Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

9Teori Ukuran

Berapa panjang sebuah himpunan bagian R\R? Jawaban naifnya — yaitu memberi setiap himpunan sebuah panjang yang invarian terhadap translasi dan memperluas panjang selang — ternyata mustahil: konstruksi Vitali, pada akhir bab ini, menghasilkan himpunan yang tak punya panjang yang konsisten. Teori ukuran adalah kemunduran yang tertib: yakni membatasi perhatian pada kelas kaya berisi himpunan terukur, yang di atasnya panjang yang aditif secara terbilang memang ada dan tunggal. Ganjarannya luar biasa — integral Lebesgue (Bab 10), ruang LpL^p pada analisis fungsional, dan seluruh peluang modern (Bab 22) dibangun di atas ketiga teorema yang dibuktikan di sini: lema ketunggalan Dynkin, teorema perluasan Carathéodory, dan keberadaan ukuran Lebesgue.

9.1 Aljabar-σ\sigma

Definisi 9.1

Sebuah aljabar-σ\sigma pada himpunan XX adalah keluarga A\mathcal A berisi himpunan bagian yang memuat \varnothing, stabil terhadap komplemen dan terhadap gabungan terbilang (sehingga juga terhadap irisan terbilang, selisih himpunan, dan ia memuat XX). Pasangan (X,A)(X, \mathcal A) disebut ruang terukur; dan anggota A\mathcal A disebut himpunan terukur. Untuk sembarang keluarga E\mathcal E berisi himpunan bagian, σ(E)\sigma(\mathcal E) melambangkan aljabar-σ\sigma terkecil yang memuat E\mathcal E (yakni irisan semuanya — sebab irisan aljabar-σ\sigma tetap demikian).

Definisi 9.2

Aljabar-σ\sigma Borel sebuah ruang topologi adalah B(X)=σ({himpunan terbuka})\mathcal B(X) = \sigma(\{\text{himpunan terbuka}\}). Pada R\R: B(R)\mathcal B(\R) juga dibangkitkan oleh selang terbuka, oleh selang tertutup, oleh sinar (,a](-\infty, a], dan oleh sinar yang ujungnya rasional (Latihan 9.1) — sebab setiap keluarga itu membangkitkan himpunan terbukanya lewat operasi terbilang, misalnya setiap himpunan terbuka R\R berupa gabungan terbilang selang terbuka yang datanya rasional.

Definisi 9.3

Sebuah sistem-π\pi adalah keluarga yang stabil terhadap irisan berhingga. Sebuah sistem-λ\lambda (kelas Dynkin) adalah keluarga D\mathcal D dengan: XDX \in \mathcal D; A,BDA, B \in \mathcal D dan ABA \subseteq B \Rightarrow BADB \setminus A \in \mathcal D; serta AnAA_n \uparrow A dengan AnDA_n \in \mathcal D \Rightarrow ADA \in \mathcal D.

Teorema 9.4 (Lema π\piλ\lambda Dynkin)

Jika sebuah sistem-λ\lambda D\mathcal D memuat sistem-π\pi P\mathcal P, maka Dσ(P)\mathcal D \supseteq \sigma(\mathcal P).

Bukti. Misalkan D0\mathcal D_0 sistem-λ\lambda terkecil yang memuat P\mathcal P (yakni irisan semuanya); cukup ditunjukkan bahwa D0\mathcal D_0 merupakan aljabar-σ\sigma, sebab lalu σ(P)D0D\sigma(\mathcal P) \subseteq \mathcal D_0 \subseteq \mathcal D. Sistem-λ\lambda yang stabil terhadap irisan berhingga memang aljabar-σ\sigma: sebab komplemennya (XA=XAX \setminus A = X \setminus A dengan AXA \subseteq X), gabungan berhingganya (AB=X((XA)(XB))A \cup B = X \setminus ((X\setminus A)\cap(X\setminus B))), dan gabungan terbilangnya lewat knAkkAk\bigcup_{k \leq n}A_k \uparrow \bigcup_kA_k. Jadi kita buktikan bahwa D0\mathcal D_0 merupakan sistem-π\pi, dalam dua langkah. Misalkan

D1={AD0:APD0 PP}.\mathcal D_1 = \{A \in \mathcal D_0 : A \cap P \in \mathcal D_0 \ \forall P \in \mathcal P\}.

Keluarga D1\mathcal D_1 merupakan sistem-λ\lambda (ketiga aksiomanya diperiksa dengan mengiriskannya dengan PP: misalnya (BA)P=(BP)(AP)(B\setminus A)\cap P = (B \cap P)\setminus(A \cap P), yaitu selisih sejati di dalam D0\mathcal D_0) dan memuat P\mathcal P (karena sistem-π\pi): sehingga D1=D0\mathcal D_1 = \mathcal D_0. Sekarang misalkan

D2={AD0:ADD0 DD0}.\mathcal D_2 = \{A \in \mathcal D_0 : A \cap D \in \mathcal D_0\ \forall D \in \mathcal D_0\}.

Menurut langkah sebelumnya, D2P\mathcal D_2 \supseteq \mathcal P; dan D2\mathcal D_2 merupakan sistem-λ\lambda lewat pemeriksaan yang sama: jadi D2=D0\mathcal D_2 = \mathcal D_0, dan itu tepat mengatakan bahwa D0\mathcal D_0 stabil terhadap irisan.

9.2 Ukuran

Definisi 9.5

Sebuah ukuran pada (X,A)(X, \mathcal A) adalah pemetaan μ ⁣:A[0,+]\mu \colon \mathcal A \to [0, +\infty] dengan μ()=0\mu(\varnothing) = 0 yang bersifat aditif-σ\sigma: yakni untuk (An)nN(A_n)_{n\in\N} yang saling lepas berpasangan,

μ(nAn)=nμ(An).\mu\Bigl(\bigsqcup_n A_n\Bigr) = \sum_n \mu(A_n).

Tripel (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) disebut ruang ukuran; ukuran μ\mu disebut berhingga jika μ(X)<\mu(X) < \infty, sebuah ukuran peluang jika μ(X)=1\mu(X) = 1, dan berhingga-σ\sigma jika XX merupakan gabungan terbilang himpunan berukuran berhingga. Contohnya: ukuran cacah pada (N,P(N))(\N, \mathcal P(\N)); massa Dirac δa(A)=1aA\delta_a(A) = \mathbf 1_{a \in A}; dan, yang menjadi pokok bab ini, ukuran Lebesgue.

Proposisi 9.6

Misalkan μ\mu sebuah ukuran. (a) Kemonotonan: ABμ(A)μ(B)A \subseteq B \Rightarrow \mu(A) \leq \mu(B). (b) Subaditivitas terbilang: μ(An)μ(An)\mu(\bigcup A_n) \leq \sum\mu(A_n). (c) Kekontinuan dari bawah: AnAμ(An)μ(A)A_n \uparrow A \Rightarrow \mu(A_n) \to \mu(A). (d) Kekontinuan dari atas: AnAA_n \downarrow A dengan μ(A1)<\mu(A_1) < \infty μ(An)μ(A)\Rightarrow \mu(A_n) \to \mu(A).

Bukti. (a) B=A(BA)B = A \sqcup (B\setminus A). (b) Saling lepaskan: Bn=Ank<nAkB_n = A_n \setminus \bigcup_{k<n}A_k saling lepas dengan gabungan yang sama, dan μ(Bn)μ(An)\mu(B_n) \leq \mu(A_n). (c) A=n(AnAn1)A = \bigsqcup_n (A_n \setminus A_{n-1}) (dengan A0=A_0 = \varnothing): jumlah parsial μ(AnAn1)\sum\mu(A_n\setminus A_{n-1}) adalah μ(An)\mu(A_n). (d) Terapkan (c) pada A1AnA1AA_1 \setminus A_n \uparrow A_1 \setminus A lalu kurangkan dari μ(A1)\mu(A_1) — dan keberhinggaannya membuat pengurangannya sah. Contoh penyangkal tanpa itu: An=[n,)A_n = [n, \infty) untuk ukuran Lebesgue: AnA_n \downarrow \varnothing padahal μ(An)=\mu(A_n) = \infty.

