形式陈述
设 是可测空间。有符号测度是可数可加的集合函数
并约定它至多取到 、 中的一种。也就是说,不能同时找到 使 、。对两两不交的 ,可数可加性写成
右侧级数在上述约定下不会出现 。普通正测度公理库测度Measure在可测集合上取非负扩展实值、并对不交可数并保持可加性的函数。是从不取负值的特例;有符号测度却不再具有单调性,因为 时,新增部分可能带负质量。
若 对每个 都成立,称 为有限有符号测度。这里“有限”比只要求 是有限实数更强:若允许未定义的无穷抵消,单看总质量根本不能控制正、负两边。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 为 -有限测度,本库称 为 -有限有符号测度;这等价于其正、负变差都 -有限,不应把“ 看起来有限”误当成这一条件。
若存在正测度 与可积实函数 使
那么 是有限有符号测度;更一般地,在每个 可积的局部片上可得到 -有限版本。可数可加性来自积分对不交指标函数和的可加性,而不是来自正负数的形式相消。
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。 是集合 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 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 的 Borel 集上令
这是有限有符号测度。区间 的值为
而 的值为 。全空间的净值是 ,但测度并非零:前后两段已经给出非零证据。点质量差 是更离散的例子;它对含 不含 的集合取 ,对含 不含 的集合取 。
任意两个正测度之差并不自动有定义。若 ,表达式 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 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 ,但 内含正负质量;上例的整个 就如此。真正用于分解唯一性的 -零集要求每个可测子集 都满足 ,等价地 。
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 ,使
由此定义的总变差 恢复被净额隐藏的全部质量,并给出积分估计
有限有符号测度形成向量空间;概率测度 的差 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 且满足合适的 -有限条件,Radon–Nikodym 定理还把它写成实密度 ,正负分解随之对应密度的正部与负部。
参考资料
- Gerald B. Folland, Real Analysis: Modern Techniques and Their Applications, 2nd ed., Wiley, 1999, §3.1, signed measures and the Hahn decomposition.
- Sheldon Axler, Measure, Integration & Real Analysis, Springer, 2020, Ch. 10, signed measures and Radon–Nikodym derivatives.
- Terence Tao, 245B, Notes 1: Signed measures and the Radon–Nikodym–Lebesgue theorem, UCLA, 2009.