Мера Лебега в R^n — различия между версиями

Материал из Викиконспекты
Перейти к: навигация, поиск
(добавил теорему о внешней мере Лебега)
(добавил первое следствие)
Строка 82: Строка 82:
 
}}
 
}}
  
Выведем ряд важных следствий из этой теоремы:
+
Выведем ряд важных следствий из этой теоремы.
 +
 
 +
Далее нам пригодятся множества <tex> \Delta_p = [-p; p) \times [-p; p) \times \ldots \times [-p; p), p \in \mathbb N </tex>
 +
 
 +
Несложно заметить, что <tex>\mathbb R ^n = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} \Delta_p </tex>.
  
 
{{Теорема
 
{{Теорема
Строка 90: Строка 94:
 
# <tex> \forall \varepsilon </tex> существует замкнутое <tex> F </tex>, такое, что <tex> F \subset E, \lambda(E \setminus F) < \varepsilon </tex>.
 
# <tex> \forall \varepsilon </tex> существует замкнутое <tex> F </tex>, такое, что <tex> F \subset E, \lambda(E \setminus F) < \varepsilon </tex>.
 
|proof=
 
|proof=
пыщь-пыщь
+
 
 +
Сначала докажем первый пункт теоремы.
 +
 
 +
Если мера <tex> E </tex> конечна, то просто воспользуемся только что доказанной теоремой:
 +
 
 +
<tex> \forall \varepsilon > 0 </tex> есть открытое <tex> G </tex>: <tex> \lambda G - \lambda E < \varepsilon</tex>. По аддитивности меры, <tex>\lambda G - \lambda E = \lambda (G \setminus E)</tex>, и требуемое выполнено.
 +
 
 +
Рассмотрим теперь случай, когда мера <tex>E</tex> бесконечна:
 +
 
 +
<tex>E = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} (E \cap \Delta_p) </tex>, для любого <tex>p</tex> верно: <tex>\lambda (E \cap \Delta_p) < \lambda (\Delta_p) < \infty</tex>.
 +
 
 +
Случай конечной меры был доказан, поэтому <tex> \forall \varepsilon </tex> можно взять <tex> G_p </tex>, такое, что <tex> E \cap \Delta_p \subset G_p, \lambda(G_p \setminus (E \cap \Delta_p)) < \frac{\varepsilon}{2^p} </tex>.
 +
 
 +
Возьмем в качестве требуемого множества <tex>G</tex> объединение всех <tex>G_p</tex>: <tex>G = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} G_p</tex> открыто и содержит <tex>E</tex>.
 +
 
 +
<tex>G \setminus E = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} (G_p \setminus (E \cap \Delta_p))</tex>
 +
 
 +
Тогда, по полуаддитивности внешней меры, <tex>\lambda (G \setminus E) \le \sum\limits_{p=1}^{\infty} (G_p \setminus (E \cap \Delta_p)) \le \sum\limits_{p=1}^{\infty} \frac{\varepsilon}{2^p} = \varepsilon</tex>
 +
 
 +
Второй пункт доказывается переходом к дополнениям:
 +
 
 +
Пусть <tex>\overline E = \mathbb R ^n \setminus E</tex>, по первому пункту, <tex> \forall \varepsilon </tex> есть открытое <tex> G:\ \overline E \subset G, \lambda(G \setminus \overline E) < \varepsilon </tex>.
 +
 
 +
Пусть <tex>F = \overline G</tex>. По определению, <tex>F</tex> {{---}} замкнутое множество. Так как <tex>\overline E \subset G</tex>, то <tex>\overline G \subset E,\ \lambda(E\setminus F) = \lambda (G \setminus \overline E) < \varepsilon</tex>, и требуемые условия выполнены.
 +
 
 
}}
 
}}
  

Версия 07:26, 6 января 2012

Эта статья находится в разработке!


TODO: ВАКАНСИЯ: ВНИМАТЕЛЬНЫЙ ЧИТАТЕЛЬ. НУЖЕН, ЧТОБЫ ОЗНАКОМИТЬСЯ С ЭТИМ ТЕКСТОМ И ИСПРАВИТЬ КОСЯКИ

Последняя теорема показывает, что [math]v[/math] — мера на [math]\mathcal{R}[/math].

Применим к объёму ячеек процесс Каратеодори. В результате [math]v[/math] будет распространено на [math]\sigma[/math]-алгебру множеств [math]\mathcal{A} \subset \mathbb{R}^n[/math].


Определение:
Полученная мера [math]\lambda_n[/math][math]n[/math]-мерная мера Лебега (можно просто [math]\lambda[/math]).


Определение:
Множества [math]E\in\mathcal{A}[/math]измеримые по Лебегу.


Цель этого параграфа — устрановить структуру множества, измеримого по Лебегу. Пойдём от простого к сложному, базируясь на общем критерии [math]\mu^*[/math]-измеримости и на том, что [math]\mathcal{A}[/math][math]\sigma[/math]-алгебра.

