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零测度、几乎处处,与一个不可测集

两个悄悄主宰整个学科的概念:零测集(小到可以忽略)与“几乎处处”这一说法。随后是震撼:借助选择公理,我们构造出一个根本无法被测量的维塔利集,证明不存在对每个子集都完美的测度。

你被允许忽略的集合

若对每个 ε > 0 都能用可数多个总长度小于 ε 的区间覆盖集合 N,则称 N 为 零测集。等价地,m*(N) = 0。这类集合在最强的意义下可忽略:由单调性,零测集的任何子集仍是零测集;由 可数可加性,可数个零测集之并仍是零测集。特别地,每个 [[countable-set|可数集]] 都是零测集——包括有理数集。

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.
几何级数技巧:用长度 ε/2^k 覆盖第 k 个点,使总长度为 ε。

由此我们能定义本学科最有用的一句话。若某性质不成立的点集为零测集,则称该性质 [[almost-everywhere|几乎处处]](a.e.)成立。“f = g 几乎处处成立”“f_n → f 几乎处处”“f 几乎处处连续”——在勒贝格理论中我们乐于丢弃零测集,因为它们从不影响积分。

一个无法被测量的集合

我们曾说勒贝格测度无法扩张到实数轴的 每一个 子集。下面给出证明,即 维塔利 构造。在 [0,1] 上定义 等价关系:x ~ y 当且仅当 x − y 为有理数。它把 [0,1] 划分成不可数多个类,每个类都是有理数的一个平移副本。借助 选择公理,从每个类中恰取一个代表元,所得集合记为 V。

现在用每个有理数 q ∈ [−1, 1] 平移 V,得到集合 V_q = V + q。两个事实让陷阱合拢。这些 V_q 两两不交(两个相差有理数的代表元会落入同一类,与每类只取其一矛盾)。且所有 V_q 之并夹在 [0,1] 与 [−1,2] 之间。勒贝格测度具有平移不变性,故所有 V_q 必有 相同 的测度 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
维塔利集:平移不变性加可数可加性,迫使 m(V) 取一个不可能的值。

维塔利集教给我们什么

请注意,这一构造本质上依赖 选择公理,以便一次性从不可数多个类中各取一个代表元。从未有人用明确公式给出过不可测集,事实上也不可能:与集合论其余公理相容的是“ℝ 的每个子集皆勒贝格可测”。不可测性是选择公理的产物。