sum _{x\in A}f(x))_{A\in {\cal {A}}}.} μ {\displaystyle \mu }
    • μ = { ( , 0 ) } ( A { } ) × { + } . {\displaystyle \mu =\{(\emptyset ,0)\}\cup ({\cal {A}}\setminus \{\emptyset \})\times \{+\infty \}.} [12]
      • X = { 0 } , {\displaystyle X=\{0\},} A = { , X } , {\displaystyle {\cal {A}}=\{\emptyset ,X\},} μ = { ( , 0 ) , ( X , + ) } . {\displaystyle \mu =\{(\emptyset ,0),(X,+\infty )\}.} [13]
  • Пусть будет несчетным, пусть будет -алгеброй на пусть будет счетными элементами и пусть Можно показать, что является мерой. [5] X {\displaystyle X} A {\displaystyle {\cal {A}}} σ {\displaystyle \sigma } X , {\displaystyle X,} C = { A A : A  is countable } {\displaystyle {\cal {C}}=\{A\in {\cal {A}}:A{\text{ is countable}}\}} A , {\displaystyle {\cal {A}},} μ = C × { 0 } ( A C ) × { + } . {\displaystyle \mu ={\cal {C}}\times \{0\}\cup ({\cal {A}}\setminus {\cal {C}})\times \{+\infty \}.} μ {\displaystyle \mu }

Вовлеченный не-пример

Меры, которые не являются полуконечными, очень дикие, когда ограничены определенными множествами. [Примечание 1] Каждая мера, в некотором смысле, полуконечна, если убрать ее часть (дикую часть). 0 {\displaystyle 0-\infty }

—  А. Мукерджи и К. Потховен, Реальный и функциональный анализ, часть A: Реальный анализ (1985)

Теорема (разложение Лютера) [14] [15]  —  Для любой меры на существует мера на такая, что для некоторой полуконечной меры на На самом деле, среди таких мер существует наименьшая мера Также, мы имеем μ {\displaystyle \mu } A , {\displaystyle {\cal {A}},} 0 {\displaystyle 0-\infty } ξ {\displaystyle \xi } A {\displaystyle {\cal {A}}} μ = ν + ξ {\displaystyle \mu =\nu +\xi } ν {\displaystyle \nu } A . {\displaystyle {\cal {A}}.} ξ , {\displaystyle \xi ,} μ 0 . {\displaystyle \mu _{0-\infty }.} μ = μ sf + μ 0 . {\displaystyle \mu =\mu _{\text{sf}}+\mu _{0-\infty }.}

Мы говорим, что часть означает меру, определенную в приведенной выше теореме. Вот явная формула для : 0 {\displaystyle \mathbf {0-\infty } } μ {\displaystyle \mu } μ 0 {\displaystyle \mu _{0-\infty }} μ 0 {\displaystyle \mu _{0-\infty }} μ 0 = ( sup { μ ( B ) μ sf ( B ) : B P ( A ) μ sf pre ( R 0 ) } ) A A . {\displaystyle \mu _{0-\infty }=(\sup\{\mu (B)-\mu _{\text{sf}}(B):B\in {\cal {P}}(A)\cap \mu _{\text{sf}}^{\text{pre}}(\mathbb {R} _{\geq 0})\})_{A\in {\cal {A}}}.}

