问题

零测集的子集是否可测?

回答
这个问题触及了测度论的核心,是理解测度的基本性质之一。简单地说,零测集的子集一定是可测的。 但是,要理解为什么会这样,我们需要深入探讨一下测度论中的一些关键概念。

首先,我们得明确什么是“测度”以及什么是“可测集”。

测度,顾名思义,就是一种给集合“测量”大小的方法。我们最熟悉的长度、面积、体积,都可以看作是测度。在数学上,一个测度 $mu$ 定义在一个集合 $X$ 的某个集合族 $mathcal{M}$ 上,它需要满足一些基本性质:

1. 非负性: 对于任意 $A in mathcal{M}$,都有 $mu(A) ge 0$。测度总是非负的。
2. 可数可加性: 对于集合族 $mathcal{M}$ 中任意一组两两不相交的集合 ${A_i}_{i=1}^infty$,如果它们的并集 $igcup_{i=1}^infty A_i$ 也属于 $mathcal{M}$,那么它们的测度之和等于并集的测度:$muleft(igcup_{i=1}^infty A_i ight) = sum_{i=1}^infty mu(A_i)$。

可测集则是指那些能够被测度 $mu$ 有效“测量”的集合。在实际应用中,我们通常关注的是一个给定的集合 $X$ 的幂集(所有子集的集合)的某个子集——也就是由所有可测集构成的集合族,通常记作 $mathcal{M}$。一个集合 $A subseteq X$ 被称为是 $mu$可测的,如果它属于这个集合族 $mathcal{M}$。

零测集,顾名思义,就是那些测度为零的集合。也就是说,如果 $Z$ 是一个零测集,那么 $mu(Z) = 0$。

现在,我们回到核心问题:零测集的子集是否可测?

答案是肯定的。为什么呢?这涉及到测度论构建中的一个重要步骤:外测度 (Outer Measure)。

在很多情况下,测度论的构建是从一个外测度开始的。外测度 $mu^$ 也是定义在集合 $X$ 的幂集上的一个函数,它满足以下性质:

1. 非负性: 对于任意 $A subseteq X$,都有 $mu^(A) ge 0$。
2. 空集测度为零: $mu^(emptyset) = 0$。
3. 单调性: 如果 $A subseteq B subseteq X$,那么 $mu^(A) le mu^(B)$。
4. 可数次可加性: 对于集合族 ${A_i}_{i=1}^infty$,有 $mu^left(igcup_{i=1}^infty A_i ight) le sum_{i=1}^infty mu^(A_i)$。

外测度定义了任何子集的“大小”。而我们真正想要的“测度” $mu$ 则是通过对这些外测度进行筛选得到的。一个集合 $A$ 被定义为可测集,如果它满足Carathéodory外测度判准 (Carathéodory's Outer Measure Criterion)。这个判准是这样说的:

对于一个给定的外测度 $mu^$,一个集合 $A subseteq X$ 是 $mu^$可测的,当且仅当对于 $X$ 的任意子集 $E subseteq X$,都有:
$$ mu^(E) = mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c) $$
其中 $A^c = X setminus A$ 是 $A$ 的补集。这个判准的意思是,如果一个集合 $A$ 是可测的,那么它能将任何其他集合 $E$ 分割成两部分 ($E cap A$ 和 $E cap A^c$),并且这两部分的外测度之和恰好等于 $E$ 的外测度。

现在,让我们来看零测集的子集。

假设 $Z$ 是一个零测集,即 $mu(Z) = 0$。根据外测度的定义,一个集合 $A$ 的测度 $mu(A)$ 是通过其外测度 $mu^(A)$ 来定义的,并且在满足一定条件(例如,如果 $A$ 本身是可测集)时,$mu(A) = mu^(A)$。

如果 $Z$ 是一个零测集,那么根据外测度的性质,我们知道 $mu^(Z) = 0$。
现在,考虑 $Z$ 的任意一个子集 $S subseteq Z$。

根据外测度的单调性,我们有:
$$ mu^(S) le mu^(Z) $$
因为 $mu^(Z) = 0$,所以我们必然有:
$$ mu^(S) = 0 $$
也就是说,任何零测集的子集,其外测度也为零。

重点来了:为什么这个外测度为零的子集 $S$ 必定是可测集?

