Процесс Каратеодори

Материал из Викиконспекты
Версия от 19:49, 5 января 2012; 192.168.0.2 (обсуждение) (Отмена правки 15621 участника 192.168.0.2 (обсуждение))
Перейти к: навигация, поиск

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

[math](X, \mathcal{R}, m) \to (X, 2^X, \mu^*) \to (X, \mathcal{A}, \mu)[/math]

Теорема Каратеодори

Теорема (Каратеодори):
1. [math]\mathcal{R} \subset \mathcal{A}[/math] 2. [math]\mu|_\mathcal{R} = m[/math]
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

Если мы докажем, что [math]\mathcal{R} \subset \mathcal{A}[/math], то есть, любое множество из полукольца хорошо разбивает любое другое, то, взяв любое [math]A \in \mathcal{R}[/math], так как [math]\mathcal{R} \subset \mathcal{A}[/math], получим [math]\mu^*(A) = \mu(A)[/math]. Но [math]A\in \mathcal{A}[/math] и [math]\mu^*[/math] порождена [math]m[/math] ([math]\mu^* |_\mathcal{R} = m[/math]), то есть [math]\mu^* A = mA \Rightarrow \mu A = mA[/math]

Значит, второй пункт вытекает из первого. Докажем первый пункт.

[math]\forall A \in \mathcal{R}\ \forall E \subset X[/math] нужно, чтобы [math]\mu^* E \geq \mu^*(E\cap A) + \mu^*(E\cap\overline A)[/math]

Надо доказать, для [math]\mu^* E \lt +\infty[/math], обратное — очевидно.

Воспользуемся тем, что [math]\mu^*[/math] порождена [math]m[/math]:

[math]\forall \varepsilon \gt 0\ \exists A_1, A_2 \ldots A_n \ldots \in \mathcal{R} : E \subset \bigcup\limits_j A_j[/math], [math]\sum\limits_j mA_j \lt \mu E + \varepsilon[/math]

Пересекаем это включение с [math]A[/math]

[math]E \cap A \subset \bigcup\limits_j(A_j \cap A)[/math]

По аксиомам полукольца, [math]A_j\cap A \in \mathcal{R}[/math].

Значит, мы получили покрытие этого множества элементами полукольца.

Тогда, по определению [math]\mu^*[/math], порождённой [math]m[/math]

[math]\mu^*(E\cap A) \leq \sum\limits_j m(A_j\cap A)[/math]

[math]E\cap\overline A \subset \bigcup\limits_j(A_j\cap\overline A)[/math]. Однако, здесь нет гарантий, что [math]A_j\cap\overline A \in \mathcal{R}[/math].

[math]A_j\cap\overline A = A_j\setminus A = A_j\setminus (A\cap A_j)[/math], [math]A\cap A_j \in \mathcal{R}[/math]

Тогда, по аксиомам полукольца, [math]A_j\setminus (A\cap A_j) = \bigcup\limits_p D_{jp}[/math] — дизъюнктны в [math]\mathcal{R}[/math].

[math]E\cap\overline A \subset \bigcup\limits_j \bigcup\limits_p D_{jp}[/math], все [math]D[/math] — из полукольца.

Значит, [math]E\cap\overline A[/math] покрывается элементами полукольца, так как [math]\mu^*[/math] порождена [math]m[/math].

[math]\mu^*(E\cap\overline A) \leq \sum\limits_j \sum\limits_p mD_{jp}[/math]

[math]A_j = (A_j \cap A) \cup \bigcup\limits_p D_{jp}[/math] — из полукольца.

Таким образом, [math]A_j \in \mathcal{R}[/math] разбивается в дизъюнктное объединение множеств из [math]\mathcal{R}[/math]. Отсюда, по [math]\sigma[/math]-аддитивности меры,

[math]mA_j = m(A\cap A_j) + \sum\limits_p mD_{jp}[/math]

[math]\sum\limits_p mD_{jp} = mA_j - m(A\cap A_j)[/math]

Тогда, [math]\mu^*(E\cap\overline A)\leq \sum(mA_j- m(A\cap A_j))[/math]

Складываем с предыдущим неравенством.

[math]\mu^*(E\cap A) + \mu^*(E\cap\overline A) \leq \sum\limits_j mA_j \lt \mu^*E+\varepsilon[/math]

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

Некоторые свойства полученной меры

Установим некоторые свойства полученной меры

Определение:
Полученная мера [math]\mu[/math] — стандартное распространение по Каратеодори меры [math]m[/math] с полукольца на [math]\sigma[/math]-алгебру.


Определение:
Если [math]A\in \mathcal{A}[/math], то [math]A[/math][math]\mu[/math]-измеримо.

Полнота

Утверждение:
Подмножество нульмерного множества само измеримо и нульмерно
[math]\triangleright[/math]

Пусть [math]A\subset\mathcal{A}[/math], [math]\mu A = 0[/math], [math]B\subset A[/math], [math]E\subset X[/math]

Проверим, что [math]\mu^*E\geq \mu^*(E\cap B) - \mu^*(E\cap\bar B)[/math]

[math]E\cap B \in \mathcal{A}[/math]

Тогда, по монотонности внешней меры, [math]\mu^*(E\cap B) \leq \mu^*A \leq \mu A = 0[/math]

[math]E \cap\bar B \subset E[/math], [math]\mu^*(E\cap\bar B) \leq \mu^*E[/math]

Значит, неравенство выполняется. Значит, [math]B\subset A[/math]

По монотонности меры, [math]\mu B \leq \mu A[/math]. [math]\mu A = 0 \Rightarrow \mu B = 0[/math].
[math]\triangleleft[/math]

Это свойство называется полнотой.