Результаты относительно полуконечных мер

  • Пусть будет или и пусть Тогда является полуконечным тогда и только тогда, когда является инъективным. [16] [17] (Этот результат важен при изучении сопряженного пространства для .) F {\displaystyle \mathbb {F} } R {\displaystyle \mathbb {R} } C , {\displaystyle \mathbb {C} ,} T : L F ( μ ) ( L F 1 ( μ ) ) : g T g = ( f g d μ ) f L F 1 ( μ ) . {\displaystyle T:L_{\mathbb {F} }^{\infty }(\mu )\to \left(L_{\mathbb {F} }^{1}(\mu )\right)^{*}:g\mapsto T_{g}=\left(\int fgd\mu \right)_{f\in L_{\mathbb {F} }^{1}(\mu )}.} μ {\displaystyle \mu } T {\displaystyle T} L 1 = L F 1 ( μ ) {\displaystyle L^{1}=L_{\mathbb {F} }^{1}(\mu )}
  • Пусть будет или и пусть будет топологией сходимости по мере на Тогда является полуконечным тогда и только тогда, когда является Хаусдорфовым. [18] [19] F {\displaystyle \mathbb {F} } R {\displaystyle \mathbb {R} } C , {\displaystyle \mathbb {C} ,} T {\displaystyle {\cal {T}}} L F 0 ( μ ) . {\displaystyle L_{\mathbb {F} }^{0}(\mu ).} μ {\displaystyle \mu } T {\displaystyle {\cal {T}}}
  • (Джонсон) Пусть будет множеством, пусть будет сигма-алгеброй на пусть будет мерой на пусть будет множеством, пусть будет сигма-алгеброй на и пусть будет мерой на Если оба не являются мерой, то оба и являются полуконечными тогда и только тогда, когда для всех и (Здесь — мера, определенная в теореме 39.1 в Berberian '65. [20] ) X {\displaystyle X} A {\displaystyle {\cal {A}}} X , {\displaystyle X,} μ {\displaystyle \mu } A , {\displaystyle {\cal {A}},} Y {\displaystyle Y} B {\displaystyle {\cal {B}}} Y , {\displaystyle Y,} ν {\displaystyle \nu } B . {\displaystyle {\cal {B}}.} μ , ν {\displaystyle \mu ,\nu } 0 {\displaystyle 0-\infty } μ {\displaystyle \mu } ν {\displaystyle \nu } ( μ × cld ν ) {\displaystyle (\mu \times _{\text{cld}}\nu )} ( A × B ) = μ ( A ) ν ( B ) {\displaystyle (A\times B)=\mu (A)\nu (B)} A A {\displaystyle A\in {\cal {A}}} B B . {\displaystyle B\in {\cal {B}}.} μ × cld ν {\displaystyle \mu \times _{\text{cld}}\nu }

Локализуемые меры

Локализуемые меры являются частным случаем полуконечных мер и обобщением сигма-конечных мер.

Пусть будет множеством, пусть будет сигма-алгеброй на и пусть будет мерой на X {\displaystyle X} A {\displaystyle {\cal {A}}} X , {\displaystyle X,} μ {\displaystyle \mu } A . {\displaystyle {\cal {A}}.}

  • Пусть будет или и пусть Тогда локализуемо тогда и только тогда, когда является биекцией (тогда и только тогда, когда «является» ). [21] [17] F {\displaystyle \mathbb {F} } R {\displaystyle \mathbb {R} } C , {\displaystyle \mathbb {C} ,} T : L F ( μ ) ( L F 1 ( μ ) ) : g T g = ( f g d μ ) f L F 1 ( μ ) . {\displaystyle T:L_{\mathbb {F} }^{\infty }(\mu )\to \left(L_{\mathbb {F} }^{1}(\mu )\right)^{*}:g\mapsto T_{g}=\left(\int fgd\mu \right)_{f\in L_{\mathbb {F} }^{1}(\mu )}.} μ {\displaystyle \mu } T {\displaystyle T} L F ( μ ) {\displaystyle L_{\mathbb {F} }^{\infty }(\mu )} L F 1 ( μ ) {\displaystyle L_{\mathbb {F} }^{1}(\mu )^{*}}

s-конечные меры

Мера называется s-конечной, если она является счетной суммой конечных мер. S-конечные меры являются более общими, чем сигма-конечные, и имеют приложения в теории случайных процессов .

Неизмеримые множества

Если аксиома выбора верна, то можно доказать, что не все подмножества евклидова пространства измеримы по Лебегу ; примерами таких множеств являются множество Витали и неизмеримые множества, постулируемые парадоксом Хаусдорфа и парадоксом Банаха–Тарского .

Обобщения

Для определенных целей полезно иметь «меру», значения которой не ограничиваются неотрицательными действительными числами или бесконечностью. Например, счетно-аддитивная функция множества со значениями в (знаковых) действительных числах называется знаковой мерой , в то время как такая функция со значениями в комплексных числах называется комплексной мерой . Заметим, однако, что комплексная мера обязательно имеет конечную вариацию, поэтому комплексные меры включают конечные знаковые меры, но не, например, меру Лебега .

Меры, принимающие значения в банаховых пространствах, были подробно изучены. [22] Мера, принимающая значения в множестве самосопряженных проекций на гильбертовом пространстве, называется проекционно-значной мерой ; они используются в функциональном анализе для спектральной теоремы . Когда необходимо отличить обычные меры, принимающие неотрицательные значения, от обобщений, используется термин положительная мера . Положительные меры замкнуты относительно конической комбинации , но не общей линейной комбинации , в то время как знаковые меры являются линейным замыканием положительных мер.