Teorema 9.7 (Ketunggalan)

Misalkan μ,ν\mu, \nu ukuran pada σ(P)\sigma(\mathcal P), dengan P\mathcal P sebuah sistem-π\pi dan μ=ν\mu = \nu pada P\mathcal P. Jika ada himpunan PkPP_k \in \mathcal P dengan PkXP_k \uparrow X dan μ(Pk)<\mu(P_k) < \infty, maka μ=ν\mu = \nu pada seluruh σ(P)\sigma(\mathcal P).

Bukti. Tetapkan kk lalu tinjaulah ukuran berhingga μk(A)=μ(APk)\mu_k(A) = \mu(A \cap P_k) dan νk(A)=ν(APk)\nu_k(A) = \nu(A \cap P_k) pada σ(P)\sigma(\mathcal P): keduanya bersesuaian pada P\mathcal P, sebab PPkPP \cap P_k \in \mathcal P (karena sistem-π\pi), dan keduanya memberi XX nilai berhingga yang sama, yaitu μ(Pk)\mu(P_k). Kelas D={A:μk(A)=νk(A)}\mathcal D = \{A : \mu_k(A) = \nu_k(A)\} merupakan sistem-λ\lambda: sebab XDX \in \mathcal D; selisih sejatinya lewat pengurangan (karena nilainya berhingga); dan limit naiknya lewat kekontinuan dari bawah (Proposisi 9.6(c)). Ia memuat sistem-π\pi P\mathcal P, sehingga Dynkin (Teorema 9.4) memberikan Dσ(P)\mathcal D \supseteq \sigma(\mathcal P): jadi μk=νk\mu_k = \nu_k di mana-mana. Akhirnya, untuk sembarang Aσ(P)A \in \sigma(\mathcal P), kekontinuan dari bawah sepanjang APkAA \cap P_k \uparrow A memberikan μ(A)=limkμk(A)=limkνk(A)=ν(A)\mu(A) = \lim_k\mu_k(A) = \lim_k\nu_k(A) = \nu(A).

9.3 Ukuran luar dan teorema Carathéodory

Definisi 9.8

Sebuah ukuran luar pada XX adalah pemetaan μ ⁣:P(X)[0,]\mu^* \colon \mathcal P(X) \to [0, \infty] dengan μ()=0\mu^*(\varnothing) = 0, yang monoton dan subaditif secara terbilang. Sebuah himpunan AA disebut terukur-μ\mu^* (menurut Carathéodory) jika ia memecah setiap himpunan secara aditif:

μ(E)=μ(EA)+μ(EA)untuk setiap EX\mu^*(E) = \mu^*(E \cap A) + \mu^*(E \setminus A) \qquad \text{untuk setiap } E \subseteq X

(\leq selalu berlaku menurut subaditivitasnya; isinya adalah \geq).

Teorema 9.9 (Carathéodory)

Himpunan yang terukur-μ\mu^* membentuk aljabar-σ\sigma M\mathcal M, dan μM\mu^*\restriction_{\mathcal M} merupakan ukuran. Lebih lanjut setiap himpunan dengan μ(N)=0\mu^*(N) = 0 termasuk M\mathcal M (sehingga ukurannya lengkap).

Bukti. Keluarga M\mathcal M memuat \varnothing dan stabil terhadap komplemen (sebab syarat pendefinisinya simetris terhadap AA dan XAX\setminus A). Gabungan berhingga: misalkan A,BMA, B \in \mathcal M dan EE sembarang; dengan memecah EE oleh AA, lalu setiap kepingannya oleh BB:

μ(E)=μ(EAB)+μ(EAB)+μ(EBA)+μ(E(AB)).\mu^*(E) = \mu^*(E\cap A\cap B) + \mu^*(E\cap A\setminus B) + \mu^*(E\cap B\setminus A) + \mu^*(E\setminus(A\cup B)).

Ketiga kepingan pertamanya menyelimuti E(AB)E \cap (A \cup B), sehingga subaditivitasnya memberikan μ(E)μ(E(AB))+μ(E(AB))\mu^*(E) \geq \mu^*(E\cap(A\cup B)) + \mu^*(E\setminus(A\cup B)): jadi ABMA \cup B \in \mathcal M. Lewat induksi, gabungan berhingganya pun demikian; dan bersama komplemennya, manipulasi kesalinglepasan yang berhingga menjadi tersedia.

Keaditifan pada M\mathcal M: untuk A,BMA, B \in \mathcal M yang saling lepas dan EE apa pun: μ(E(AB))=μ(EA)+μ(EB)\mu^*(E\cap(A\sqcup B)) = \mu^*(E\cap A) + \mu^*(E \cap B) (dengan memecahnya oleh AA); lalu lewat induksi,

μ(EknAk)=knμ(EAk).()\mu^*\Bigl(E \cap \bigsqcup_{k\leq n}A_k\Bigr) = \sum_{k\leq n}\mu^*(E\cap A_k). \tag{$*$}

Gabungan terbilang: misalkan (Ak)M(A_k) \subseteq \mathcal M saling lepas (dan ini sudah cukup, lewat pelepasan di dalam aljabar M\mathcal M), A=AkA = \bigsqcup A_k, serta EE sembarang. Dengan memakai knAkM\bigsqcup_{k\leq n}A_k \in \mathcal M dan kemonotonannya:

μ(E)=μ(EknAk)+μ(EknAk)knμ(EAk)+μ(EA)\mu^*(E) = \mu^*\Bigl(E\cap\bigsqcup_{k\leq n}A_k\Bigr) + \mu^*\Bigl(E\setminus\bigsqcup_{k\leq n}A_k\Bigr) \geq \sum_{k \leq n}\mu^*(E\cap A_k) + \mu^*(E\setminus A)

menurut (*). Biarkan nn \to \infty lalu pakai subaditivitas terbilangnya secara terbalik:

μ(E)kμ(EAk)+μ(EA)μ(EA)+μ(EA)μ(E):\mu^*(E) \geq \sum_{k}\mu^*(E\cap A_k) + \mu^*(E\setminus A) \geq \mu^*(E \cap A) + \mu^*(E\setminus A) \geq \mu^*(E):

sehingga semua ketaksamaannya menjadi kesamaan. Ini membuktikan sekaligus AMA \in \mathcal M dan, dengan mengambil E=AE = A, keaditifan terbilang μ\mu^* pada M\mathcal M.

Himpunan nol: jika μ(N)=0\mu^*(N) = 0, maka untuk EE apa pun: μ(EN)+μ(EN)0+μ(E)\mu^*(E \cap N) + \mu^*(E\setminus N) \leq 0 + \mu^*(E): jadi NMN \in \mathcal M.

9.4 Ukuran Lebesgue pada R\R

Definisi 9.10

Ukuran luar Lebesgue dari ARA \subseteq \R adalah

λ(A)=inf{n(bnan):An(an,bn)}\lambda^*(A) = \inf\Bigl\{\sum_{n} (b_n - a_n) : A \subseteq \bigcup_n \intoo{a_n}{b_n}\Bigr\}

(dengan selimut terbilang oleh selang terbuka).

Lema 9.11

Fungsi λ\lambda^* merupakan ukuran luar yang invarian terhadap translasi, dan λ(I)=(I)\lambda^*(I) = \ell(I) (yakni panjangnya) untuk setiap selang II.

Bukti. Ukuran luarnya: \varnothing terselimuti oleh selang yang sekecil apa pun; kemonotonannya jelas; dan subaditivitasnya: diberikan selimut setiap AnA_n dalam ε2n\varepsilon 2^{-n} dari infimumnya, gabungannya menyelimuti An\bigcup A_n dengan panjang total λ(An)+ε\leq \sum \lambda^*(A_n) + \varepsilon. Keinvarianan translasinya: translasikan selimutnya.