Можно считать, что распространение [math]m[/math] с [math]\mathcal{R}[/math] на [math]\sigma[/math]-алгебру приводит к полной мере.

Непрерывность(???)

Утверждение:
Пусть [math]E \subset X[/math], [math]A\subset E\subset B[/math], [math]A, B[/math][math]m[/math]-измеримы, [math]\mu(B\setminus A) = 0[/math]. Тогда [math]E \in \mathcal{A}[/math]
[math]\triangleright[/math]
В силу написанного выше ясно, что [math]E\setminus A\subset B\setminus A[/math]. Последнее множество нульмерно. Значит, по полноте меры, [math]E\setminus A \in \mathcal A[/math]. Тогда, [math]E\in \mathcal{A}[/math], так как [math]E = A \cup (E\setminus A)[/math].
[math]\triangleleft[/math]

Следствие

Утверждение (Критерий [math]\mu[/math]-измеримости):
Пусть [math]E\subset X[/math]. Тогда [math]E[/math]-измеримо [math]\iff[/math] [math]\forall\varepsilon \gt 0[/math] [math] \exists (A_\varepsilon, B_\varepsilon), A_\varepsilon, B_\varepsilon\in\mathcal{A} : A_\varepsilon \subset E \subset B_\varepsilon : \mu(B_\varepsilon\setminus A_\varepsilon) \lt \varepsilon[/math]
[math]\triangleright[/math]

Возьмём [math]\varepsilon_n = \frac1n[/math], [math]A_n = A_{\varepsilon_n}[/math], [math]B_n = B_{\varepsilon_n}[/math]

[math]A = \bigcup\limits_{n = 1}^{\infty} A_n[/math], [math]B = \bigcap\limits_{n = 1}^{\infty} B_n[/math]

Приходим опять к измеримым множествам, ибо [math]\sigma[/math]-алгебра.

Так как [math]A_n \subset E \subset B_n[/math], то [math]A \subset E \subset B[/math].

[math]\forall n : B\setminus A \subset B_n\setminus A_n[/math]

Тогда, по монотонности меры, [math]\mu(B\setminus A)\leq \mu(B_n\setminus A_n) \lt \frac1n[/math].

[math]n \to \infty \Rightarrow \mu(B\setminus A) = 0[/math]

Мы нашли пару измеримых множеств, между которыми вставлено [math]E[/math]. [math]\mu(B\setminus A) = 0[/math]. Значит, по предыдущим фактам, верно.

Обратное верно, так как можно взять [math]A=B=E[/math]
[math]\triangleleft[/math]

Процесс Каратеодори

Забавно: [math]m, \mathcal{R} \to \mu^* \to \mu, \mathcal{A} \to \nu^*[/math]

Построим [math]\nu^*[/math] — внешняя мера для [math]\mu, \mathcal{A}[/math] ([math]\sigma[/math]-алгебра — частный случай полукольца). Возникает вопрос: "Построили ли мы что-то новое?"

Теорема:
[math]\mu^*=\nu^*[/math] (повторное применение процесса Каратеодори к новому распространению не приводит)
Доказательство:
[math]\triangleright[/math]

[math]\mu^*[/math] строилось на базе покрытий из [math]\mathcal{R}[/math], [math]\mathcal{R} \in \mathcal{A}[/math]

[math]\nu^*[/math] строится на базе покрытий из [math]\mathcal{A}[/math]. Это значит, что покрытий стало больше, то есть, [math]\forall E \subset X : \nu^* E \leq \mu^* E[/math]

Осталось доказать, что [math]\mu^* E \leq \nu^* E[/math]

Если новая мера бесконечна, то неравенство очевидно. Пусть тогда она конечна.

Раз она порождена [math]\mu[/math], [math]\forall \varepsilon\exists[/math] система измеримых множеств [math]B_1, B_2, \ldots, B_n, \ldots \in \mathcal{A}[/math], [math]E\subset\bigcup\limits_nB_n[/math],

[math]\sum\limits_n\mu B_n \lt \nu^*E+\varepsilon[/math]

В частности, [math]\forall n : \mu B_n \lt +\infty[/math]

Но [math]\mu B_n = \mu^* B_n[/math], и, раз она конечна и порождена мерой [math]m[/math], то [math]\exists A_{n_1}, A_{n_2}, \ldots, A_{n_j}, \ldots \in \mathcal{R} : \sum\limits_jmA_{n_j} \lt \mu B_n + \frac\varepsilon{2^n}[/math], [math]B_n \subset \bigcup\limits_j A_{n_j}[/math]

Отсюда, в частности, получается, что [math]E \subset \bigcup\limits_n B_n \subset \bigcup\limits_n \bigcup\limits_j A_{nj}[/math]

[math]\sum\limits_n\mu B_n \lt \nu^*E + \varepsilon[/math]. Заменяя каждое слагаемое ряда меньшей величиной,

[math]\sum\limits_n\left(\sum\limits_jmA_{nj} - \frac\varepsilon{2^n} \right) \lt \nu^* E + \varepsilon[/math]

[math]\sum\limits_n\sum\limits_j mA_{nj} \lt \nu^* E + 2\varepsilon[/math]

[math]E \subset \bigcup\limits_n\bigcup\limits_j A_{nj}[/math], [math]\mu^*E \leq \sum\limits_n\sum\limits_j mA_{nj}[/math] (по определению [math]\mu^*[/math]).

Сопоставляя с предыдущим неравенством, [math]\mu^*E \lt \nu^* E + 2\varepsilon[/math]

Устремляя [math]\varepsilon[/math] к нулю, побеждаем.
[math]\triangleleft[/math]