Adamátor Zápisky Hlášky

Poznámky z Matematické analýzy A 4 – teorie míry

Obsah

  1. Špatná zpráva
  2. σ-algebry
    1. Generované σ-algebry
    2. Borelovské σ-algebry
  3. Elementární systémy
  4. Základní vlastnosti míry
  5. Borelovské míry na ℝ
  6. Lebesgueovy-Stieltjesovy míry
    1. Malá exkurze do kardinality

Motivace: Chceme zobecnit pojmy jako obsah, objem, …

Cílem je najít funkci μ:2ℝn→[0,∞] s vlastnostmi:

Špatná zpráva

Axiom výběru: Je-li X systém neprázdných a po dvou disjunktních množin, potom existuje množina C taková, že pro všechna A⊆X je množina A∩C jednobodová.

Věta. Funkce μ, kterou chceme, za předpokladu axiomu výběru nemůže existovat.

Co kdybychom zeslabili první předpoklad na konečné systémy množin? Zaprvé by to nebylo rozumné a zadruhé by to stejně fungovalo jen pro n∈{1,2}.

Věta (Banach-Tarski). Nechť n≥3,U,V⊆ℝn. Potom existuje k∈ℕ a množiny E1,…,Ek,F1,…,Fk takové, že

σ-algebry

Definice. Nechť X je neprázdná množina. Neprázdný systém 𝒜⊆2X se nazývá algebra na X, pokud je uzavřená na doplňku a konečném sjednocení, tedy splňuje podmínky: (∀E∈𝒜)(E∁≔X∖E∈𝒜) (∀E1,…,En∈𝒜)(⋃i=1nEi=𝒜) Je-li uzavřená také na spočetném sjednocení, jde o σ-algebru: (∀E1,E2,…∈𝒜)(⋃i=1∞Ei=𝒜)

Triviální pozorování

Generované σ-algebry

Borelovské σ-algebry

Věta. Označme: Potom (∀i∈8^)(ℳ(ℰi)=ℬℝ).
Definice. Nechť 𝒜1,…,𝒜n jsou σ-algebry na množinách X1,…,Xn. Potom systém ⨂i=1n𝒜i≔ℳ({∏i=1nEi|Ei∈Ai}) se nazývá produktová σ-algebra na X≔∏i=1nXi.
Lemma. Nechť 𝒜1,…,𝒜n jsou σ-algebry na množinách X1,…,Xn. Potom ⨂i=1n𝒜i=ℳ({X1×⋯×Xi−1×Ei×Xi+1×⋯×Xn|Ei∈Ai,i∈n^}).
Lemma. Nechť pro množiny X1,…,Xn máme (∀i∈n^)(Xi∈ℰi⊆2Xi). Potom ⨂i=1n(𝒜i≔ℳ(ℰi))=ℳ({∏i=1nEi|Ei∈ℰi}).
Věta. Nechť (X1,τ1),…,(Xn,τn) jsou topologické prostory a X≔∏i=1nXi. Potom ⨂i=1nℬXi⊆ℬX, kde na X je produktová topologie. Navíc jsou-li (X1,τ1),…,(Xn,τn) separabilní metrické prostory, potom nastává rovnost.