Измеримые по Лебегу множества

[math]\forall\bar x \in \mathbb{R}^n[/math] обозначим за [math]\Pi_p = [\bar x - \frac1p, \bar x + \frac1p)[/math]

Тогда [math]\{\bar x\} = \bigcap\limits_{p=1}^\infty \Pi_p[/math]

[math]\{\bar x\}[/math] — одноэлементное множество. Так как каждая ячейка измерима по Лебегу, [math]\mathcal{A}[/math][math]\sigma[/math]-алгебра, то получаем, что любое одноэлементное множество(точка) измеримо по Лебегу.

По монотонности меры, [math]\lambda(\bar x) \leq \lambda\Pi_p = v(\Pi_p) = \left(\frac{2}{p} \right)^n \xrightarrow{p\to\infty} 0[/math]

Значит, [math]\lambda(\bar x) = 0[/math]. Итак, мера точки равна нулю.

[math]E = \{\bar x_1, \bar x_2, \ldots, \bar x_n, \ldots \}[/math] — не более, чем счётное множество точек. Тогда [math]\lambda E = \sum\limits_j \lambda\bar x_j = 0[/math]

Значит, любое счётное множество точек измеримо и нульмерно.

Возьмём [math]I = [0; 1)[/math], [math]\lambda I = 1[/math], [math] E [/math] — все рациональные числа на [math] I [/math]. [math] E [/math] — счётное, всюду плотное. Тогда [math] \lambda E = 0[/math], а [math] \lambda \overline E = 1 - \lambda E = 1 [/math]. То есть для иррациональных чисел мера Лебега — 1. Это, в некотором смысле, парадоксальный результат, потому что искусственных объектов, которые мы определили в начале всего курса матанализа, оказалось ужасно, невероятно, невообразимо много по сравнению с познаваемыми нами рациональными числами.

Утверждение:
Бог есть.
[math]\triangleright[/math]
К сожалению, человечество может работать лишь с натуральными и рациональными числами. Сути же иррациональных чисел им не понять. Однако, множество рациональных чисел нульмерно. Но [math]\lambda[0;1) = 1[/math]. Ввиду своей ненульмерности, иррациональные числа неподвластны человеку. Значит, бБог есть.
[math]\triangleleft[/math]

Если взять произвольный параллелепипед в [math]R^n[/math], то, за счет непрерывности обьема, как функции точек параллелепипеда, мы можем строить и ячейку в нем и ячейку, включающую его (причем объем ячеек отличается на [math]\varepsilon[/math]). Значит, параллелепипед тоже измерим. Рассмотрим открытое множество в [math]R^n[/math]. Оно - объединение открытых шаров, или множество, которое вместе с каждой точкой содержит и открытый шар с центром в этой точке.

Утверждение:
Открытое множество в [math] R^n [/math] измеримо по Лебегу.
[math]\triangleright[/math]
Множество точек с рациональными координатами всюду плотно. Если рассмотреть совокупность открытых шаров с центром в рациональных точках и рациональных радиусов, то множество таких шаров будет счетно. Вместо шаров можно использовать открытые параллелепипеды, которые, как известно, измеримы. Если мы возьмем любую точку, то она будет содержаться во множестве вместе с некоторым параллелеипипедом. Далее, эту точку можно приблизить рациональными координатами сколь угодно точно; для каждого приближения можно построить параллеллепипед с этой точкой, содержащийся в уже построенном параллелепипеде. Значит, открытое множество можно представить, как счетное объединение открытых параллелепипедов, содержащихся в нем, поэтому, оно измеримо.
[math]\triangleleft[/math]

Класс измеримых множеств есть [math]\sigma[/math]-алгебра. Замкнутое множество есть дополнение к открытому, значит, оно тоже измеримо.

Логика рассуждений во многих последующих теоремах будет такова: из множеств, измеримость которых ясна, путем счетного числа операций пересечения и объединения пошагово стоим интересующий нас объект.

Теорема о внешней мере Лебега

Теорема:
Пусть [math] E \subset \mathbb R ^n [/math]. Тогда [math] \lambda^*E = \inf\limits_{G: E \subset G} \lambda G [/math] ([math] G [/math] - открытые множества).
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Так как [math] E \subset G [/math], то, по монотонности внешней меры, [math] \lambda^* E \le \lambda^* G = \lambda G [/math]. Переходя к верхней грани, получаем [math] \lambda^*E \le \inf\limits_{G: E \subset G} \lambda G [/math].

Докажем теперь противоположное неравенство. Как обычно, будем рассматривать случай [math] \lambda^* E \lt +\infty [/math], для [math] \lambda^* E = +\infty [/math] оно тривиально.

Внешняя мера Лебега порождена функцией объема на полукольце ячеек. Значит, [math] \forall \varepsilon \gt 0: E \subset \bigcup\limits_{m} A_m [/math] - объединение ячеек, такое, что [math] \sum\limits_{m} v(A_m) \lt \lambda^* E + \varepsilon [/math].

За счет непрерывности объема, для любого [math] A_m [/math] существует [math] B_m [/math] - открытый параллелепипед, такой, что [math] A_m \subset B_m [/math] и [math] v(B_m) \lt v(A_m) + \frac{\varepsilon}{2^m} [/math].

