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正の集合, 負の集合, 零の集合 📂測度論

正の集合, 負の集合, 零の集合

定義1

ν\nu(X,E)(X,\mathcal{E})上の符号測度としよう。そしてE,FEE,F \in \mathcal{E}としよう。すると

  • ν(F)0, FE\nu (F) \ge 0,\ \forall F\subset Eの時、EEν\nuに対する正集合positive setまたは単にポジティブpositiveという。

  • ν(F)0, FE\nu (F) \le 0,\ \forall F\subset Eの時、EEν\nuに対する負集合negative setまたは単にネガティブnegativeという。

  • ν(F)=0, FE\nu (F)=0,\ \forall F\subset Eの時、EEν\nuに対する零集合null setまたは**ν\nu-ヌル**ν\nu-nullという。

説明

定義によると、零集合は同時に正集合であり、負集合である集合だ。正集合、負集合の定義を誤解しやすいので、正しく理解することが重要だ。μ(E)>0\mu (E)>0の時、EEを正の集合と呼ぶわけではない。EEの全ての可測な部分集合FEF\in\mathcal{E}に対してμ(F)0\mu (F) \ge 0が成り立つ必要があって初めて、EEを正の集合と呼ぶ。もちろん、この条件を満たすならば自然とν(E)>0\nu (E) >0が成り立つ。要約すると以下の通り。

E is positive set for ν    ν(E)>0ν(E)>0̸    E is positive set for ν E\ \mathrm{is\ positive\ set\ for\ }\nu \implies \nu (E)>0 \\ \nu (E)>0 \not\implies E\ \mathrm{is\ positive\ set\ for\ }\nu

これは負集合、零集合に対しても同様だ。上述の話は符号測度にのみ適用される。絶対測度については少し話が異なる。μ\muを絶対測度とした時、常に00以上の関数値を持つので、μ(E)=0\mu (E)=0EEν\nu-ヌルであることと同値だ。正集合に関する話も同様だ。したがって、絶対測度に対しては、正集合、零集合という言葉を特に使う必要はない。下の図を見よう。

5D78D9942.png

関数ffを区間E2E_2でリーマン積分すると、その値は確かに正だが、E2E_2を正の集合とは呼ばない。上の図の例で、関数値が0より小さい部分が一点もない区間が正の集合だ。上の図で、E1E_{1}E3E_{3}が正の集合で、E5E_{5}が負の集合だ。E2E_2E4E_{4}は正の集合でも、負の集合でも、零集合でもない。最も重要な点は、あるEEE \in \mathcal{E}が必ずしも正集合であるか、または負集合である必要がないことだ。

定理

  • (a) 正の集合の可測部分集合も正の集合である。

  • (b) 任意の正の集合の可算和も正の集合である。

証明

(a)

正の集合の定義により自明だ。

(b)

P1, P2, P_{1},\ P_2,\ \cdotsを正の集合としよう。そしてQnQ_{n}を以下のように定義しよう。

Q1=P1,Qn=Pn(j=1n1Pj)  n>1 Q_{1}=P_{1},\quad Q_{n}=P_{n}-\left( \bigcup \nolimits_{j=1}^{n-1}P_{j} \right)\ \forall\ n>1

するとQnPnQ_{n} \subset P_{n}であり、それぞれのQnQ_{n}互いに素である。したがってQnQ_{n}は**(a)**により正の集合だ。また、以下の式が成立する。

1Pj=1Qj \bigcup \nolimits_{1}^{\infty} P_{j}=\bigcup \nolimits_{1}^{\infty} Q_{j}

今、EE1Pn\bigcup \nolimits _{1}^\infty P_{n}の任意の可測な部分集合としよう。

E(1Qn)=(1Pn) E \in \left( \bigcup \nolimits _{1}^\infty Q_{n} \right)=\left( \bigcup \nolimits _{1}^\infty P_{n} \right)

それでは、ν(E)0\nu (E) \ge 0を示せば証明は完了する。EEの定義により、以下の式が成立することがわかる。 E=j=1(QjE) E= \bigcup \limits_{j=1}^\infty \left( Q_{j} \cap E \right) それぞれのQnQ_{n}が互いに素であるので、符号測度の可算加法性により、以下が成立する。

ν(E)=ν(j=1(QjE))=j=1ν(QjE) \nu (E) = \nu \left(\bigcup \nolimits_{j=1}^\infty \left( Q_{j} \cap E \right) \right) =\sum \limits_{j=1}^\infty \nu \left( Q_{j} \cap E \right)

この時、QnQ_{n}が正の集合で、(QjE)Qj(Q_{j}\cap E ) \subset Q_{j}であるため、式の右辺は必ず00以上である。

ν(E)=j=1ν(QjE)0 \nu (E) =\sum \limits_{j=1}^\infty \nu \left( Q_{j} \cap E \right) \ge 0


  1. Gerald B. Folland, Real Analysis: Modern Techniques and Their Applications (2nd Edition, 1999), p86 ↩︎