Untuk panjangnya: cukup ditangani I=[a,b]I = \intcc ab (sebab jenis lainnya berbeda pada ujungnya, yang berukuran luar 00: selimuti dengan selang mungil; lalu himpitlah lewat perbandingan bertipe [a+ε,bε](a,b)\intcc{a+\varepsilon}{b - \varepsilon} \subseteq \intoo ab). Untuk λ([a,b])ba\lambda^*(\intcc ab) \leq b - a: selimuti dengan (aε,b+ε)\intoo{a-\varepsilon}{b+\varepsilon}. Sebaliknya misalkan [a,b]n(an,bn)\intcc ab \subseteq \bigcup_n\intoo{a_n}{b_n}: menurut kekompakannya (Borel–Lebesgue, Teorema 6.16), berhingga selang sudah cukup, sebutlah I1,,INI_1, \dots, I_N. Kita tunjukkan kN(bkak)ba\sum_{k\leq N}(b_k - a_k) \geq b - a lewat induksi pada NN: pilihlah Ik1aI_{k_1} \ni a; jika bk1>bb_{k_1} > b maka selesai (sebab bk1ak1>bab_{k_1} - a_{k_1} > b - a); jika tidak, ruas [bk1,b]\intcc{b_{k_1}}b terselimuti oleh N1N - 1 selang sisanya, dan induksinya memberikan kk1(bkak)bbk1\sum_{k \neq k_1}(b_k - a_k) \geq b - b_{k_1}, sedangkan bk1ak1>bk1ab_{k_1} - a_{k_1} > b_{k_1} - a: lalu jumlahkan.

Teorema 9.12 (Ukuran Lebesgue)

Setiap himpunan Borel di R\R bersifat terukur-λ\lambda^*. Pembatasan λ\lambda dari λ\lambda^* pada aljabar-σ\sigma L=MλB(R)\mathcal L = \mathcal M_{\lambda^*} \supseteq \mathcal B(\R) (yakni aljabar-σ\sigma Lebesgue) merupakan satu-satunya ukuran pada B(R)\mathcal B(\R) yang memberi setiap selang panjangnya; ia invarian terhadap translasi dan berhingga-σ\sigma.

Bukti. Menurut Teorema 9.9 cukup ditunjukkan bahwa setiap sinar A=(,c)A = \intoo{-\infty}c bersifat terukur-λ\lambda^* (sebab sinar membangkitkan B\mathcal B, Definisi 9.2). Misalkan ERE \subseteq \R dengan λ(E)<\lambda^*(E) < \infty dan InE\bigcup I_n \supseteq E sebuah selimut dengan (In)λ(E)+ε\sum\ell(I_n) \leq \lambda^*(E) + \varepsilon. Setiap InI_n terpecah menjadi dua selang In=InAI_n' = I_n \cap A dan In=InAI_n'' = I_n\setminus A (sebab selang dikurangi sinar tetap selang) dengan (In)+(In)=(In)\ell(I_n') + \ell(I_n'') = \ell(I_n); lalu InI_n' menyelimuti EAE \cap A dan InI_n'' menyelimuti EAE \setminus A (perbesarlah masing-masing menjadi selang terbuka berpanjang +ε2n\ell + \varepsilon2^{-n} agar tetap sesuai definisinya), sehingga

λ(EA)+λ(EA)n((In)+(In))+2ελ(E)+3ε.\lambda^*(E\cap A) + \lambda^*(E\setminus A) \leq \sum_n\bigl(\ell(I_n') + \ell(I_n'')\bigr) + 2\varepsilon \leq \lambda^*(E) + 3\varepsilon .

Ketunggalannya: dua ukuran yang bersesuaian dengan panjang pada sistem-π\pi berisi selang (a,b]\intoc ab (dan berhingga di sana) bersesuaian pada σ(selang)=B\sigma(\text{selang}) = \mathcal B menurut Teorema 9.7 dengan Pk=(k,k]P_k = \intoc{-k}k. Keberhinggaan-σ\sigma-nya: R=(k,k]\R = \bigcup(-k, k].

Teorema 9.13 (Keteraturan)

Untuk setiap ALA \in \mathcal L:

λ(A)=inf{λ(U):UA terbuka}=sup{λ(K):KA kompak}.\lambda(A) = \inf\{\lambda(U) : U \supseteq A \text{ terbuka}\} = \sup\{\lambda(K) : K \subseteq A \text{ kompak}\}.

Bukti. Sisi luarnya: selimut In\bigcup I_n dengan (In)λ(A)+ε\sum\ell(I_n) \leq \lambda(A) + \varepsilon merupakan himpunan terbuka UAU \supseteq A dengan λ(U)λ(A)+ε\lambda(U) \leq \lambda(A) + \varepsilon (lewat subaditivitasnya); dan jika λ(A)=\lambda(A) = \infty pernyataannya trivial. Sisi dalamnya: lebih dahulu misalkan AA terbatas, A[M,M]A \subseteq [-M, M]. Pilihlah sebuah U([M,M]A)U \supseteq ([-M,M]\setminus A) yang terbuka dengan λ(U)λ([M,M]A)+ε\lambda(U) \leq \lambda([-M,M]\setminus A) + \varepsilon; maka K=[M,M]UK = [-M, M]\setminus U bersifat kompak, KAK \subseteq A, dan

λ(K)=λ([M,M])λ([M,M]U)λ([M,M])(λ([M,M])λ(A)+ε)=λ(A)ε.\lambda(K) = \lambda([-M,M]) - \lambda([-M,M]\cap U) \geq \lambda([-M,M]) - \bigl(\lambda([-M,M]) - \lambda(A) + \varepsilon\bigr) = \lambda(A) - \varepsilon .

Untuk AA yang umum: λ(A)=limMλ(A[M,M])\lambda(A) = \lim_M\lambda(A\cap[-M,M]) (lewat kekontinuan dari bawah) lalu terapkan kasus terbatasnya di dalamnya.

Contoh 9.14

Himpunan Cantor (Latihan 6.10) mempunyai λ(C)=0\lambda(C) = 0: sebab CCnC \subseteq C_n, yaitu gabungan 2n2^n selang berpanjang 3n3^{-n}, sehingga λ(C)(2/3)n0\lambda(C) \leq (2/3)^n \to 0. Jadi ada himpunan nol yang tak terbilang — kardinalitas tak melihat ukuran. Sebaliknya, himpunan Cantor gemuk (Latihan 9.5) bersifat tak padat di mana pun tetapi berukuran positif: jadi topologi pun tak melihat ukuran. Soal akhir pekan mendorong permainan ini sampai kesimpulannya yang mencolok: bahwa ada himpunan terukur Lebesgue yang bukan himpunan Borel.

Teorema 9.15 (Vitali)

Tak ada ukuran pada seluruh himpunan bagian R\R yang invarian terhadap translasi dan memberi setiap selang panjangnya. Khususnya LP(R)\mathcal L \neq \mathcal P(\R): jadi himpunan tak terukur memang ada.

Bukti. Andaikan μ\mu salah satunya. Pada [0,1]\intcc01, tinjaulah relasi ekuivalensi xy    xyQx \sim y \iff x - y \in \Q; lalu lewat aksioma pilihan ambillah satu wakil di [0,1]\intcc01 per kelasnya: sebutlah himpunan VV. Untuk qQ[1,1]q \in \Q\cap\intcc{-1}1, translasi V+qV + q saling lepas berpasangan (sebab dua titik VV yang berselisih rasional akan ekuivalen padahal keduanya wakil yang berbeda) dan

[0,1]qQ[1,1](V+q)[1,2]:\intcc01 \subseteq \bigsqcup_{q \in \Q\cap\intcc{-1}1}(V + q) \subseteq \intcc{-1}2 :

dengan inklusi pertamanya karena setiap x[0,1]x \in \intcc01 berselisih dari wakilnya vv sebesar bilangan rasional q=xv[1,1]q = x - v \in \intcc{-1}1. Lalu kemonotonan dan keaditifan-σ\sigma-nya memberikan

1qμ(V+q)3,dengan μ(V+q)=μ(V) untuk setiap q.1 \leq \sum_{q}\mu(V + q) \leq 3, \qquad\text{dengan } \mu(V + q) = \mu(V) \text{ untuk setiap } q .