Elementární systémy

Definice. Nechť X je neprázdná množina. Systém ℰ⊆2X se nazývá elementární systém na X, pokud:
Lemma. Nechť ℰ je elementární systém na X. Potom systém 𝒜 tvořený sjednocením konečně mnoha disjunktních množin z ℰ je algebra.
Definice. Nechť X≠∅ a 𝒜 je σ-algebra na X. Množinová funkce μ:𝒜→[0,∞] se nazývá míra na (X,𝒜), pokud platí: V takovém případě je dvojice (X,𝒜) měřitelný prostor a trojice (X,𝒜,μ) prostor s mírou.
Poznámka. Aditivita funguje i pro konečný počet množin, protože si je můžeme doplnit na nekonečnou posloupnost prázdnými množinami.
Definice. Míra je σ-konečná, pokud (∃{En}n=1∞∈𝒜ω)(⋃n=1∞En=X∧(∀n∈ℕ)(μ(En)<∞))
Definice. Míra je konečná, pokud μ(X)<∞.
Definice. Míra je pravděpodobnostní, pokud μ(X)=1.
Poznámka. Zřejmě platí implikace pravdeˇpodobnostnıˊ⟹konecˇnaˊ⟹σ-konecˇnaˊ.
Příklad. Nechť X≠∅,𝒜=2X,x0∈X. Diracova δ-míra v x0 je definována jako δx0(E)≔[x0∈E] Snadno ověříme, že jde o pravděpodobnostní míru.
Příklad. Nechť X≠∅,𝒜=2X,{xn}n=1∞∈Xω,{an}n=1∞∈ℝ0+ω. Potom (∑n=1∞δxn)(E)≔∑n=1∞δxn(E) je míra, která je konečná, pokud ∑n=1∞an konverguje, jinak σ-konečná.
Příklad. Nechť X≠∅,𝒜=2X. Potom μ(E)≔|E| je počítací míra.
Příklad. Nechť X≠∅ je nespočetná a 𝒜≔{E⊆X|E spocˇetnaˊ∨E∁ spocˇetnaˊ}. Potom μ(E)≔[E nespocˇetnaˊ] je míra.

