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零測度、幾乎處處,與一個不可測集

兩個悄悄主宰整個學科的概念:零測集(小到可以忽略)與「幾乎處處」這一說法。隨後是震撼:藉助選擇公理,我們構造出一個根本無法被測量的維塔利集,證明不存在對每個子集都完美的測度。

你被允許忽略的集合

若對每個 ε > 0 都能用可數多個總長度小於 ε 的區間覆蓋集合 N,則稱 N 為 零測集。等價地,m*(N) = 0。這類集合在最強的意義下可忽略:由單調性,零測集的任何子集仍是零測集;由 可數可加性,可數個零測集之並仍是零測集。特別地,每個 [[countable-set|可數集]] 都是零測集——包括有理數集。

Theorem.  Every countable set N = {x_1, x_2, x_3, ...} has measure zero.

Fix epsilon > 0.  Cover the k-th point by a tiny interval around it:
      I_k = ( x_k - epsilon/2^(k+1) ,  x_k + epsilon/2^(k+1) ),
      length(I_k) = epsilon / 2^k.
Then N is contained in the union of the I_k, and the total length is
      sum_{k=1}^infinity  epsilon / 2^k  =  epsilon * (1/2 + 1/4 + 1/8 + ...) = epsilon.
Since epsilon > 0 was arbitrary,  m*(N) <= epsilon for all epsilon, so m*(N) = 0.   QED

Corollary.  The Dirichlet function from Guide 1 vanishes off the rationals,
  a measure-zero set, so it equals 0 'almost everywhere' — and its Lebesgue
  integral will be 0, exactly as intuition demanded.
幾何級數技巧:用長度 ε/2^k 覆蓋第 k 個點,使總長度為 ε。

由此我們能定義本學科最有用的一句話。若某性質不成立的點集為零測集,則稱該性質 [[almost-everywhere|幾乎處處]](a.e.)成立。「f = g 幾乎處處成立」「f_n → f 幾乎處處」「f 幾乎處處連續」——在勒貝格理論中我們樂於丟棄零測集,因為它們從不影響積分。

一個無法被測量的集合

我們曾說勒貝格測度無法擴張到實數軸的 每一個 子集。下面給出證明,即 維塔利 構造。在 [0,1] 上定義 等價關係:x ~ y 當且僅當 x − y 為有理數。它把 [0,1] 劃分成不可數多個類,每個類都是有理數的一個平移副本。藉助 選擇公理,從每個類中恰取一個代表元,所得集合記為 V。

現在用每個有理數 q ∈ [−1, 1] 平移 V,得到集合 V_q = V + q。兩個事實讓陷阱合攏。這些 V_q 兩兩不交(兩個相差有理數的代表元會落入同一類,與每類只取其一矛盾)。且所有 V_q 之並夾在 [0,1] 與 [−1,2] 之間。勒貝格測度具有平移不變性,故所有 V_q 必有 相同 的測度 m(V)。

Suppose, for contradiction, that V is measurable with m(V) = c.
Let q_1, q_2, q_3, ... enumerate the rationals in [-1, 1] (countably many).
Set V_n = V + q_n.  By translation-invariance, m(V_n) = c for every n.
The V_n are pairwise disjoint, and
      [0,1]  is a subset of  (union of all V_n)  is a subset of  [-1, 2].

Apply countable additivity to the disjoint union, then monotonicity:
      m([0,1]) <= sum_n m(V_n) <= m([-1,2])
            1   <=   sum_n c   <=   3.

But sum_n c is a sum of COUNTABLY many copies of the same constant c:
   * if c = 0 :  sum_n c = 0,  contradicting  1 <= sum_n c.
   * if c > 0 :  sum_n c = +infinity,  contradicting  sum_n c <= 3.

Either way a contradiction. Hence V is NOT measurable.            QED
維塔利集:平移不變性加可數可加性,迫使 m(V) 取一個不可能的值。

維塔利集教給我們什麼

請注意,這一構造本質上依賴 選擇公理,以便一次性從不可數多個類中各取一個代表元。從未有人用明確公式給出過不可測集,事實上也不可能:與集合論其餘公理相容的是「ℝ 的每個子集皆勒貝格可測」。不可測性是選擇公理的產物。