Jumlah tak berhingga atas konstanta μ(V)\mu(V) bernilai 00 atau \infty: sehingga kedua batasnya tak mungkin berlaku bersamaan. Jadi μ\mu semacam itu tak ada — dan VLV \notin \mathcal L, sebab λ\lambda pada L\mathcal L mempunyai semua sifat yang dipakai tadi.

Catatan 9.16

Di R3\R^3 kegagalannya lebih dramatis: paradoks Banach–Tarski menguraikan sebuah bola menjadi lima kepingan yang dirakit kembali, lewat rotasi dan translasi, menjadi dua bola berjari-jari sama — sehingga bahkan volume yang aditif berhingga dan invarian terhadap rotasi pada seluruh himpunan bagian R3\R^3 pun tak ada. Kepingannya, tentu saja, tidak terukur. Jadi keterukuran bukanlah kehati-hatian birokratis; ia adalah batas kekoherenan.

Metode 9.17

Asas himpunan baik: untuk membuktikan bahwa semua himpunan σ(E)\sigma(\mathcal E) mempunyai sebuah sifat, tunjukkan bahwa himpunan baiknya membentuk aljabar-σ\sigma (atau sistem-λ\lambda, bila sifatnya bersifat teori ukuran dan E\mathcal E merupakan sistem-π\pi — lalu pakai Dynkin) yang memuat E\mathcal E. Hampir setiap bukti pada bab ini dan bab berikutnya merupakan contohnya. Untuk membuktikan dua ukuran sama: periksalah keduanya pada sistem-π\pi pembangkitnya ditambah keberhinggaan-σ\sigma (Teorema 9.7). Untuk membangun sebuah ukuran: bangunlah ukuran luar lewat selimut lalu kutiplah Carathéodory.

9.5 Latihan

Latihan 9.1

(a) Tunjukkan bahwa {AX:A\{A \subseteq X : A atau XAX\setminus A bersifat terbilang}\} merupakan aljabar-σ\sigma: yakni yang dibangkitkan oleh himpunan tunggal. (b) Tunjukkan bahwa B(R)\mathcal B(\R) dibangkitkan oleh masing-masing berikut: selang terbuka; selang tertutup; sinar (,a]\intoc{-\infty}a; dan sinar dengan aQa \in \Q. (c) Apakah keluarga berisi gabungan berhingga selang yang saling lepas (a,b]\intoc ab merupakan aljabar-σ\sigma? Apakah ia aljabar (yakni stabil terhadap komplemen dan gabungan berhingga)?

Solusi

Solusi Latihan 9.1.

(a) Pengambilan komplemen menukar kedua kasus pendefinisinya. Gabungan terbilang himpunan terbilang tetap terbilang; dan jika salah satu anggotanya berkomplemen terbilang, maka gabungannya pun demikian: jadi kestabilannya berlaku. Ia memuat himpunan tunggal, dan setiap aljabar-σ\sigma yang memuatnya memuat semua himpunan terbilang (lewat gabungan terbilang) beserta komplemennya: jadi ia σ({himpunan tunggal})\sigma(\{\text{himpunan tunggal}\}).

(b) Tulis B=σ(himpunan terbuka)\mathcal B = \sigma(\text{himpunan terbuka}). Setiap himpunan bagian R\R yang terbuka merupakan gabungan terbilang selang terbuka berujung rasional (di sekitar setiap titik rasional himpunan terbukanya, ambil selang berjari-jari rasional di dalamnya), sehingga himpunan terbukanya σ(selang terbuka)σ(data rasional)\in \sigma(\text{selang terbuka}) \subseteq \sigma(\text{data rasional}). Peralihannya: (a,b)=n[a+1n,b1n]\intoo ab = \bigcup_n\intcc{a + \frac1n}{b - \frac1n}; [a,b]=n(a1n,b+1n)\intcc ab = \bigcap_n \intoo{a - \frac1n}{b + \frac1n}; (,a]=n(,a+1n)\intoc{-\infty}a = \bigcap_n \intoo{-\infty}{a + \frac1n} dan sebaliknya (a,b)=(,b)(,a]\intoo ab = \intoo{-\infty}b \setminus \intoc{-\infty}a; sedangkan untuk sinar rasional: (,a]=qQ,q>a(,q]\intoc{-\infty}a = \bigcap_{q \in \Q,\, q > a}\intoc{-\infty}q. Jadi setiap keluarganya membangkitkan yang lain lewat operasi terbilang: keempatnya membangkitkan B\mathcal B.

(c) Dengan ujung yang berhingga saja, keluarganya bahkan bukan aljabar: sebab komplemen (0,1]\intoc01 memuat sinar tak terbatas. Bila ujung tak berhingga diperbolehkan ((,b]\intoc{-\infty}b, (a,+)\intoo a{+\infty}) ia menjadi aljabar (sebab komplemen dan gabungan berhingga atas gabungan semacam itu tetap demikian), tetapi bukan aljabar-σ\sigma: sebab {0}=n(1n,0]\{0\} = \bigcap_n\intoc{-\frac1n}0 bukan gabungan berhingga selang tak degenerat.

Latihan 9.2

(a) Buktikan inklusi–eksklusi bagi ukuran berhingga: μ(AB)=μ(A)+μ(B)μ(AB)\mu(A\cup B) = \mu(A) + \mu(B) - \mu(A\cap B), beserta versi tiga himpunannya. (b) Berilah contoh yang menunjukkan bahwa kekontinuan dari atas (Proposisi 9.6(d)) gagal tanpa pengandaian keberhinggaannya. (c) Tunjukkan bahwa himpunan terbilang berukuran Lebesgue nol. Lalu simpulkan λ(Q)=0\lambda(\Q) = 0 dan λ([0,1]Q)=1\lambda(\intcc01\setminus\Q) = 1.

Solusi

Solusi Latihan 9.2.

(a) AB=A(B(AB))A \cup B = A \sqcup (B \setminus (A\cap B)), sehingga μ(AB)=μ(A)+μ(B)μ(AB)\mu(A\cup B) = \mu(A) + \mu(B) - \mu(A\cap B) (dan keberhinggaannya mengizinkan pengurangan itu). Untuk tiga himpunan: terapkan rumus dua himpunannya dua kali,

μ(ABC)=μ(A)μ(AB)+μ(ABC)\mu(A\cup B\cup C) = \sum\mu(A) - \sum\mu(A\cap B) + \mu(A\cap B\cap C)

(dengan jumlah atas himpunan indeks yang sudah jelas).

(b) Untuk ukuran Lebesgue, An=[n,+)A_n = [n, +\infty) \downarrow \varnothing, padahal λ(An)=↛0\lambda(A_n) = \infty \not\to 0.

(c) Sebuah titik terletak di selang berpanjang ε\varepsilon: sehingga λ({x})=0\lambda(\{x\}) = 0; lalu subaditivitas terbilangnya mematikan himpunan terbilang. Karena itu λ(Q[0,1])=0\lambda(\Q \cap \intcc01) = 0 dan, lewat keaditifannya, λ([0,1]Q)=1\lambda(\intcc01\setminus\Q) = 1: jadi bilangan irasionallah yang membawa seluruh panjangnya.

Latihan 9.3 ★★

Misalkan μ,ν\mu, \nu ukuran peluang pada B(R)\mathcal B(\R) dengan μ((,t])=ν((,t])\mu(\intoc{-\infty}t) = \nu(\intoc{-\infty}t) untuk setiap tRt \in \R. Tunjukkan μ=ν\mu = \nu. (Hal ini menjadikan fungsi distribusi F(t)=μ((,t])F(t) = \mu(\intoc{-\infty}t) sebuah invarian yang lengkap — yakni landasan Bab 22.)

Solusi

Solusi Latihan 9.3.

Sinar (,t]\intoc{-\infty}t membentuk sistem-π\pi (sebab irisan dua di antaranya adalah yang lebih kecil) yang membangkitkan B(R)\mathcal B(\R) (Latihan 9.1). Himpunan Pk=(,k]P_k = \intoc{-\infty}k naik menuju R\R dengan μ(Pk)1<\mu(P_k) \leq 1 < \infty: sehingga Teorema 9.7 berlaku, dan μ=ν\mu = \nu pada B(R)\mathcal B(\R). Dengan demikian fungsi distribusinya menentukan ukurannya.