Základní vlastnosti míry

Věta. Míra je monotónní: (∀E,F∈𝒜,E⊆F)(μ(E)≤μ(F))
Věta. Míra je subaditivní: (∀{En}n=1∞∈𝒜ω)(μ(⋃n=1∞En)≤∑n=1∞μ(En))
Věta. Míra je spojitá zdola: (∀{En}n=1∞∈𝒜ω,(∀n∈ℕ+)(En⊆En+1))(μ(⋃n=1∞En)=limn→∞⁡μ(En))
Věta. Míra je spojitá shora: (∀{En}n=1∞∈𝒜ω,(∀n∈ℕ+)(En⊇En+1),μ(E1)<∞)(μ(⋂n=1∞En)=limn→∞⁡μ(En))
Definice. Množina nulové míry neboli μ-nulová množina je množina… která má nulovou míru. Překvapivě.
Věta. Spočetné sjednocení množin nulové míry je množina nulové míry.
Důkaz. Zřejmý.
Definice. O prvcích prostoru X říkáme, že mají vlastnost V skoro všude alias μ-skoro všude, pokud μ({x∈X|¬V(x)})=0. Já osobně pro stručnost používám značení (∀μx∈X)(V(x)).
Příklad. Mějme na (ℕ,2ℕ) míru μ(E)≔|{n∈X|n≡0(mod2)}|. Potom skoro všechna přirozená čísla jsou sudá.
Definice. Míra se nazývá úplná, pokud (∀F∈𝒜,μ(F)=0)(2F⊆𝒜)
Věta (o zúplnění měr). Nechť 𝒩≔{N∈𝒜|μ(N)=0} 𝒜≔{E∪F|E⊆𝒜,F⊆N∈𝒩} μ‾:𝒜→[0,∞],μ‾(E∪F)≔μ(E) Potom 𝒜 je σ-algebra na X a μ‾ je úplná míra na 𝒜. Navíc je to jediná míra na 𝒜, která se shoduje s μ na množinách z 𝒜.
Důkaz (základní myšlenka). Nejprve dokážeme, že 𝒜 je σ-algebra. Dokázat uzavřenost na spočetném sjednocení je triviální. Důkaz uzavřenosti na doplňku už je nutné si trochu víc rozmyslet. Ohledně μ musíme nejprve dokázat, že je korektně definovaná, tedy pokud napíšeme množinu jako E∪F dvěma různými způsoby, vyjde nám pořád stejný výsledek. K tomu stačí řetězec nerovností: μ(E1)≤μ(E2∪N2)≤μ(E2)+μ(N2)=μ(E2) a vopáčně. Dokázat, že splňuje vlastnosti míry a je úplná, už je celkem jednoduché.
Definice. μ‾ se nazývá zúplněním míry μ.
Definice. Nechť X je neprázdná množina. Zobrazení μ*:2X→[0,∞] se nazývá vnější míra, pokud splňuje vlastnosti:
Poznámka. Vnější míra na rozdíl od normální míry umí měřit všechny podmnožiny X!
Poznámka. Název je založen na myšlence, že pokryjeme množinu obdélníky a tím získáme horní odhad na její obsah, následně vezmeme infimum ze všech možných pokrytí. Tato myšlenka je zobecněna v následující větě.
Věta. Nechť ∅,X∈ℰ⊆2X,ρ:ℰ→[0,∞],ρ(∅)=0. Definujme zobrazení μ*:2X→[0,∞] jako μ*(E)≔inf⁡{∑n=1∞ρ(An)|{An}n=1∞⊆ℰ,⋃n=1∞An⊇E} Potom μ* je vnější míra na X.
Důkaz (základní myšlenka). První dvě vlastnosti jsou triviální. Třetí vlastnost není triviální.
Definice. Nechť μ* je vnější míra na X. Množina A⊆X se nazývá μ*-měřitelná, pokud (∀E⊆X)(μ*(E)=μ*(E∩A)+μ*(E∩A∁)).
Poznámka. Díky subaditivitě stačí ověřit ≥.
Věta (Carathéodory). Nechť μ* je vnější míra na X a ℳ*≔{A⊆X|A je μ*-meˇrˇitelnaˊ}. Potom ℳ* je σ-algebra na X a μ≔μ*↾ℳ* je úplná míra.
Definice. Nechť 𝒜 je algebra na X. Zobrazení μ0:𝒜→[0,∞] se nazývá pramíra, pokud
Poznámka. U pramíry stejně jako u míry definujeme konečnost a σ-konečnost.
Věta. Pramíra je aditivní: (∀{An}k=1n⊆X disjunktnıˊ)(μ0(⋃k=1nAn)=∑k=0nμ0(An))
Důkaz. Triviální.
Věta. Pramíra je monotónní: (∀E,F∈𝒜,E⊆F)(μ0(E)≤μ0(F))
Důkaz. Triviální.
Věta. Nechť μ0 je pramíra na algebře 𝒜. Definujme zobrazení μ*:2X→[0,∞] jako μ*(E)≔inf⁡{∑n=1∞μ0(An)|{An}n=1∞⊆𝒜,⋃n=1∞An⊇E} Potom μ* je vnější míra na X.
Důkaz. Speciální případ dřívější věty.
Lemma. Nechť je μ0 pramíra na algebře 𝒜 a μ* vnější míra podle předchozí věty. Potom μ*↾𝒜=μ0.
Důkaz (základní myšlenka). Nechť A∈𝒜. Důkaz, že μ*(A)≤μ0(A), je triviální. Dokažme vopáčnou nerovnost. Nechť {An}n=1∞ je libovolná posloupnost množin z 𝒜, jejíž sjednocení je nadmnožinou A. Nechť Bn je její zdisjunktnění a zároveň průnik s A. Když tuhle posloupnost dosadíme do nějakých definic, vyjde z toho to, co chceme.
Lemma. Nechť je μ0 pramíra na algebře 𝒜 a μ* vnější míra podle předchozí věty. Potom každá množina z algebry je μ*-měřitelná, tedy 𝒜⊆ℳ*.
Důkaz (základní myšlenka). Nechť A∈𝒜,E⊆X. Chceme dokázat, že μ*(E)≥μ*(E∩A)+μ*(E∩A∁). Jde to.
Věta (❕). Nechť μ0 je pramíra na algebře 𝒜, μ* její odpovídající vnější míra a ℳ≔ℳ(𝒜). Potom
Důkaz (základní myšlenka). První tvrzení nějak vyskáče z Carathéodoryho věty a předchozích lemmátek. Druhé plyne z nějakých odhadů. Potom se použije limita a jakési odhady s ε. Ve třetím se nějak pracuje s disjunktními množinami.
Poznámka. Je-li μ σ-konečná míra, potom μ‾≔μ*↾ℳ* je zúplnění μ.
Poznámka. Ve třetím tvrzení lze předpoklad σ-konečnosti μ0 nahradit předpokladem σ-konečnosti μ.

