測度論初步
本書的目的是介紹初步的測度論知識,為實變函數、公理機率論等其它數學分支的學習做準備。
本書對讀者的設定為:假定讀者為數學系本科生,能夠接受比較抽象的數學語言,了解微積分的基本思想,但在知識上不要求讀者系統的學習過數學分析或實分析。
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前言
編輯測度是點集上的實函數,它是長度、面積、體積等度量的推廣,和古典的概念相比,它可以使我們在更一般的點集上討論諸如長度、面積、體積這樣的概念,例如[0,1]上所有有理數構成的集合的長度。
幾個出於直覺的要求是:1)空集的測度是0,2)測度是正定的,3)測度可以相加減。第3條需要做一點說明,比較直觀的要求是:若 是測度則 。這自然對 的定義域提出了要求,即對於交、並、差封閉。更進一步的,我們希望使用極限等工具討論比較複雜的點集,因而要求得比上面更高一點,即 的定義域對於集合的極限運算也封閉,這樣它就構成一個 σ-環,是我們第一章討論的內容。有了這個基礎之後,我們再討論測度的正式定義即基本性質。接下來兩章討論怎樣定義一個測度,最後作為一個特例,討論勒貝格測度。
環、 σ-環
編輯設X是一個集合,那麼它的所有子集構成的集合稱為X的冪集,記作 ,為了強調它以集合為元素,我們把 及其真子集都稱為集類,相應的X稱為基本空間。
環:若A是基本空間X的子集構成的集類,並且對於並和差這兩種運算封閉,即 ,且當 時總有 及 ,那麼稱A是一個環。 |
(可以驗證,如果以對稱差為加法,以集合的交為乘法,上述定義符合代數中不要求單位元的環的公理。)由上述定義顯然有
定理1.1 | 環對集合的有限交封閉 |
證明: |
設 ,於是 . 由環的定義,它對並和差封閉,故而 . |
O |
如前所述,我們還希望引入集合的極限運算,以便將來討論極限下的測度,為此定義σ-環如下
σ-環:若A是環,並且對於可列並封閉,即 總有 ,那麼稱A是一個σ-環。 |
顯然有
定理1.2 | σ-環對集合的可列交封閉 |
證明: |
設 ,於是 . 由環的定義,它對並和差封閉,故而 . |
O |
生成環和生成σ-環
編輯注意到環(σ-環)的任意交仍是環(σ-環),可以定義任意集類的生成環(σ-環)。
集類E生成的環和σ-環分別記作R(E)和S(E),不難證明:S(R(E))=S(E)。
如果定義 , ,其中 , ,則有
定理1.3 | |
證明: |
由R(E)的定義與R_{n}的構造方式,顯然R(E)\subset R_{n}。 另一方面, , 不妨設 , 那麼 , 從而 對並和差封閉,是包含E的環,從而R(E)\subset R_{n}。 綜合以上兩方面,有 。 |
O |
生成 σ-環的構造可以用類似的思想得到,不過需要超限數,暫不討論。