Latihan 9.4 ★★

(Borel–Cantelli, versi ukuran) Misalkan (An)(A_n) terukur dengan nμ(An)<\sum_n\mu(A_n) < \infty, dan lim supAn=NnNAn\limsup A_n = \bigcap_N\bigcup_{n\geq N}A_n (yakni titik yang termasuk tak berhingga banyak AnA_n). Tunjukkan μ(lim supAn)=0\mu(\limsup A_n) = 0. Terapannya: untuk hampir setiap x[0,1]x \in \intcc01, hanya berhingga banyak nn yang memenuhi xp/qn4n\abs{x - p/q_n} \leq 4^{-n} bagi bilangan rasional ke-nn, yakni p/qnp/q_n, pada suatu pencacahan Q[0,1]\Q\cap\intcc01.

Solusi

Solusi Latihan 9.4.

Untuk setiap NN berlaku lim supAnnNAn\limsup A_n \subseteq \bigcup_{n \geq N}A_n, sehingga μ(lim supAn)nNμ(An)\mu(\limsup A_n) \leq \sum_{n\geq N}\mu(A_n), yakni ekor sebuah deret konvergen: lalu biarkan NN \to \infty. Terapannya: dengan An={x[0,1]:xrn4n}A_n = \{x \in \intcc01 : \abs{x - r_n} \leq 4^{-n}\} (dengan rnr_n bilangan rasional ke-nn), λ(An)24n\lambda(A_n) \leq 2\cdot4^{-n} dapat dijumlahkan: sehingga λ(lim supAn)=0\lambda(\limsup A_n) = 0, yakni hampir setiap xx termasuk hanya berhingga banyak AnA_n. (Padahal setiap xx merupakan limit bilangan rasional: intinya adalah kelajuan 4n4^{-n}-nya.)

Latihan 9.5 ★★

(Himpunan Cantor gemuk) Ulangi konstruksi Cantor pada [0,1]\intcc01, tetapi pada langkah nn buanglah dari masing-masing 2n12^{n-1} selangnya sebuah selang terbuka terpusat berpanjang 4n4^{-n} saja. Tunjukkan bahwa K=KnK = \bigcap K_n yang dihasilkan bersifat kompak, berinterior kosong (sebab tak ada selang yang bertahan), dan

λ(K)=1n12n14n=12:\lambda(K) = 1 - \sum_{n\geq1}2^{n-1}4^{-n} = \tfrac12 :

yakni himpunan tak padat di mana pun yang berukuran 12\frac12. Lalu simpulkan adanya himpunan bagian [0,1]\intcc01 yang kurus tetapi berukuran penuh 11, dan sebuah himpunan bagian terbuka yang padat dan berukuran <ε< \varepsilon.

Solusi

Solusi Latihan 9.5.

Himpunan K=KnK = \bigcap K_n merupakan irisan gabungan berhingga selang tertutup: jadi kompak. Pada tahap nn tersisa 2n2^n selang berpanjang sama n2n\ell_n \leq 2^{-n} (sebab setiap tahapnya membelah dan menyusutkan); dan selang IKI \subseteq K akan terletak di dalam satu selang tahap-nn untuk setiap nn, sehingga memaksa (I)=0\ell(I) = 0: jadi interiornya kosong. Ukuran yang dibuang adalah n12n14n=12n12n=12\sum_{n\geq1}2^{n-1}\cdot 4^{-n} = \frac12\sum_{n\geq1}2^{-n} = \frac12, dengan semua pembuangannya berupa selang terbuka yang saling lepas: jadi λ(K)=12\lambda(K) = \frac12.

Ragamnya: membuang selang tengah berpanjang ε4n\varepsilon 4^{-n} meninggalkan kompak tak padat di mana pun K(ε)K^{(\varepsilon)} yang berukuran 1ε21 - \frac\varepsilon2. Lalu mK(1/m)\bigcup_m K^{(1/m)} bersifat kurus (sebagai gabungan terbilang himpunan tak padat di mana pun) dan berukuran supm(112m)=1\geq \sup_m(1 - \frac1{2m}) = 1: jadi himpunan kurus yang berukuran penuh — sedangkan komplemennya di (0,1)\intoo01 merupakan GδG_\delta padat berukuran 00 (gemuk secara topologi, nol secara metrik). Komplemen K(ε)K^{(\varepsilon)} di (0,1)\intoo01 bersifat terbuka, padat, dan berukuran ε2<ε\frac\varepsilon2 < \varepsilon.

Latihan 9.6 ★★

Misalkan μ\mu sebuah ukuran pada B(R)\mathcal B(\R) yang invarian terhadap translasi, dengan c=μ((0,1])<c = \mu(\intoc01) < \infty. Tunjukkan μ=cλ\mu = c\,\lambda pada B(R)\mathcal B(\R). (Hitunglah μ\mu pada selang diadik dengan membagi (0,1]\intoc01 menjadi 2n2^n translasinya, lalu panggillah Teorema 9.7.)

Solusi

Solusi Latihan 9.6.

Dengan memotong (0,1]\intoc01 menjadi 2n2^n translasi (0,2n]\intoc0{2^{-n}}: c=2nμ((0,2n])c = 2^n\,\mu(\intoc0{2^{-n}}), sehingga μ((0,2n])=c2n=cλ((0,2n])\mu(\intoc0{2^{-n}}) = c\,2^{-n} = c\,\lambda(\intoc0{2^{-n}}). Lewat keinvarianan translasi dan keaditifannya, μ=cλ\mu = c\lambda pada setiap selang (a,b]\intoc ab yang bab - a-nya rasional diadik dan aa-nya apa pun; sedangkan (a,b]\intoc ab yang umum merupakan gabungan naik selang semacam itu (bkbb_k \uparrow b lewat langkah diadik dari aa), dan kekontinuan dari bawah memperluas kesamaannya. Selang (a,b]\intoc ab membentuk sistem-π\pi yang membangkitkan B(R)\mathcal B(\R), dengan (k,k]R\intoc{-k}k \uparrow \R yang berukuran berhingga (sebab μ((k,k])=2kc\mu(\intoc{-k}k) = 2kc): sehingga Teorema 9.7 memberikan μ=cλ\mu = c\lambda pada B(R)\mathcal B(\R).

Latihan 9.7 ★★

(Penghampiran) Misalkan ALA \in \mathcal L dengan λ(A)<\lambda(A) < \infty dan ε>0\varepsilon > 0. Tunjukkan bahwa ada gabungan berhingga selang BB dengan λ(AB)<ε\lambda(A\,\triangle\,B) < \varepsilon (dengan \triangle = selisih simetris). (Lewat keteraturannya: himpitlah KAUK \subseteq A \subseteq U lalu pakai struktur UU yang terbuka sebagai gabungan terbilang selang, ditambah kekompakan KK.)

Solusi

Solusi Latihan 9.7.

Menurut keteraturannya (Teorema 9.13) pilihlah KAUK \subseteq A \subseteq U dengan KK kompak, UU terbuka, dan λ(UK)<ε\lambda(U\setminus K) < \varepsilon (dengan kedua penghampirannya dalam ε/2\varepsilon/2, sebab λ(UK)=λ(UA)+λ(AK)\lambda(U \setminus K) = \lambda(U\setminus A) + \lambda(A \setminus K)). Tulis UU sebagai gabungan terbilang selang terbuka (In)(I_n) yang saling lepas (yakni komponen himpunan terbukanya); lalu KK yang kompak terselimuti oleh berhingga di antaranya, KB=I1INUK \subseteq B = I_1\cup\dots\cup I_N \subseteq U. Maka ABAKUKA \setminus B \subseteq A\setminus K \subseteq U\setminus K dan BAUAUKB \setminus A \subseteq U \setminus A \subseteq U\setminus K: sehingga λ(AB)2λ(UK)\lambda(A\,\triangle\,B) \leq 2\lambda(U\setminus K) — jadi mulailah dari ε/2\varepsilon/2 agar mendarat di bawah ε\varepsilon.