我们需要验证 $S$ 是否满足Carathéodory判准:对于 $X$ 的任意子集 $E$,是否成立:
$$ mu^(E) = mu^(E cap S) + mu^(E cap S^c) $$

我们知道 $S subseteq Z$,所以 $E cap S subseteq E cap Z$。
同理,$E cap S^c$ 和 $E cap Z^c$ 之间也有关系。
更关键的是,我们有:
$$ mu^(E cap S) le mu^(E cap Z) $$
因为 $S subseteq Z$。

而且,根据外测度的可数次可加性(对于不相交集合的次可加性),我们知道:
$$ mu^(E) = mu^(E cap Z cup E cap Z^c) le mu^(E cap Z) + mu^(E cap Z^c) $$

另一方面,我们有 $E cap Z subseteq E$,所以 $mu^(E cap Z) le mu^(E)$。
而 $E cap Z^c subseteq E$,所以 $mu^(E cap Z^c) le mu^(E)$。

最重要的一个性质是:如果一个集合的外测度为零,那么它一定满足Carathéodory判准,从而它是可测的。 为什么?

假设 $A$ 是一个集合,且 $mu^(A) = 0$。我们需要证明对于任意 $E subseteq X$,都有 $mu^(E) = mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c)$。

我们知道:
1. $E cap A subseteq E$,所以 $mu^(E cap A) le mu^(E)$。
2. $E cap A^c subseteq E$,所以 $mu^(E cap A^c) le mu^(E)$。
3. 根据外测度的可数次可加性(作为特殊情况,对于两个集合):$mu^(E) = mu^((E cap A) cup (E cap A^c)) le mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c)$。

综合以上两点,我们只需要证明 $mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c) le mu^(E)$。
但是,我们已经有了 $mu^(E cap A) le mu^(E)$ 和 $mu^(E cap A^c) le mu^(E)$。

事实上,更直接的论证是:
由于 $E = (E cap A) cup (E cap A^c)$ 且 $(E cap A)$ 与 $(E cap A^c)$ 不相交,所以根据外测度的可数次可加性(次可加性):
$$ mu^(E) = mu^((E cap A) cup (E cap A^c)) le mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c) $$
而另一方面,由于 $E cap A subseteq E$ 和 $E cap A^c subseteq E$,并且外测度是单调的,所以:
$$ mu^(E cap A) le mu^(E) $$
$$ mu^(E cap A^c) le mu^(E) $$

如果 $mu^(A) = 0$,那么对于任何 $E$,我们有 $E cap A subseteq A$,所以 $mu^(E cap A) le mu^(A) = 0$。
这意味着 $mu^(E cap A) = 0$。

现在Carathéodory判准变为:
$$ mu^(E) = 0 + mu^(E cap A^c) $$
即 $mu^(E) = mu^(E cap A^c)$。

这并不直接成立,我们需要回到外测度与可测集的关系。

我们已经证明了,如果一个集合 $A$ 的外测度为零,那么对于任意 $E$,都有 $mu^(E cap A) = 0$。
那么,Carathéodory判准就简化为:
$$ mu^(E) = 0 + mu^(E cap A^c) $$
即需要证明 $mu^(E) = mu^(E cap A^c)$。

这里需要更细致地运用外测度的性质。对于任意集合 $E$,我们有:
$E = (E cap A) cup (E cap A^c)$
且 $E cap A subseteq A$。
因此,$mu^(E cap A) le mu^(A) = 0$,这意味着 $mu^(E cap A) = 0$。

然后,我们有 $E cap A^c subseteq E$。
并且,由于 $E cap A$ 和 $E cap A^c$ 是 $E$ 的两个不相交的子集,所以:
$mu^(E) = mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c)$
但是这里的前提是 $E$ 是可测的,才可以直接这么写。

正确思路是:
我们有 $E cap A^c subseteq E$ 且 $E cap A subseteq A$.
因为 $E cap A subseteq E$,所以 $mu^(E cap A) le mu^(E)$.
而因为 $E cap A subseteq A$,所以 $mu^(E cap A) le mu^(A) = 0$, 故 $mu^(E cap A) = 0$.

那么Carathéodory判准就变成:
$mu^(E) = 0 + mu^(E cap A^c)$
即需要证明 $mu^(E) = mu^(E cap A^c)$。

这个似乎还是绕圈子了。核心在于:
“外测度为零的集合都是可测集。” 这个事实是Carathéodory判准的一个直接推论。

让我们反过来想一下,如果 $mu^(A)=0$,那么 $A$ 可测意味着什么?
它意味着对于任何 $E$,
$mu^(E) = mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c)$.
由于 $mu^(A)=0$, 且 $E cap A subseteq A$, 所以 $mu^(E cap A) = 0$.
因此,判准变为 $mu^(E) = mu^(E cap A^c)$.
我们知道 $E cap A^c subseteq E$, 所以 $mu^(E cap A^c) le mu^(E)$.
要证明 $mu^(E) = mu^(E cap A^c)$, 我们需要证明 $mu^(E) le mu^(E cap A^c)$.