Borelovské míry na ℝ

Definice. Mějme topologický prostor (X,τ). Jakákoli míra definovaná na ℬX se nazývá borelovská.

Motivace: Nechť μ je borelovská míra na ℝ taková, že (∀x∈ℝ)(μ((−∞,x])<∞). Potom můžeme zavést funkci F:ℝ→ℝ,F(x)≔μ((−∞,x]). Z monotonie míry plyne, že F je neklesající. Z horní spojitosti míry plyne, že F je spojitá zprava. Z aditivity míry plyne, že μ((a,b])=F(b)−F(a). Z dolní spojitosti míry také odvodíme, že μ((a,b))=F(b−)−F(a). A tak podobně. Vlastně je to něco jako základní věta integrálního počtu. Šlo by to i obráceně, že bychom z funkce F zprava spojité a neklesající odvodili míru splňující μ([a,b))=F(b)−F(a)?

Definice. Systém ℰ≔{∅}∪{(a,b]|−∞≤a<b<∞}∪{(a,∞)|−∞≤a} se nazývá p-intervaly.
Věta. Systém p-intervalů je elementární systém, tedy 𝒜≔konecˇnaˊ sjednocenıˊ disjunktnıˊch p-intervalu˚ je algebra.
Lemma. Nechť F:ℝ→ℝ je zprava spojitá a neklesající. Nechť F(±∞)≔lim±∞⁡F. Definujme funkci μ0:𝒜→[0,∞] takto: Potom μ0 je dobře definovaná pramíra.
Věta. Nechť F:ℝ→ℝ je zprava spojitá a neklesající. Potom existuje právě jedna borelovská míra μF na ℝ taková, že μF↾𝒜=μ0. Speciálně μF((a,b])=F(b)−F(a).
Věta. Nechť F,G:ℝ→ℝ jsou zprava spojité a neklesající. Potom μF=μG právě tehdy, pokud F−G je konstantní funkce.
Věta (téměř-charakterizace borelovských měr na ℝ). Nechť μ je borelovská míra na ℝ taková, že míra každé omezené borelovské množiny je konečná. Potom funkce definovaná jako F(x)≔{−μ((x,0]),x<00,x=0μ((0,x]),x>0 je ℝ→ℝ, neklesající, zprava spojitá a platí μF=μ.

