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外测度

Outer measure

定义在所有子集上、取空集为零、单调且对可数并满足次可加不等式的集合函数。

条目类型
定义

形式陈述

集合 X 上的外测度是函数 μ:2X[0,],满足

μ()=0,ABμ(A)μ(B),

以及对任意可数集合列

μ(n=1An)n=1μ(An).

最后一条是对可数并的次可加性σ-次可加性),不是对两两不交可数并的可加性。集合 E 称 Carathéodory 可测,若对所有 AX

μ(A)=μ(AE)+μ(AE).

这些可测集构成 σ-代数,μ 在其上限制为完备测度。

直觉

覆盖构造先允许使用规则简单的集合包住目标,再取所有覆盖成本的下确界;因此它能给任意子集分配一个外部估计,而不预设该集合可测。次可加性反映分别覆盖各部分再合并总是可行,但这些覆盖可能重叠,所以通常只能得到不等式。Carathéodory 可测性要求集合像一把不会增加成本的刀,能把每个测试集的外测度精确分成内外两块。

例子与边界

Lebesgue 外测度由可数开区间覆盖长度的下确界定义。任意测度 μ 都能在其定义域外诱导覆盖型外测度,但外测度通常不对不交集合可加;不可测集合正是在可加分割上失败。外测度可以取 。仅有空集取零和 σ-次可加性并不能推出单调性,故单调性是这里独立列出的公理;某些教材从覆盖构造出发,使用可推出这些性质的等价定义。

R 中,区间 [a,b] 的 Lebesgue 外测度为 ba:自身给出上界,而任意开区间覆盖的总长度不能低于该长度。可数集外测度为零,因为可给第 n 个点套上长度总和任意小的区间。相反,Vitali 型集合虽有外测度,却不满足可测分割条件;“外测度有数值”不等于“已成为测度空间中的可测集合”。

推论与应用

测度只在 σ-代数上可数可加,外测度则先覆盖整个幂集,再筛选可测对象。这个过程产生 Lebesgue 测度,并为Lebesgue 积分提供定义域;在概率扩张与几何测度中,也常从半环或覆盖代价出发,把局部长度规则延伸为全局测量。

若覆盖成本按集合直径的幂次计价,同样的思路会产生 Hausdorff 测度,并据此比较曲线、曲面和分形在不同维数下的大小。

参考资料
  • Gerald B. Folland, Real Analysis, 2nd ed., Wiley, 1999,Ch. 1, outer measures and the Carathéodory construction。
  • Patrick Billingsley, Probability and Measure, 3rd ed., Wiley, 1995,Ch. 2, outer measure and extension of measures。
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