Latihan 9.8 ★★★

(Steinhaus) Misalkan ALA \in \mathcal L dengan λ(A)>0\lambda(A) > 0. Tunjukkan bahwa AA={xy:x,yA}A - A = \{x - y : x, y \in A\} memuat sebuah selang di sekitar 00. (Reduksikan ke λ(A)<\lambda(A) < \infty; lalu lewat keteraturan bergaya Latihan 9.7, carilah selang II dengan λ(AI)>34(I)\lambda(A \cap I) > \frac34\ell(I); maka untuk t<12(I)\abs t < \frac12\ell(I), himpunan AIA\cap I dan (AI)+t(A\cap I) + t keduanya duduk di selang berpanjang 32(I)\frac32\ell(I) dan berukuran total >32(I)> \frac32\ell(I): sehingga keduanya harus berpotongan.)

Solusi

Solusi Latihan 9.8.

Dengan mengganti AA oleh A[M,M]A \cap [-M, M] yang berukuran positif (dan suatu MM memang berhasil, menurut kekontinuan dari bawah), andaikan 0<λ(A)<0 < \lambda(A) < \infty. Ambil UAU \supseteq A yang terbuka dengan λ(U)<43λ(A)\lambda(U) < \frac43\lambda(A) lalu uraikan U=nInU = \bigsqcup_nI_n atas selang terbuka yang saling lepas: maka λ(A)=nλ(AIn)\lambda(A) = \sum_n\lambda(A\cap I_n). Seandainya setiap nn mempunyai λ(AIn)34(In)\lambda(A\cap I_n) \leq \frac34\ell(I_n), menjumlahkannya akan memberikan λ(A)34λ(U)<λ(A)\lambda(A) \leq \frac34\lambda(U) < \lambda(A): jadi ada selang II yang memenuhi λ(AI)>34(I)\lambda(A\cap I) > \frac34\ell(I). Tetapkan B=AIB = A \cap I lalu misalkan t<12(I)\abs t < \frac12\ell(I): maka BB dan B+tB + t keduanya terletak di selang I(I+t)I \cup (I + t) yang berpanjang <32(I)< \frac32\ell(I). Seandainya keduanya saling lepas: λ(B)+λ(B+t)=2λ(B)>32(I)\lambda(B) + \lambda(B + t) = 2\lambda(B) > \frac32\ell(I) akan melampaui ukuran selang pemuatnya — mustahil. Jadi B(B+t)B \cap (B + t) \neq \varnothing: sehingga suatu xBx \in B ditulis x=y+tx = y + t dengan yBy \in B, dan t=xyAAt = x - y \in A - A. Karena itu ((I)2,(I)2)AA\intoo{-\frac{\ell(I)}2}{\frac{\ell(I)}2} \subseteq A - A.

Latihan 9.9 ★★★

Tunjukkan bahwa setiap ALA \in \mathcal L dengan λ(A)>0\lambda(A) > 0 memuat himpunan bagian yang tak terukur. (Iriskan AA dengan translasi V+qV + q dari himpunan Vitali: sebab jika semua A(V+q)A \cap (V+q) terukur, masing-masing akan berukuran nol menurut argumen Teorema 9.15 — dan Steinhaus (Latihan 9.8) menolong: himpunan terukur berukuran positif di dalam V+qV + q akan membuat (V+q)(V+q)(V+q) - (V+q) \supseteq sebuah selang, dan itu bertentangan dengan kenyataan bahwa himpunan selisih itu memotong Q\Q hanya di 00; lalu simpulkan lewat subaditivitasnya.)

Solusi

Solusi Latihan 9.9.

Translasi Vitali (V+q)qQ(V + q)_{q\in\Q} mempartisi R\R (sebab setiap bilangan real ekuivalen dengan tepat satu wakilnya). Andaikan semua himpunan Bq=A(V+q)B_q = A \cap (V + q) terukur. Dua unsur V+qV + q mana pun berselisih bilangan irasional atau nol (sebab dua wakil yang berbeda tak ekuivalen), sehingga BqBqB_q - B_q memotong Q\Q hanya di {0}\{0\}: jadi ia tak memuat selang, dan Steinhaus (Latihan 9.8) memaksa λ(Bq)=0\lambda(B_q) = 0. Lalu λ(A)qλ(Bq)=0\lambda(A) \leq \sum_{q}\lambda(B_q) = 0, dan itu bertentangan dengan λ(A)>0\lambda(A) > 0. Jadi ada BqAB_q \subseteq A yang tak terukur.

Latihan 9.10 ★★

Tunjukkan bahwa ARA \subseteq \R dengan λ(A)<\lambda^*(A) < \infty bersifat terukur Lebesgue jika dan hanya jika untuk setiap ε>0\varepsilon > 0 ada UAU \supseteq A yang terbuka dengan λ(UA)<ε\lambda^*(U \setminus A) < \varepsilon, dan jika dan hanya jika ada himpunan GδG_\delta GAG \supseteq A dengan λ(GA)=0\lambda^*(G\setminus A) = 0. (Jadi himpunan Lebesgue merupakan himpunan Borel modulo himpunan nol.)

Solusi

Solusi Latihan 9.10.

Terukur \Rightarrow penghampiran-ε\varepsilon: lewat keteraturan luarnya (Teorema 9.13) ambillah UAU \supseteq A yang terbuka dengan λ(U)λ(A)+ε\lambda(U) \leq \lambda(A) + \varepsilon; lalu keterukurannya mengizinkan pengurangan λ(UA)=λ(U)λ(A)ε\lambda(U\setminus A) = \lambda(U) - \lambda(A) \leq \varepsilon. Versi-ε\varepsilon \Rightarrow versi-GδG_\delta: ambillah UnU_n dengan λ(UnA)<1n\lambda^*(U_n\setminus A) < \frac1n lalu G=UnG = \bigcap U_n: sebuah GδG_\delta dengan λ(GA)λ(UnA)0\lambda^*(G\setminus A) \leq \lambda^*(U_n\setminus A) \to 0. Versi-GδG_\delta \Rightarrow terukur: sebab GAG\setminus A berukuran-λ\lambda^* nol, sehingga terukur menurut kelengkapannya (Teorema 9.9), dan A=G(GA)A = G \setminus (G\setminus A) terukur (sebab GG bersifat Borel). Jadi himpunan Lebesgue tepat berupa “Borel modulo himpunan nol”.

Latihan 9.11 ★★

(Kekontinuan sepanjang limit monoton, dan ketajamannya) (a) Tunjukkan bahwa untuk himpunan terukur berlaku μ(lim infAn)lim infμ(An)\mu(\liminf A_n) \leq \liminf\mu(A_n) (yakni Fatou untuk himpunan), dan bahwa jika μ(An)<\mu\bigl(\bigcup A_n\bigr) < \infty, maka juga lim supμ(An)μ(lim supAn)\limsup\mu(A_n) \leq \mu(\limsup A_n). (b) Tampilkan, untuk ukuran Lebesgue pada R\R, sebuah barisan dengan μ(An)=1\mu(A_n) = 1 untuk setiap nn namun μ(lim supAn)=0\mu(\limsup A_n) = 0: jadi hipotesis keberhinggaan pada ketaksamaan kedua bukanlah hiasan. (c) Simpulkan: jika μ(An)<\sum\mu(A_n) < \infty maka μ(lim supAn)=0\mu(\limsup A_n) = 0 (Borel–Cantelli lagi), dan jika AnA_n naik atau turun (dengan μ(A1)<\mu(A_1) < \infty pada kasus turunnya), maka μ(limAn)=limμ(An)\mu(\lim A_n) = \lim\mu(A_n).

Solusi

Solusi Latihan 9.11.