Lebesgueovy-Stieltjesovy míry

Definice. Nechť F:ℝ→ℝ je neklesající a zprava spojitá. Potom zúplnění μ≔μF se nazývá Lebesgueova-Stieltjesova míra na ℝ asociovaná s F. a odpovídající zúplněnou σ-algebru značíme ℳμ≔ℬℝ. Je-li konkrétně F=id, potom se míra nazývá Lebesgueova míra na ℝ a σ-algebra se nazývá σ-algebra Lebesgueovsky měřitelných množin.
Poznámka. Nechť μ je Lebesgue-Stieltjesova míra na ℝ. Potom (∀E∈ℳμ)(μ(E)=inf⁡{∑n=1∞μ(An)|{An}n=1∞∈𝒜,⋃n=1∞An⊇E})
Lemma. Nechť μ je Lebesgueova-Stieltjesova míra na ℝ. Potom
Věta. Nechť μ je Lebesgue-Stieltjesova míra na ℝ. Potom platí vnější regularita: (∀E∈ℳμ)(μ(E)=inf⁡{μ(U)|E⊆U∈τ})
Věta. Nechť μ je Lebesgue-Stieltjesova míra na ℝ. Potom platí vnitřní regularita: (∀E∈ℳμ)(μ(E)=sup⁡{μ(K)|E⊇K kompaktnıˊ})
Důsledek. Lebesgueova-Stieltjesova míra je regulární.
Věta. Nechť μ je Lebesgue-Stieltjesova míra na ℝ a E⊆ℝ. Potom následující tvrzení jsou ekvivalentní:
Definice. Symetrický rozdíl množin: A△B≔(A∪B)∖(A∩B)=(A∖B)∪(B∖A)
Věta. Nechť μ je Lebesgue-Stieltjesova míra na ℝ a E je množina konečné míry. Potom (∀ε∈ℝ+)(∃A=konecˇneˊ sjednocenıˊ otevrˇenyˊch intervalu˚)(μ(A△E)<ε)
Poznámka. Připomeňme si, že míra intervalu v Lebesgue-Stieltjesově míře se určuje podle rozdílu hodnot F v krajních bodech, kde se občas musí použít limity. Ovšem je-li F spojitá, potom se tyto limity rovnají funkčním hodnotám, tedy všechny intervaly se stejnými krajními body mají stejnou míru. Z toho také plyne, že míra jednoprvkové množiny je nulová, a tím pádem i míra jakékoli spočetné množiny.
Věta (inveriance na translaci a škálování). Nechť s,r∈ℝ,E∈ℒ, kde ℒ je systém množin měřitelných Lebesgueovou mírou. Potom E+s,rE∈ℒ a m(E+s)=m(E),m(rE)=|r|m(E), kde speciálné bereme 0⋅∞≔0.
Věta. Lebesgueova míra je až na násobení konstantou jediná Lebesgueova-Stieltjesova míra invariantní vůči translaci.
Věta. Existuje lebesgueovsky neměřitelná množina.
Poznámka. Mějme funkci F≔χℝ0+≔x↦[x≥0]. Potom δ0≔μF je Diracova δ-míra, která umí měřit všechny množiny.
Příklad (Cantorovo diskontinuum). Mějme množinu C≔[0,1]∖⋃n=1∞⋃k=13n−1(3k−23,3k−13) Zřejmě jde o borelovskou množinu, neboť je vyjádřena spočetným množstvím množinových operací na intervalech. Její Lebesgueovu míru můžeme tedy spočítat jednoduše tak, že od jedničky odečteme celkovou míru „vykousnutých“ intervalů, akorát si musíme dávat pozor, abychom některé intervaly nezapočítali dvakrát. m(C)=1−∑k=1∞2k−13=0 Podívejme se na zápisy čísel z [0,1] v trojkové soustavě, přičemž u čísel s nejednoznačným zápisem budeme brát ten s dvojkami. Snadno ukážeme, že všechna čísla, jejichž rozvoj sestává pouze z nul a dvojek, patří do Cantorovy množiny. Můžeme tedy definovat zobrazení f:C→[0,1], které v trojkovém zápisu čísla nahradí dvojky jedničkami a interpretuje ho jako binární zápis. Snadno ověříme, že tato funkce je surjektivní. Z toho plyne, že Cantorova množina má kerdinalitu kontinua. Našli jsme tedy nespočetnou množinu s nulovou Lebesgueovou mírou. Tato množina má i zajímavé topologické vlastnosti: Pokud dodefinujeme f na celé [0,1] tak, že ve zbylých bodech položíme konstantní hodnotu, dostaneme Cantorovu funkci alias ďáblovy schody. Tato funkce má zajímavé vlastnosti:

Malá exkurze do kardinality

Věta. card⁡ℬ(ℝ)=𝔠
Věta. card⁡ℒ=2𝔠