Другое обобщение — конечно-аддитивная мера , также известная как содержание . Это то же самое, что и мера, за исключением того, что вместо требования счетной аддитивности мы требуем только конечной аддитивности. Исторически это определение было использовано первым. Оказывается, что в общем случае конечно-аддитивные меры связаны с такими понятиями, как пределы Банаха , двойственное к и компактификация Стоуна–Чеха . Все они так или иначе связаны с аксиомой выбора . Содержание остается полезным в определенных технических задачах в геометрической теории меры ; это теория мер Банаха . L {\displaystyle L^{\infty }}

Заряд является обобщением в обоих направлениях: это конечно-аддитивная, знаковая мера. [23] (Ср. ba пространство для информации об ограниченных зарядах, где мы говорим, что заряд ограничен , подразумевая, что его диапазон является ограниченным подмножеством R .)

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Один из способов перефразировать наше определение состоит в том, что является полуконечным тогда и только тогда, когда Отрицая эту перефразировку, мы получаем, что не является полуконечным тогда и только тогда, когда Для каждого такого множества мера подпространства, индуцированная сигма-алгеброй подпространства, индуцированной ограничением на указанную сигма-алгебру подпространства, является мерой, которая не является нулевой мерой. μ {\displaystyle \mu } ( A μ pre { + } ) ( B A ) ( 0 < μ ( B ) < + ) . {\displaystyle (\forall A\in \mu ^{\text{pre}}\{+\infty \})(\exists B\subseteq A)(0<\mu (B)<+\infty ).} μ {\displaystyle \mu } ( A μ pre { + } ) ( B A ) ( μ ( B ) { 0 , + } ) . {\displaystyle (\exists A\in \mu ^{\text{pre}}\{+\infty \})(\forall B\subseteq A)(\mu (B)\in \{0,+\infty \}).} A , {\displaystyle A,} A , {\displaystyle A,} μ {\displaystyle \mu } 0 {\displaystyle 0-\infty }

Библиография

  • Роберт Г. Бартл (1995) Элементы интеграции и мера Лебега , Wiley Interscience.
  • Бауэр, Хайнц (2001), Теория меры и интеграции , Берлин: де Грюйтер, ISBN 978-3110167191
  • Bear, HS (2001), A Primer of Lebesgue Integration , Сан-Диего: Academic Press, ISBN 978-0120839711
  • Берберян, Стерлинг К (1965). Измерение и интегрирование . Макмиллан.
  • Богачев, Владимир И. (2006), Теория меры , Берлин: Springer, ISBN 978-3540345138
  • Бурбаки, Николя (2004), Интеграция I , Springer Verlag , ISBN 3-540-41129-1Глава 3.
  • Дадли, Ричард М. (2002). Реальный анализ и вероятность . Cambridge University Press. ISBN 978-0521007542.
  • Эдгар, Джеральд А. (1998). Интегральные, вероятностные и фрактальные меры . Springer. ISBN 978-1-4419-3112-2.
  • Фолланд, Джеральд Б. (1999). Реальный анализ: современные методы и их применение (второе издание). Wiley. ISBN 0-471-31716-0.
  • Федерер, Герберт. Геометрическая теория меры. Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften, Band 153 Springer-Verlag New York Inc., Нью-Йорк, 1969 xiv+676 стр.
  • Фремлин, Д. Х. (2016). Теория меры, том 2: Широкие основы (изд. в твердом переплете). Торрес Фремлин.Второе издание.
  • Хьюитт, Эдвард; Стромберг, Карл (1965). Действительный и абстрактный анализ: современная трактовка теории функций действительной переменной . Springer. ISBN 0-387-90138-8.
  • Йех, Томас (2003), Теория множеств: издание третьего тысячелетия, исправленное и расширенное , Springer Verlag , ISBN 3-540-44085-2
  • Р. Дункан Люс и Луис Наренс (1987). «измерение, теория», The New Palgrave: A Dictionary of Economics , т. 3, стр. 428–32.
  • Лютер, Норман Y (1967). «Разложение мер». Канадский журнал математики . 20 : 953–959. doi : 10.4153/CJM-1968-092-0 . S2CID  124262782.
  • Мукерджи, А.; Потховен, К. (1985). Реальный и функциональный анализ, часть А: Реальный анализ (второе издание). Plenum Press.
    • Первое издание было опубликовано с Частью B: Функциональный анализ как единый том: Мукерджи, А; Потховен, К (1978). Реальный и функциональный анализ (первое издание). Plenum Press. doi :10.1007/978-1-4684-2331-0. ISBN 978-1-4684-2333-4.
  • ME Munroe, 1953. Введение в измерение и интеграцию . Эддисон Уэсли.
  • Нильсен, Оле А. (1997). Введение в теорию интеграции и меры . Wiley. ISBN 0-471-59518-7.
  • KPS Bhaskara Rao и M. Bhaskara Rao (1983), Теория зарядов: исследование конечно-аддитивных мер , Лондон: Academic Press, стр. x + 315, ISBN 0-12-095780-9
  • Ройден, Х. Л.; Фицпатрик, П. М. (2010). Реальный анализ (Четвертое изд.). Prentice Hall. стр. 342, упражнение 17.8.Первое издание. Существует более позднее (2017) второе издание. Хотя обычно между первым и последующими изданиями мало различий, в этом случае второе издание не только удаляет со страницы 53 упражнения 36, 40, 41 и 42 главы 2, но также предлагает (немного, но все же существенно) иную презентацию части (ii) упражнения 17.8. (Презентация во втором издании части (ii) упражнения 17.8 (о разложении Лютера [14] ) согласуется с обычными презентациями, [5] [24] , тогда как презентация в первом издании дает свежий взгляд.)
  • Шилов, Г.Е. и Гуревич, Б.Л., 1978. Интеграл, мера и производная: единый подход , Ричард А. Сильверман, перевод. Dover Publications. ISBN 0-486-63519-8 . Подчеркивает интеграл Даниэля . 
  • Тешль, Джеральд , Темы по реальному и функциональному анализу, (конспекты лекций)
  • Тао, Теренс (2011). Введение в теорию меры . Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество. ISBN 9780821869192.
  • Уивер, Ник (2013). Теория меры и функциональный анализ . World Scientific . ISBN 9789814508568.