(a) Himpunan lim infAn=NnNAn\liminf A_n = \bigcup_N\bigcap_{n\geq N}A_n merupakan gabungan naik himpunan BN=nNAnB_N = \bigcap_{n\geq N}A_n, sehingga μ(lim infAn)=limNμ(BN)\mu(\liminf A_n) = \lim_N\mu(B_N) (lewat kekontinuan dari bawah); dan μ(BN)infnNμ(An)\mu(B_N) \leq \inf_{n \geq N}\mu(A_n), yang limitnya lim infμ(An)\liminf\mu(A_n). Untuk lim sup\limsup-nya: terapkan hal yang sama pada komplemennya di dalam lingkungan berukuran berhingga U=AnU = \bigcup A_n — sebab kekontinuan dari atas pada CN=nNAnC_N = \bigcup_{n\geq N}A_n yang turun menuntut μ(C1)μ(U)<\mu(C_1) \leq \mu(U) < \infty, dan memberikan μ(lim supAn)=limμ(CN)lim supμ(An)\mu(\limsup A_n) = \lim\mu(C_N) \geq \limsup\mu(A_n).

(b) Selang berjalan An=[n,n+1]A_n = \intcc n{n+1}: setiap titiknya termasuk paling banyak dua AnA_n dan akhirnya tak termasuk satu pun, sehingga lim supAn=\limsup A_n = \varnothing; padahal μ(An)=1\mu(A_n) = 1. Jadi lim supμ(An)=1>0=μ(lim supAn)\limsup\mu(A_n) = 1 > 0 = \mu(\limsup A_n): tanpa selubung berukuran berhingga, ketaksamaan kedua pada (a) gagal — sebab massanya lolos ke tak hingga, tempat yang tak dapat ditangkap himpunan tetap mana pun.

(c) Jika μ(An)<\sum\mu(A_n) < \infty: maka μ(CN)nNμ(An)0\mu(C_N) \leq \sum_{n\geq N}\mu(A_n) \to 0 dan lim supAn=CN\limsup A_n = \bigcap C_N berukuran infμ(CN)=0\leq \inf\mu(C_N) = 0. Untuk kasus monotonnya: yang naik adalah kekontinuan dari bawah; sedangkan yang turun dengan μ(A1)<\mu(A_1) < \infty adalah kekontinuan dari atas — keduanya sudah dibuktikan pada sifat dasar Bab 9; dan contoh penyangkal An=[n,)A_n = \intco n\infty (yang turun ke \varnothing dengan μ\mu \equiv \infty) menunjukkan bahwa keberhinggaannya kembali menjadi hal yang mendasar.

Latihan 9.12 ★★★

(Teorema Egorov) Misalkan μ(X)<\mu(X) < \infty dan fnff_n \to f titik demi titik, dengan semuanya terukur (bernilai real). Untuk k,N1k, N \geq 1 tetapkan

Ek,N=nN{x:fn(x)f(x)1k}.E_{k,N} = \bigcap_{n \geq N}\Bigl\{x : \abs{f_n(x) - f(x)} \leq \tfrac1k\Bigr\} .

(a) Tunjukkan bahwa untuk kk yang tetap, Ek,NXE_{k,N} \nearrow X ketika NN \to \infty, lalu simpulkan adanya NkN_k dengan μ(XEk,Nk)ε2k\mu(X \setminus E_{k,N_k}) \leq \varepsilon2^{-k}. (b) Simpulkan teorema Egorov: bahwa untuk setiap ε>0\varepsilon > 0 ada AA yang terukur dengan μ(XA)ε\mu(X\setminus A) \leq \varepsilon sedemikian sehingga fnff_n \to f secara seragam pada AA — jadi kekonvergenan titik demi titik menjadi kekonvergenan seragam di luar himpunan yang sekecil apa pun. (c) Tunjukkan bahwa teoremanya gagal pada (R,λ)(\R, \lambda): gundukan berjalan fn=1[n,n+1]f_n = \mathbf 1_{\intcc n{n+1}} konvergen titik demi titik ke 00 tetapi tidak seragam pada komplemen himpunan berukuran berhingga mana pun. Di manakah (a) memakai μ(X)<\mu(X) < \infty?

Solusi

Solusi Latihan 9.12.

(a) Himpunan Ek,NE_{k,N} naik terhadap NN (sebab kendalanya berkurang), dan setiap xx akhirnya memenuhi fn(x)f(x)1k\abs{f_n(x) - f(x)} \leq \frac1k untuk setiap nN(x)n \geq N(x) (menurut kekonvergenan titik demi titiknya): jadi NEk,N=X\bigcup_NE_{k,N} = X. Lalu lewat kekontinuan dari bawah: μ(Ek,N)μ(X)<\mu(E_{k,N}) \to \mu(X) < \infty, sehingga μ(XEk,N)0\mu(X\setminus E_{k,N}) \to 0; lalu pilihlah NkN_k yang sesuai.

(b) Misalkan A=kEk,NkA = \bigcap_kE_{k,N_k}: maka μ(XA)kε2k=ε\mu(X\setminus A) \leq \sum_k\varepsilon2^{-k} = \varepsilon. Pada AA: untuk setiap kk, setiap nNkn \geq N_k memenuhi supAfnf1k\sup_A\abs{f_n - f} \leq \frac1k — dan itu tepat kekonvergenan seragam pada AA.

(c) Untuk gundukan berjalannya, kekonvergenan seragam pada AA menuntut AA akhirnya menghindari setiap [n,n+1]\intcc n{n+1} — lebih tepatnya supAfn<12\sup_A\abs{f_n} < \frac12 memaksa A[n,n+1]A \cap \intcc n{n+1} kosong untuk nn besar, sehingga XAX \setminus A memuat sebuah ekor nn0[n,n+1]\bigcup_{n\geq n_0}\intcc n{n+1} yang berukuran tak berhingga. Pada (a), keberhinggaannya mengubah “Ek,NXE_{k,N}\nearrow X” menjadi “ukuran komplemennya menuju 00”: sebab kekontinuan dari atas memerlukan awal yang berhingga, dan pada ruang berukuran tak berhingga pelolosan ke tak hingga persis merupakan hal yang tak dapat dilihatnya.

9.6 Soal: tangga Cantor–Vitali dan sebuah himpunan terukur yang bukan Borel

Tangga Cantor–Vitali: yang konstan pada setiap celah himpunan Cantor, namun mendaki dari 0 ke 1 secara kontinu. Turunannya lenyap hampir di mana-mana — jadi seluruh pendakiannya terjadi pada sebuah himpunan nol.
Tangga Cantor–Vitali: yang konstan pada setiap celah himpunan Cantor, namun mendaki dari 00 ke 11 secara kontinu. Turunannya lenyap hampir di mana-mana — jadi seluruh pendakiannya terjadi pada sebuah himpunan nol.

Soal 9.1

Soal akhir pekan — tangga setan, dan B(R)L\mathcal B(\R) \subsetneq \mathcal L

Kita bangun fungsi Cantor–Vitali (yakni tangga setan), memakainya untuk mengangkut ukuran secara patologis, lalu menutup dengan teorema yang tak diberikan oleh argumen lunak mana pun: bahwa ada himpunan terukur Lebesgue yang bukan Borel. Notasinya: CC adalah himpunan Cantor, CnC_n tahap ke-nn-nya (2n2^n selang berpanjang 3n3^{-n}), dan setiap xCx \in C berangka terner x=2bn3nx = \sum 2b_n3^{-n} dengan bn{0,1}b_n \in \{0,1\} (Latihan 6.10).

