ルベーグ測度
📂測度論ルベーグ測度
定義
E∈Mに関して、関数m:M→[0,∞]をm(E):=m∗(E)のように定義しよう。mを**(ルベーグ)測度**という。
- MはX=Rの可測集合の集合であるシグマ代数だ。
- m∗は外測度だ。
説明
外測度はm∗:P(R)→[0,∞]によってきれいに定義されたが、長さの一般化としては物足りなかった。その代わり実数のシグマ-フィールドに定義域を制限することで、理想的な’長さの一般化’を完成させた。これはカラテオドリ条件を満たすために条件的に一歩下がると見ることができる。
もちろん、一般的な測度と比較してみると、X=Rでの特別な例である。
基本的な性質
A,B,E∈Mとすべてのn∈Nに対してAn,Bn,∈Mとする。測度は以下の性質を持つ。
- [1]: A⊂B⟹m(A)≤m(B)
- [2]: A⊂Bの場合、m(A)<∞⟹m(B∖A)=m(B)−m(A)
- [3]: t∈R⟹m(E)=m(E+t)
- [4]: m(A△B)=0⟹B∈Mm(A)=m(B)
- [5]: すべてのε>0,A⊂Rに対して、以下を満たす開集合のOが存在する。
A⊂Om(O)≤m∗(A)+ε
- [6]: すべてのA⊂Rに対して、以下を満たす開集合の数列{On}が存在する。
A⊂n⋂Onm(n⋂On)=m∗(A)
- [7]: An⊂An+1⟹m(n=1⋃∞An)=n→∞limm(An)
- [8]: An+1⊂Anの場合、m(A1)<∞⟹m(n=1⋂∞An)=n→∞limm(An)
- [9]: m(i=1⨆nAi)=i=1∑nm(Ai)
- [11]: Bn→∅⟹m(Bn)→0
- A△B=(A∖B)∪(B∖A)が真である。
証明
[1]
m=m∗∣Mより、外測度の性質から自然に導かれる。
■
[2]
まず、(B∖A)∈Mを証明する必要がある。(B∖A)=B∩(R∖A)=B∩Acであり、A∈MであるからAc∈Mだ。したがって、(B∖A)∈Mであり、(B∖A)∩A=∅かつ(B∖A)∪A=Bであるからm(B∖A)+m(A)=m(B)となる。仮定からm(A)<∞であったので、両辺するとm(B∖A)=m(B)−m(A)を得る。
■
[3]
m=m∗∣Mより、外測度の性質から自然に導かれる。
■
[4]
B=(A∩B)∪(B∖A)=A∖(A∖B)∪(B∖A)より、B∈Mである。一方でm(A△B)=0より、m(A∖B)=0かつm(B∖A)=0だ。したがって、
m(B)=m(B∖A)+m(B∩A)=m(A∖B)+m(A∩B)=m(A)
■
[7]
Bn:=An∖An−1とすると、i=jに対してBi∩Bj=∅かつn=1⋃∞An=n=1⨆∞Bnである。したがって、
m(n=1⋃∞An)=m(n=1⨆∞Bn)=n=1∑∞m(Bn)=n→∞limk=1∑nm(Bk)=n→∞limm(k=1⨆nBk)=n→∞limm(An)
■
[8]
(A1∖An)⊂(A1∖An+1)より、**[7]**によって
m(n=1⋃∞(A1∖An))=n→∞limm(A1∖An)
m(An)<∞より、[3]によって
m(A1∖An)=m(A1)−m(An)
一方、n=1⋃∞(A1∖An)=A1∖n=1⋂∞Anより、
m(n=1⋃∞(A1∖An))=m(A1)−m(n=1⋂∞An)
整理すると、
m(n=1⋃∞(A1∖An))=m(A1)−n→∞limm(An)=m(A1)−m(n=1⋂∞An)
したがってn→∞limm(An)=m(n=1⋂∞An)
■
一般化