[math] A_m \subset B_m [/math], поэтому [math]E \subset \bigcup\limits_m B_m = G, G [/math] - открытое множество.

[math] \sum\limits_m v(A_m) \le \sum\limits_m A_m + \varepsilon \sum\limits_m \frac1{2^m} = \sum\limits_m A_m + \varepsilon [/math]

Как мы ранее выяснили, [math] \sum\limits_{m} v(A_m) \lt \lambda^* E + \varepsilon [/math], поэтому, [math] \sum\limits_m v(B_m) \lt \lambda^* E + 2\varepsilon [/math].

Так как [math] G = \bigcup\limits_m B_m [/math], то [math] \lambda G \le \sum\limits_m v(B_m) [/math].

Значит, для любого [math] \varepsilon \gt 0 [/math] есть открытое [math] G [/math], содержащее [math] E [/math], такое, что [math] \lambda G \lt \lambda^* E + 2\varepsilon [/math].

При [math] \varepsilon \rightarrow 0 [/math] получаем требуемое неравенство.
[math]\triangleleft[/math]

Выведем ряд важных следствий из этой теоремы.

Далее нам пригодятся множества [math] \Delta_p = [-p; p) \times [-p; p) \times \ldots \times [-p; p), p \in \mathbb N [/math]

Несложно заметить, что [math]\mathbb R ^n = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} \Delta_p [/math].

Теорема:
Пусть [math] E [/math] измеримо по Лебегу. Тогда:
  1. [math] \forall \varepsilon [/math] существует открытое [math] G [/math], такое, что [math] E \subset G, \lambda(G \setminus E) \lt \varepsilon [/math].
  2. [math] \forall \varepsilon [/math] существует замкнутое [math] F [/math], такое, что [math] F \subset E, \lambda(E \setminus F) \lt \varepsilon [/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Сначала докажем первый пункт теоремы.

Если мера [math] E [/math] конечна, то просто воспользуемся только что доказанной теоремой:

[math] \forall \varepsilon \gt 0 [/math] есть открытое [math] G [/math]: [math] \lambda G - \lambda E \lt \varepsilon[/math]. По аддитивности меры, [math]\lambda G - \lambda E = \lambda (G \setminus E)[/math], и требуемое выполнено.

Рассмотрим теперь случай, когда мера [math]E[/math] бесконечна:

[math]E = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} (E \cap \Delta_p) [/math], для любого [math]p[/math] верно: [math]\lambda (E \cap \Delta_p) \lt \lambda (\Delta_p) \lt \infty[/math].

Случай конечной меры был доказан, поэтому [math] \forall \varepsilon [/math] можно взять [math] G_p [/math], такое, что [math] E \cap \Delta_p \subset G_p, \lambda(G_p \setminus (E \cap \Delta_p)) \lt \frac{\varepsilon}{2^p} [/math].

Возьмем в качестве требуемого множества [math]G[/math] объединение всех [math]G_p[/math]: [math]G = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} G_p[/math] открыто и содержит [math]E[/math].

[math]G \setminus E = \bigcup\limits_{p=1}^{\infty} (G_p \setminus (E \cap \Delta_p))[/math]

Тогда, по полуаддитивности внешней меры, [math]\lambda (G \setminus E) \le \sum\limits_{p=1}^{\infty} (G_p \setminus (E \cap \Delta_p)) \le \sum\limits_{p=1}^{\infty} \frac{\varepsilon}{2^p} = \varepsilon[/math]

Второй пункт доказывается переходом к дополнениям:

Пусть [math]\overline E = \mathbb R ^n \setminus E[/math], по первому пункту, [math] \forall \varepsilon [/math] есть открытое [math] G:\ \overline E \subset G, \lambda(G \setminus \overline E) \lt \varepsilon [/math].

Пусть [math]F = \overline G[/math]. По определению, [math]F[/math] — замкнутое множество. Так как [math]\overline E \subset G[/math], то [math]\overline G \subset E,\ \lambda(E\setminus F) = \lambda (G \setminus \overline E) \lt \varepsilon[/math], и требуемые условия выполнены.
[math]\triangleleft[/math]
Теорема:
Пусть [math] E [/math] измеримо по Лебегу. Тогда [math] \lambda E = \sup\limits_{F: F \subset E} \lambda F [/math] (F - замкнутые множества).
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
пыщь-пыщь
[math]\triangleleft[/math]

Если [math] A = \bigcup\limits_m F_m [/math] замкнуто, то оно называется множеством типа [math] F_{\sigma} [/math].

Если [math] B = \bigcap\limits_m G_m [/math] открыто, то оно называется множеством типа [math] G_{\Delta} [/math].

Такие множества также являются измеримыми по Лебегу (это очевидно?).

Теорема:
Пусть [math] E [/math] измеримо по Лебегу. Тогда оно представимо в виде [math] E = A \cup B [/math], причем A - множество типа [math] F_{\sigma} [/math], а [math] \lambda B = 0[/math].
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]
пыщь-пыщь
[math]\triangleleft[/math]