測度

#測度論 #測度

1.3 測度

SS を集合、A2S\emptyset \in \mathcal{A} \subset 2^Sμ:A[0,]\mu: \mathcal{A} \to [0,\infty] とする.

定義: 測度

加法族 A\mathcal{A}μ\mu の組 (A,μ)(\mathcal{A}, \mu) に対し以下の条件を考える:

  • 非負性:すべての AA に対し,0=μ()μ(A)(1)\tag{1} \quad \text{すべての } A \in \mathcal{A} \text{ に対し,} \quad 0 = \mu(\emptyset) \leq \mu(A) \leq \infty
  • 可算加法性:{An}n0A, A0=nAn    μ(A0)=nμ(An)(2)\tag{2} \quad \{A_n\}_{n \geq 0} \subset \mathcal{A}, \ A_0 = \sum_n A_n \implies \mu(A_0) = \sum_n \mu(A_n)

A\mathcal{A}σ\sigma-加法族で μ\mu が (2) を満たすとき、(A,μ)(\mathcal{A}, \mu) を(あるいは単に μ\mu を)測度と呼ぶ。

また、(S,A)(S, \mathcal{A}) が可測空間、(A,μ)(\mathcal{A}, \mu) が測度なら、(S,A,μ)(S, \mathcal{A}, \mu)測度空間と呼ぶ。

例:一次元の区間の長さ

a,bRa, b \in \mathbb{R} (ab)(a \leq b) を端点とする区間 II の長さを μ(I)=ba\mu(I) = b - a と定義すると、

0=a0<a1<<an1,An=(an1,an]0 = a_0 < a_1 < \cdots < a_n \nearrow 1, \quad A_n = (a_{n-1}, a_n]

なら、(0,1)=nAn(0,1) = \displaystyle\sum_n A_n より

μ(nAn)=μ((0,1))=1.\mu\left( \sum_n A_n \right) = \mu((0,1)) = 1.n(anan1)=nμ(An)=1. \sum_n (a_n - a_{n-1}) = \sum_n \mu(A_n) = 1.

定義1.3.3

(A,μ)(\mathcal{A}, \mu) に対し,

  • 有限加法性:(1.10)2mN, {An}n=0mA, A0=nmAn なら,(1.10) \quad 2 \leq m \in \mathbb{N}, \ \{A_n\}_{n=0}^{m} \subset \mathcal{A}, \ A_0 = \sum_{n}^{m} A_n \text{ なら,}μ(A0)=nmμ(An).\mu(A_0) = \sum_{n}^{m} \mu(A_n).
  • 有限劣加法性:(1.11)2mN, {An}n=0mA, A0=nmAn なら,(1.11) \quad 2 \leq m \in \mathbb{N}, \ \{A_n\}_{n=0}^{m} \subset \mathcal{A}, \ A_0 = \bigcup_{n}^{m} A_n \text{ なら,}μ(A0)nmμ(An).\mu(A_0) \leq \sum_{n}^{m} \mu(A_n).
  • 単調性:(1.12)A1,A2A かつ A1A2 なら,μ(A1)μ(A2).(1.12) \quad A_1, A_2 \in \mathcal{A} \text{ かつ } A_1 \subset A_2 \text{ なら,} \quad \mu(A_1) \leq \mu(A_2).
  • 可算劣加法性:(1.13){An}n0A, A0=n1An なら,μ(A0)nμ(An).(1.13) \quad \{A_n\}_{n \geq 0} \subset \mathcal{A}, \ A_0 = \bigcup_{n \geq 1} A_n \text{ なら,} \quad \mu(A_0) \leq \sum_{n} \mu(A_n).
  • 増大列連続性:(1.14){A}{An}n1A, AnA なら,limnμ(An)=μ(A).(1.14) \quad \{A\} \cup \{A_n\}_{n \geq 1} \subset \mathcal{A}, \ A_n \nearrow A \text{ なら,} \quad \lim_{n} \mu(A_n) = \mu(A).
  • 減少列連続性:(1.15){A}{An}n1A, AnA, μ(A1)< なら,(1.15) \quad \{A\} \cup \{A_n\}_{n \geq 1} \subset \mathcal{A}, \ A_n \searrow A, \ \mu(A_1) < \infty \text{ なら,}limnμ(An)=μ(A).\lim_{n} \mu(A_n) = \mu(A).

定理:ルベーグ測度

次を満たす測度 (B(Rd),μ)(\mathcal{B}(\mathbb{R}^d), \mu) が唯一つ存在する:

(1.21)J=1jd(sj,tj]R に対し,(1.21) \quad J = \prod_{1 \leq j \leq d} (s_j, t_j] \cap \mathbb{R} \text{ に対し,}μ(J)={1jd(tjsj),(J)0,(J=).\mu(J) = \begin{cases} \displaystyle\prod_{1 \leq j \leq d} (t_j - s_j), & (J \neq \emptyset) \\[2mm] 0, & (J = \emptyset). \end{cases}

証明はここでは省略。

例:超平面の速度は0になる

HRdH \subset \mathbb{R}^d が座標軸に垂直な超平面,つまり

H={xRd  ;  xi=h}(1id, hR)H = \{x \in \mathbb{R}^d \; ; \; x_i = h\} \quad (1 \leq i \leq d, \ h \in \mathbb{R})

と書けるなら,μ(H)=0\mu(H) = 0

証明

簡単のため i=1i=1 とする.m,nN{0}m, n \in \mathbb{N} \setminus \{0\},さらに

Hm=def.{h}×(m,m]d1,H_m \overset{\text{def.}}{=} \{h\} \times (-m, m]^{d-1},Hm,n=def.(h1n,h]×(m,m]d1H_{m,n} \overset{\text{def.}}{=} \left(h - \frac{1}{n}, h\right] \times (-m, m]^{d-1}

とする.mm を固定し,nn \nearrow \infty とすれば,Hm,nHmH_{m,n} \searrow H_m.かつ

μ(Hm,n)=1n(2m)d10(n0).\mu(H_{m,n}) = \frac{1}{n}(2m)^{d-1} \to 0 \quad (n \to 0).

したがって,減少列連続性より

μ(Hm)=limnμ(Hm,n)=0.\mu(H_m) = \lim_{n} \mu(H_{m,n}) = 0.

\blacksquare