Poznámky z Matematické analýzy A 4 – teorie míry
Motivace: Chceme zobecnit pojmy jako obsah, objem, …
Cílem je najít funkci s vlastnostmi:
- Jsou-li po dvou disjunktní množiny (přičemž je jich spočetný počet), potom .
- Jsou-li kongruentní množiny, potom .
- .
Špatná zpráva
Axiom výběru: Je-li systém neprázdných a po dvou disjunktních množin, potom existuje množina taková, že pro všechna je množina jednobodová.
Věta. Funkce
, kterou chceme, za předpokladu axiomu výběru nemůže existovat.
Důkaz. Dokážeme pouze pro , dál to jde analogicky. Vezměme interval . Zavedeme relaci ekvivalence, kde . Pomocí axiomu výběru z každé třídy ekvivalence vybereme jeden prvek. Nechť je množina těchto prvků. Pro každé definujme . Zřejmě . Tedy množiny jsou po dvou disjunktní a jejich průnik je , tudíž by součet jejich měr měl být . Zároveň se množiny liší pouze dvěma posunutími, takže by měly mít stejnou míru. Ale to je spor, protože součet spočetně nekonečně mnoha stejných čísel nemůže být .
Co kdybychom zeslabili první předpoklad na konečné systémy množin? Zaprvé by to nebylo rozumné a zadruhé by to stejně fungovalo jen pro .
Věta (Banach-Tarski). Nechť
. Potom existuje
a množiny
takové, že
- jsou po dvou disjunktní
- jsou po dvou disjunktní
σ-algebry
Definice. Nechť je neprázdná množina. Neprázdný systém se nazývá algebra na , pokud je uzavřená na doplňku a konečném sjednocení, tedy splňuje podmínky:
Je-li uzavřená také na spočetném sjednocení, jde o σ-algebru:
Triviální pozorování
Věta. Algebra je uzavřená na konečném průniku:
Věta. σ-algebra je uzavřená na spočetném průniku:
Věta. Je-li algebra na , potom .
Věta. Každá σ-algebra je algebra.
Věta. Algebra je uzavřená na rozdílu množin:
Věta. Je-li algebra uzavřená na spočetném průniku, potom je to σ-algebra.
Věta. Je-li neprázdná množina, potom je algebra na .
Věta. Je-li neprázdná množina, potom je algebra na .
Věta. Je-li neprázdná množina, potom je algebra na .
Generované σ-algebry
Definice. Nechť
je neprázdná množina a
je neprázdný systém. Potom systém
se nazývá
σ-algebra generovaná systémem .
Poznámka. Pro korektnost musíme dokázat, že průnik σ-algeber je σ-algebra.
Lemma. Nechť je neprázdná množina a jsou neprázdné systémy. Je-li , potom .
Borelovské σ-algebry
Definice. Nechť je topologický prostor. Systém se nazývá borelovská σ-algebra. Množina patřící do se nazývá borelovská.
Poznámka. Borelovské množiny jsou velmi bohatý systém. Máme
Věta. Označme:
Potom
.
Důkaz (základní myšlenka). : Pro máme . Polouzavřené intervaly dokážeme spočetně napronikat z otevřených. : Z topologie nějak víme, že každá otevřená podmnožina je spočetným sjednocením otevřených intervalů, tedy . Z lemmatu poté plyne . Z toho půjdou pomocí množinových operací vymlátit inkluze i pro ostatní .
Definice. Nechť jsou σ-algebry na množinách . Potom systém se nazývá produktová σ-algebra na .
Lemma. Nechť jsou σ-algebry na množinách . Potom .
Lemma. Nechť pro množiny máme . Potom .
Věta. Nechť
jsou topologické prostory a
. Potom
, kde na
je produktová topologie. Navíc jsou-li
separabilní metrické prostory, potom nastává rovnost.
Důsledek.
Elementární systémy
Definice. Nechť
je neprázdná množina. Systém
se nazývá
elementární systém na , pokud:
Lemma. Nechť je elementární systém na . Potom systém tvořený sjednocením konečně mnoha disjunktních množin z je algebra.
Definice. Nechť
a
je σ-algebra na
. Množinová funkce
se nazývá
míra na , pokud platí:
- Jsou-li disjunktní, potom
V takovém případě je dvojice
měřitelný prostor a trojice
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
Definice. Míra je konečná, pokud .
Definice. Míra je pravděpodobnostní, pokud .
Poznámka. Zřejmě platí implikace .