Ссылки

  1. ^ Архимед измеряет окружность
  2. ^ Хит, Т. Л. (1897). «Измерение окружности». Труды Архимеда. Университет Османии, Цифровая библиотека Индии. Издательство Кембриджского университета. С. 91–98.
  3. ^ Бенджио, Йошуа; Лахлу, Салем; Делеу, Тристан; Ху, Эдвард Дж.; Тивари, Миссури; Бенджио, Эммануэль (2021). «Фонды GFlowNet». arXiv : 2111.09266 [cs.LG].
  4. ^ Фремлин, Д. Х. (2010), Теория меры , т. 2 (Второе издание), стр. 221
  5. ^ abc Mukherjea & Pothoven 1985, с. 90.
  6. ^ Фолланд 1999, стр. 25.
  7. ^ Эдгар 1998, Теорема 1.5.2, стр. 42.
  8. ^ Эдгар 1998, Теорема 1.5.3, стр. 42.
  9. ^ ab Nielsen 1997, Упражнение 11.30, стр. 159.
  10. ^ Фремлин 2016, Раздел 213X, часть (c).
  11. ^ Ройден и Фицпатрик 2010, Упражнение 17.8, стр. 342.
  12. ^ Хьюитт и Стромберг 1965, часть (б) примера 10.4, стр. 127.
  13. ^ Фремлин 2016, Раздел 211O, стр. 15.
  14. ^ ab Лютер 1967, Теорема 1.
  15. ^ Мукерджи и Потховен 1985, часть (b) предложения 2.3, стр. 90.
  16. ^ Фремлин 2016, часть (а) теоремы 243G, стр. 159.
  17. ^ ab Fremlin 2016, Раздел 243K, стр. 162.
  18. ^ Фремлин 2016, часть (a) теоремы в разделе 245E, стр. 182.
  19. ^ Фремлин 2016, Раздел 245M, стр. 188.
  20. ^ Берберян 1965, Теорема 39.1, стр. 129.
  21. ^ Фремлин 2016, часть (b) теоремы 243G, стр. 159.
  22. ^ Рао, ММ (2012), Случайные и векторные меры , Серия по многомерному анализу, т. 9, World Scientific , ISBN 978-981-4350-81-5, МР  2840012.
  23. ^ Бхаскара Рао, КПС (1983). Теория зарядов: исследование конечно-аддитивных мер. М. Бхаскара Рао. Лондон: Академическая пресса. п. 35. ISBN 0-12-095780-9. OCLC  21196971.
  24. ^ Фолланд 1999, с. 27, Упражнение 1.15.а.
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Measure_(mathematics)&oldid=1243439358"