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定义Definition

有符号测度

施工中 · 内容逐步修订

Signed measure · 符号测度

允许正负质量但仍保持可数可加性的集合函数,其正负部分不能产生未定义的无穷抵消。

形式陈述 ​

设 (X,Σ) 是可测空间。有符号测度是可数可加的集合函数

ν:Σ⟶[−∞,∞],ν(∅)=0,

并约定它至多取到 +∞、−∞ 中的一种。也就是说,不能同时找到 A,B∈Σ 使 ν(A)=+∞、ν(B)=−∞。对两两不交的 An,可数可加性写成

ν(⨆n≥1An)=∑n≥1ν(An),

可数可加性要求右侧为有定义的扩展实数和;当并集的值有限时,级数绝对收敛。这里不接受正、负部分都发散的条件相消。普通正测度是从不取负值的特例;有符号测度却不再具有单调性,因为 A⊆B 时,新增部分可能带负质量。

若 ν(A)∈R 对每个 A∈Σ 都成立,称 ν 为有限有符号测度。在上述有符号测度约定内,这等价于 ν(X)∈R:若某个 ν(A) 为无穷,分割 X=A⊔(X∖A) 的另一项不能取相反无穷,因此总值也不可能有限。经 Jordan 分解可知,有限有符号测度恰好具有有限的总变差。若总变差测度 |ν| 为 σ-有限测度,本库称 ν 为 σ-有限有符号测度;这等价于其正、负变差都 σ-有限,不应把“ν(X) 看起来有限”误当成这一条件。

若存在正测度 μ 与可积实函数 f 使

ν(A)=∫Afdμ,

那么 ν 是有限有符号测度。更一般地,若 ∫f+dμ 与 ∫f−dμ 中至少一个有限,也得到本页允许的扩展实值有符号测度。对不交集合列,分别对 f+∑j≤n1Aj 和 f−∑j≤n1Aj 使用单调收敛定理,即可证明可数可加性;单侧有限性保证最后相减有定义。

只有局部可积还不够。例如 f(x)=x 在实线每个有界区间上都可积,但正、负部在全空间的积分都为无穷,不能由 A↦∫Axdx 定义本页意义下的全局有符号测度。若另有可数个 |f| 可积的可测片覆盖空间,并且保留前述单侧有限条件,才得到总变差为 σ-有限的版本。

直觉

正测度只能记录“有多少”,有符号测度还能记录带方向的净变化:收入减支出、电荷的正负、两个概率分布之差,都会出现局部为正、局部为负的质量。它仍然要求不交拼接时账目逐项相加,但“净额为零”不表示没有活动;一块区域内的正负贡献可能恰好抵消。

因此有符号测度需要两层信息。ν(A) 是集合 A 的净余额,后续的 Jordan 分解则把产生余额的正账与负账分别保留。只有后者才能回答总共流动了多少质量。把净余额的绝对值 |ν(A)| 当作“总活动量”会再次把内部抵消吞掉,通常也破坏可加性。

“至多一种无穷”是定义能运算的底线。若某处积累 +∞、另一处积累 −∞,它们的并集应取什么值没有一致答案,分拆次序还会改变级数结果。排除这种情形后,Hahn 分解可以把空间切成纯正与纯负两侧,所有后续结构才有确定含义。

例子与边界

在 [0,1] 的 Borel 集上令

ν(A)=∫A(2x−1)dx.

这是有限有符号测度。区间 [0,14] 的值为

∫01/4(2x−1)dx=[x2−x]01/4=−316,

而 [34,1] 的值为 3/16。全空间的净值是 0,但测度并非零:前后两段已经给出非零证据。在实线的 Borel 集上,点质量差 δ0−δ1 是更离散的例子;它对含 0 不含 1 的集合取 1,对含 1 不含 0 的集合取 −1。

任意两个正测度之差并不自动有定义。若 μ(A)=λ(A)=∞,表达式 μ(A)−λ(A) 是未定式;只有当至少一边在所有相关集合上有限,或先用共同密度 f−g 构造积分,才能得到合法的有符号测度。类似地,一个任意实值有限可加集合函数也不是有符号测度:缺少可数可加性时,它不能与集合列极限稳定配合。

有符号测度的“零集”也要谨慎。可能有 ν(A)=0,但 A 内含正负质量;上例的整个 [0,1] 就如此。真正用于分解唯一性的 ν-零集要求每个可测子集 B⊆A 都满足 ν(B)=0,等价地 |ν|(A)=0。

推论与应用

Hahn 分解定理把空间分成正集与负集;Jordan 分解进一步给出互相奇异的正测度 ν+,ν−,使

ν=ν+−ν−.

由此定义的总变差 |ν|=ν++ν− 恢复被净额隐藏的全部质量,并对 |ν|-可积的 f 给出积分估计

|∫fdν|≤∫|f|d|ν|.

有限有符号测度形成向量空间;概率测度 P,Q 的差 P−Q 就属于其中。统计检验中的总变差距离、函数分析中连续线性泛函的测度表示,以及分布导数中的正负源项,都建立在这一对象上。若 ν≪μ 且满足合适的 σ-有限条件,Radon–Nikodym 定理还把它写成实密度 dν/dμ,正负分解随之对应密度的正部与负部。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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