Příklad. Nechť . Diracova δ-míra v je definována jako
Snadno ověříme, že jde o pravděpodobnostní míru.
Příklad. Nechť . Potom
je míra, která je konečná, pokud konverguje, jinak σ-konečná.
Příklad. Nechť . Potom je počítací míra.
Příklad. Nechť je nespočetná a . Potom je míra.
Základní vlastnosti míry
Věta. Míra je
monotónní:
Důkaz.
Věta. Míra je
subaditivní:
Důkaz. Nechť . Potom
Věta. Míra je spojitá zdola:
Věta. Míra je spojitá shora:
Definice. Množina nulové míry neboli -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 říkáme, že mají vlastnost skoro všude alias -skoro všude, pokud . Já osobně pro stručnost používám značení .
Příklad. Mějme na míru . Potom skoro všechna přirozená čísla jsou sudá.
Definice. Míra se nazývá úplná, pokud
Věta (o zúplnění měr). Nechť
Potom
je σ-algebra na
a
je úplná míra na
. Navíc je to jediná míra na
, která se shoduje s
na množinách z
.
Důkaz (základní myšlenka). Nejprve dokážeme, že je σ-algebra. Dokázat uzavřenost na spočetném sjednocení je triviální. Důkaz uzavřenosti na doplňku už je nutné si trochu víc rozmyslet. Ohledně musíme nejprve dokázat, že je korektně definovaná, tedy pokud napíšeme množinu jako dvěma různými způsoby, vyjde nám pořád stejný výsledek. K tomu stačí řetězec nerovností:
a vopáčně. Dokázat, že splňuje vlastnosti míry a je úplná, už je celkem jednoduché.
Definice. se nazývá zúplněním míry .
Definice. Nechť
je neprázdná množina. Zobrazení
se nazývá
vnější míra, pokud splňuje vlastnosti:
Poznámka. Vnější míra na rozdíl od normální míry umí měřit všechny podmnožiny !
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
. Definujme zobrazení
jako
Potom
je vnější míra na
.
Důkaz (základní myšlenka). První dvě vlastnosti jsou triviální. Třetí vlastnost není triviální.
Definice. Nechť
je vnější míra na
. Množina
se nazývá
-měřitelná, pokud
.
Poznámka. Díky subaditivitě stačí ověřit .
Věta (Carathéodory). Nechť je vnější míra na a . Potom je σ-algebra na a je úplná míra.
Definice. Nechť
je algebra na
. Zobrazení
se nazývá
pramíra, pokud
Poznámka. U pramíry stejně jako u míry definujeme konečnost a σ-konečnost.
Věta. Pramíra je aditivní:
Důkaz. Triviální.
Věta. Pramíra je monotónní:
Důkaz. Triviální.
Věta. Nechť
je pramíra na algebře
. Definujme zobrazení
jako
Potom
je vnější míra na
.
Důkaz. Speciální případ dřívější věty.
Lemma. Nechť je
pramíra na algebře
a
vnější míra podle předchozí věty. Potom
.
Důkaz (základní myšlenka). Nechť . Důkaz, že , je triviální. Dokažme vopáčnou nerovnost. Nechť je libovolná posloupnost množin z , jejíž sjednocení je nadmnožinou . Nechť je její zdisjunktnění a zároveň průnik s . Když tuhle posloupnost dosadíme do nějakých definic, vyjde z toho to, co chceme.
Lemma. Nechť je
pramíra na algebře
a
vnější míra podle předchozí věty. Potom každá množina z algebry je
-měřitelná, tedy
.
Důkaz (základní myšlenka). Nechť . Chceme dokázat, že . Jde to.
Věta (❕). Nechť
je pramíra na algebře
,
její odpovídající vnější míra a
. Potom
- Množinová funkce je míra. Navíc
- Je-li míra na taková, že , potom . Navíc v případě, že , platí rovnost.
- Je-li pramíra σ-konečná, potom rovnost platí vždy, tedy je jednoznačná.
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 . Ve třetím se nějak pracuje s disjunktními množinami.
Poznámka. Je-li σ-konečná míra, potom je zúplnění .
Poznámka. Ve třetím tvrzení lze předpoklad σ-konečnosti nahradit předpokladem σ-konečnosti .
Borelovské míry na
Definice. Mějme topologický prostor . Jakákoli míra definovaná na se nazývá borelovská.
Motivace:
Nechť je borelovská míra na taková, že .
Potom můžeme zavést funkci .
Z monotonie míry plyne, že je neklesající.