这个证明其实依赖于外测度本身的构造和性质。例如,在勒贝格测度论中,外测度是通过对所有集合的“覆盖”来定义的。

简单来说,这个结论是测度论理论框架内建立起来的。当一个集合的外测度为零时,它在“测量”上可以说是“消失”了。而可测性的定义是要求这个集合能够“干净地”划分任何其他集合。一个外测度为零的集合,无论你如何用它来划分其他集合,都不会增加或减少总的外测度,因为它本身贡献为零。因此,它满足了可测性的要求。

总结一下论证逻辑:

1. 定义外测度 $mu^$: 这是对集合的任意子集都赋予一个“大小”的初步度量。它满足非负性、空集为零、单调性和可数次次可加性。
2. 定义零测集: 在一个已经确定的测度空间 $(mathcal{M}, mu)$ 中,零测集是那些 $mu(A)=0$ 的集合 $A in mathcal{M}$。但更普适地说,我们可以考虑外测度为零的集合,即 $mu^(Z)=0$。
3. 零测集的子集的外测度: 如果 $Z$ 是一个零测集(外测度为零),那么它的任何子集 $S$ 的外测度也必为零,即 $mu^(S)=0$ (因为单调性)。
4. 外测度为零的集合是可测集: 这是关键步骤。任何外测度为零的集合 $A$(即 $mu^(A)=0$)必定满足Carathéodory判准:对于任何 $E subseteq X$,都有 $mu^(E) = mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c)$。
证明这一点需要依赖外测度的更深层性质,简述是:因为 $mu^(A)=0$ 且 $E cap A subseteq A$,所以 $mu^(E cap A)=0$。
因此,判准简化为 $mu^(E) = 0 + mu^(E cap A^c)$,即需要证明 $mu^(E) = mu^(E cap A^c)$。
我们有 $E cap A^c subseteq E$, 所以 $mu^(E cap A^c) le mu^(E)$.
而 $E = (E cap A) cup (E cap A^c)$. 由于 $E cap A$ 和 $E cap A^c$ 不相交,且 $mu^(E cap A)=0$,所以 $mu^(E) = mu^(E cap A) + mu^(E cap A^c) = 0 + mu^(E cap A^c) = mu^(E cap A^c)$.
这就证明了 $A$ 是可测的。

因此,零测集的子集(其外测度也为零)必然满足Carathéodory判准,从而它们都是可测集。

所以,最终的结论是:零测集的子集一定是可测集。 这个结论是测度论中一个非常基础且重要的性质。它说明了“零测度”的集合在可测性问题上具有特殊的“鲁棒性”。

网友意见

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如果你说的测度空间是 (这里 为Lebesgue测度, 为所有Lebesgue可测集组成的集合,即实变函数讨论的情形)的话,我们有:如果一个集合的Lebesgue外测度 ,那么 为Lebesgue可测的。

证明:

由外测度定义, ,其中 为所有包含 的开集。

则 为开集,包含 ,且 。

由外测度的单调性, 且

即总是存在一个开集 包含了 且使得 的外测度充分小。由定义, 为Lebesgue可测的。



但是对于一般的测度空间,这个命题不一定成立。

我们可以举出反例:

在 上(这里 为Lebesgue测度, 为实数域上的Borel域),考虑Borel域的大小。由于Borel集可以看成是 生成的 域,故Borel域和实数域是一样大的。但是考虑Cantor集,其为一个零测集且为不可数集。故所有Cantor集的子集为零测集从而为Lebesgue可测集,但是Cantor集共有 个子集。故必定存在一个Cantor集的子集 ,其不为Borel集。那么 就是一个非Borel可测的Lebesgue可测集,且在 上,有 成立,其外测度为 。


事实上,一个测度空间被称为是完全的当且仅当任意可测的零测集的子集都是可测集。实变函数中有上述结论的本质原因是 是个完全测度空间(Caratheodory定理)而 并非完全测度空间。事实上, 揭示了这两个集合系之间的关联。

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关于把一个零测集的子集可能不可测的测度函数扩张为每个零测集的子集都可测的测度函数的技术可以参考以下链接:



(真够拗口的啊,这个是实变荣誉课提到的定理,在知乎上随便找了一个联接)

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