Z horní spojitosti míry plyne, že je spojitá zprava.
Z aditivity míry plyne, že .
Z dolní spojitosti míry také odvodíme, že .
A tak podobně.
Vlastně je to něco jako základní věta integrálního počtu.
Šlo by to i obráceně, že bychom z funkce zprava spojité a neklesající odvodili míru splňující ?
Definice. Systém se nazývá p-intervaly.
Věta. Systém p-intervalů je elementární systém, tedy je algebra.
Lemma. Nechť
je zprava spojitá a neklesající. Nechť
. Definujme funkci
takto:
- pro všechny ostatní prvky funkci rozšíříme aditivně
Potom
je dobře definovaná pramíra.
Důkaz. Štampachovi se do toho nechtělo, protože je to příliš otravný a rozvětvený důkaz. Na zkoušce ho chtít nebude.
Věta. Nechť
je zprava spojitá a neklesající. Potom existuje právě jedna borelovská míra
na
taková, že
. Speciálně
.
Důkaz (základní myšlenka). Z lemmatu a vykřičníkové věty plyne, že nějaká míra existuje. Musíme ukázat, že má správný definiční obor, tedy . To není těžké. Jednoznačnost také vyplyne z vykřičníkové věty s tím, že budeme uvažovat intervaly tvaru .
Věta. Nechť
jsou zprava spojité a neklesající. Potom
právě tehdy, pokud
je konstantní funkce.
Důkaz. Zřejmě obě funkce určují tutéž pramíru, tedy i míru.
Pro každá je , tedy . Z toho už to zřejmě plyne.
Věta (téměř-charakterizace borelovských měr na ). Nechť
je borelovská míra na
taková, že míra každé omezené borelovské množiny je konečná. Potom funkce definovaná jako
je
, neklesající, zprava spojitá a platí
.
Důkaz (základní myšlenka). Reálnost funkce plyne z toho, že intervaly v definici jsou omezené. Monotonie funkce plyne z monotonie míry. Spojitost zprava plyne ze spojitosti míry a Heineovy věty. Pro poslední tvrzení stačí ukázat, že na , a díky aditivitě to vlastně stačí na . Tam už víme přesně, jak je obojí definované, takže to snadno vymlátíme.
Poznámka. Věta určuje téměř jednoznačný vztah mezi množinou neklesajících, zprava spojitých funkcí a množinou borelovských měr na , které omezené množiny měří konečně.
Lebesgueovy-Stieltjesovy míry
Definice. Nechť je neklesající a zprava spojitá. Potom zúplnění se nazývá Lebesgueova-Stieltjesova míra na asociovaná s . a odpovídající zúplněnou σ-algebru značíme . Je-li konkrétně , potom se míra nazývá Lebesgueova míra na a σ-algebra se nazývá σ-algebra Lebesgueovsky měřitelných množin.
Poznámka. Nechť je Lebesgue-Stieltjesova míra na . Potom
Lemma. Nechť
je Lebesgueova-Stieltjesova míra na
. Potom
Důkaz (základní myšlenka). Definujeme
Následně s tím budeme dělat psí kusy.
Věta. Nechť
je Lebesgue-Stieltjesova míra na
. Potom platí
vnější regularita:
Důkaz (základní myšlenka). je otevřená, tedy borelovská. Tudíž zřejmě . Mějme , potom podle druhého tvrzení předchozího lemmatu nějak najdeme otevřenou nadmnožinu , jejíž míra je menší než .
Věta. Nechť
je Lebesgue-Stieltjesova míra na
. Potom platí
vnitřní regularita:
Důkaz (základní myšlenka). Zřejmě
. Rozlišíme případy:
- Je-li omezené a uzavřené, potom je kompaktní, tedy tvrzení zřejmě platí.
- Je-li omezené a neuzavřené, zvolíme a nějak použijeme první tvrzení lemmatu k nalezení otevřené množiny takové, že . Zvolíme . Pomocí množinových operací odvodíme, že je to, co chceme.
- Je-li neomezená, nakrájíme ji na množiny . Ty jsou omezené, takže na ně můžeme aplikovat to, co jsme již dokázali, a tím pro každou najít vhodnou , což nám sjednocením dá vhodné .
Důsledek. Lebesgueova-Stieltjesova míra je regulární.
Věta. Nechť
je Lebesgue-Stieltjesova míra na
a
. Potom následující tvrzení jsou ekvivalentní:
Důkaz (základní myšlenka). - Zřejmě druhé a třetí tvrzení implikuje první, protože sjednocení nebo rozdíl dvou měřitelných množin jsou měřitelné.
- Dokažme, že první tvrzení implikuje druhé. Je-li , potom z regularity víme, že . Tedy pro každé dokážeme najít kompaktní množinu , která bude mít míru větší než . Nechť je sjednocení všech těchto množin, potom zjevně a zlimitěním snadno ukážame, že . Poté stačí vzít . A co když ? Opět si rozkrájíme podle celých čísel, čímž dostaneme množiny omezené, tedy s konečnou mírou. Na ně aplikujeme to, co jsme zjistili, všechno nasjednotíme a máme vyhráno.
- Pro důkaz, že první bod implikuje třetí, stačí zdoplňkovat již dokázané tvrzení, že první bod implikuje druhý.
Definice. Symetrický rozdíl množin:
Věta. Nechť
je Lebesgue-Stieltjesova míra na
a
je množina konečné míry. Potom
Důkaz (základní myšlenka). Z regularity najdeme otevřenou nadmnožinu a kompaktní podmnožinu takové, že . Jelikož je otevřená, můžeme ji napsat jako sjednocení otevřených intervalů. Tyto intervaly jsou pokrytí , takže mezi nimi najdeme konečné podpokrytí. Nechť je sjednocení vybraných intervalů. Potom
Poznámka. Připomeňme si, že míra intervalu v Lebesgue-Stieltjesově míře se určuje podle rozdílu hodnot v krajních bodech, kde se občas musí použít limity. Ovšem je-li 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
, kde
je systém množin měřitelných Lebesgueovou mírou. Potom
a
, kde speciálné bereme
.
Důkaz (základní myšlenka). Pro zřejmé. Ukážeme, že systém borelovských množin je uzavřený na translaci a škálování. K tomu využijeme toho, že je na nich uzavřený systém otevřených intervalů, a tuto skutečnost nasigmaalgebříme. Následně definujeme funkce . Snadno dokážeme, že jsou to míry. Zřejmě pro intervaly je a , podle nějaké věty to rozšíříme na celé . Teď když máme nějakou obecnou množinu , tak si ji podle věty rozložíme na , kde je borelovská a nulově měrová. bude podmnožina nějaké borelovské množiny nulové míry, takže i v posunuté míře bude nulovitě měřená. Z toho už to všechno nějak vypadne.
Věta. Lebesgueova míra je až na násobení konstantou jediná Lebesgueova-Stieltjesova míra invariantní vůči translaci.
Důkaz. Ne.
Věta. Existuje lebesgueovsky neměřitelná množina.
Poznámka. Mějme funkci . Potom je Diracova δ-míra, která umí měřit všechny množiny.
Příklad (Cantorovo diskontinuum). Mějme množinu
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.
Podívejme se na zápisy čísel z
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
, 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:
- Je kompaktní (vytvořili jsme ji odebíráním otevřených množin z kompaktní množiny).
- Je řídká.
- Je totálně nesouvislá.
- Je perfektní (každý bod je hromadný).
Pokud dodefinujeme
na celé
tak, že ve zbylých bodech položíme konstantní hodnotu, dostaneme
Cantorovu funkci alias
ďáblovy schody. Tato funkce má zajímavé vlastnosti:
- Je surjektivní:
- Je neklesající:
- Je spojitá. (Důkaz: Jelikož je monotónní, v každém bodě má limitu z obou stran, a jelikož obrazem je interval, nemůže mít skok.)
- Na , tedy skoro všude, je diferencovatelná s nulovou derivací.
Malá exkurze do kardinality
Definice. Mějme dvě množiny
.
- Pokud existuje bijekce , potom mají stejnou kardinalitu, psáno .
- Pokud existuje injekce , potom má nižší nebo stejnou kardinalitu, psáno .
- Pokud , potom má nižší kardinalitu, psáno .
Definice. Definujeme
kardinální čísla reprezentující kardinality:
Věta.
Poznámka. K důkazu je potřeba axiom výběru.
Věta.
Věta (Cantor).
Důkaz. Existence injektivní funkce je zřejmá (každému prvku přiřadíme jednoprvkovou množinu). Nechť pro spor existuje bijekce . Definujme . Nechť . Z definice platí , což je spor.
Věta.
Důkaz. Řekl to Štampach.
Věta.
Důkaz. Jelikož , všechny podmnožiny Cantorovy množiny jsou měřitelné. Protože také , že počet měřitelných množin je alespoň . Jelikož to je množina reálných množin, máme i horní odhad.