Bagian I — Tangganya. Definisikan c0(x)=xc_0(x) = x lalu cn+1c_{n+1} dari cnc_n lewat

cn+1(x)={12cn(3x)0x13,1213x23,12+12cn(3x2)23x1.c_{n+1}(x) = \begin{cases} \tfrac12\,c_n(3x) & 0 \leq x \leq \tfrac13,\\[2pt] \tfrac12 & \tfrac13 \leq x \leq \tfrac23,\\[2pt] \tfrac12 + \tfrac12\,c_n(3x - 2) & \tfrac23 \leq x \leq 1. \end{cases}
  1. Tunjukkan bahwa setiap cnc_n kontinu, tak turun, dengan cn(0)=0c_n(0) = 0, cn(1)=1c_n(1) = 1, dan bahwa cn+1cn12cncn1\norm{c_{n+1} - c_n}_\infty \leq \tfrac12\norm{c_n - c_{n-1}}_\infty.
  2. Simpulkan bahwa (cn)(c_n) konvergen seragam ke sebuah cc yang kontinu dan tak turun dengan c(0)=0c(0) = 0, c(1)=1c(1) = 1 (yakni fungsi Cantor–Vitali), yang memenuhi relasi serupa-diri yang sama seperti cn+1c_{n+1} di atas.
  3. Tunjukkan bahwa cc konstan pada setiap komponen terhubung [0,1]C\intcc01\setminus C, dan bahwa untuk x=n2bn3nCx = \sum_n 2b_n3^{-n} \in C berlaku c(x)=nbn2nc(x) = \sum_n b_n2^{-n}: jadi tangganya membaca angka Cantor dalam biner (yakni fungsi gg pada Soal 6.1, yang dibuat monoton dan global).
  4. Simpulkan bahwa cc dapat diturunkan, dengan c=0c' = 0, di setiap titik [0,1]C\intcc01\setminus C: sehingga c=0c' = 0 hampir di mana-mana terhadap λ\lambda (Contoh 9.14). Lalu simpulkan bahwa teorema fundamental kalkulus gagal bagi cc:

    c(1)c(0)=10=01c(t) ⁣dtc(1) - c(0) = 1 \neq 0 = \int_0^1 c'(t)\,\dd t

    (dengan integralnya atas himpunan berukuran penuh tempat c=0c' = 0; dan dengan mendahului Bab 10, himpunan nol tak memengaruhi integral). Hipotesis mana pada teorema fundamental C1\mathcal C^1 yang dilanggar?

  5. Tunjukkan bahwa c(C)=[0,1]c(C) = \intcc01: jadi himpunan nol CC terpetakan pada himpunan berukuran penuh.

Bagian II — Homeomorfisma yang bengkok. Misalkan h(x)=c(x)+x2h(x) = \frac{c(x) + x}{2}.

  1. Tunjukkan bahwa h ⁣:[0,1][0,1]h \colon \intcc01 \to \intcc01 merupakan homeomorfisma (yakni naik sejati, kontinu, dan surjektif).
  2. Tunjukkan bahwa λ(h([0,1]C))=12\lambda\bigl(h(\intcc01\setminus C)\bigr) = \tfrac12: sebab pada setiap celah berpanjang \ell, hh bekerja sebagai pemetaan afin berkemiringan 12\tfrac12, dan celahnya berpanjang total 11.
  3. Simpulkan λ(h(C))=12\lambda\bigl(h(C)\bigr) = \tfrac12: jadi peta homeomorfik sebuah himpunan nol dapat berukuran positif. (Di manakah hal ini bertentangan dengan gerak hati yang naif tentang “ukuran”?)

Bagian III — Sebuah himpunan terukur yang bukan Borel.

  1. Menurut Latihan 9.9, pilihlah Wh(C)W \subseteq h(C) yang tak terukur. Tunjukkan bahwa Z=h1(W)CZ = h^{-1}(W) \subseteq C bersifat terukur Lebesgue. (Sebab ia himpunan bagian sebuah himpunan nol; lihat kelengkapannya, Teorema 9.9.)
  2. Tunjukkan bahwa prapeta himpunan Borel di bawah pemetaan kontinu bersifat Borel. (Lewat asas himpunan baik: {B:h1(B)B}\{B : h^{-1}(B) \in \mathcal B\} merupakan aljabar-σ\sigma yang memuat himpunan terbukanya — perhatikan arah pemetaannya.)
  3. Simpulkan bahwa ZZ bukan Borel: sebab seandainya demikian, W=(h1)1(Z)W = (h^{-1})^{-1}(Z) akan menjadi Borel (terapkan pertanyaan 10 pada h1h^{-1} yang kontinu), sehingga terukur — kontradiksi. Karena itu

     B(R)L \boxed{\ \mathcal B(\R) \subsetneq \mathcal L\ }

    dan kelengkapan sungguh memperbesar dunia Borel.

  4. Tampilkan sebuah fungsi gg yang terukur Lebesgue dan sebuah fungsi kontinu φ\varphi sedemikian sehingga gφg \circ \varphi tak terukur Lebesgue: jadi keterukuran, tak seperti kekontinuan, tak terkomposisikan. (Ambil g=1Zg = \mathbf 1_Z dan φ=h1\varphi = h^{-1}, sambil mendahului definisi fungsi terukur pada Bab 10: bahwa prapeta himpunan Borel merupakan himpunan Lebesgue. Di manakah kita harus berhati-hati tentang aljabar-σ\sigma mana yang dipakai pada sasarannya?)

Bagian IV — Penutup.

  1. Urutkan kelas berikut menurut inklusi sejatinya lalu benarkan setiap kesejatiannya dengan contoh dari bab ini beserta soalnya: himpunan terbilang; himpunan nol Borel; himpunan nol Lebesgue; himpunan Borel; himpunan Lebesgue; dan himpunan sembarang.

Bagian V — Ukuran Cantor: massa pada sebuah himpunan nol. Tangga itu merupakan fungsi distribusi sebuah ukuran yang luar biasa, yang kini kita bangun dengan perkakas bab ini sendiri.

  1. (Lebesgue–Stieltjes, keberadaannya) Misalkan F ⁣:RRF\colon\R\to\R tak turun, kontinu, dan terbatas. Pada selang setengah terbuka definisikan ρ((a,b])=F(b)F(a)\rho\bigl(\intoc ab\bigr) = F(b) - F(a) lalu, untuk ARA \subseteq \R,

    μF(A)=inf{k(F(bk)F(ak)):Ak(ak,bk]}.\mu_F^*(A) = \inf\Bigl\{\sum_k\bigl(F(b_k) - F(a_k)\bigr) : A \subseteq \bigcup_k\intoc{a_k}{b_k}\Bigr\} .

    Tunjukkan bahwa μF\mu_F^* merupakan ukuran luar dan bahwa μF((a,b])=F(b)F(a)\mu_F^*\bigl(\intoc ab\bigr) = F(b) - F(a) (tirulah argumen kekompakan pada Teorema 9.12, dengan memperbesar setiap (ak,bk]\intoc{a_k}{b_k} menjadi selang terbuka berbiaya-FF ε2k\leq \varepsilon2^{-k} — di manakah kekontinuan FF dipakai?).

  2. Tunjukkan bahwa setiap himpunan Borel bersifat terukur-μF\mu_F^* dalam arti Carathéodory (seperti pada kasus Lebesgue, cukup diuji pada setengah garis; ikutilah bukti penerapan Teorema 9.9), sehingga μF=μF\mu_F = \mu_F^* yang dibatasi pada B(R)\mathcal B(\R) merupakan ukuran dengan μF((a,b])=F(b)F(a)\mu_F(\intoc ab) = F(b) - F(a): yakni ukuran Lebesgue–Stieltjes dari FF.
  3. Terapkan hal ini pada tangganya (yakni F=cF = c yang diperluas dengan 00 pada R\R_- dan 11 pada [1,)\intco1\infty): diperolehlah ukuran Cantor μ\mu. Tunjukkan μ(R)=1\mu(\R) = 1, bahwa setiap celah himpunan Cantor berukuran-μ\mu nol (sebab cc konstan di sana), lalu simpulkan

    μ(C)=1,λ(C)=0:\mu(C) = 1, \qquad \lambda(C) = 0 :

    jadi μ\mu dan λ\lambda hidup pada pembawa yang saling lepas (yakni CC dan komplemennya). Dua ukuran dalam kedudukan itu disebut saling singular, ditulis μλ\mu \perp \lambda.

  4. Tunjukkan bahwa μ\mu tak beratom: μ({x})=0\mu(\{x\}) = 0 untuk setiap xx (lewat kekontinuan cc). Jadi ada ukuran peluang tanpa atom yang dibawa sebuah kompak berukuran nol Lebesgue: bandingkan dengan ukuran yang sudah kita lihat sejauh ini.
  5. (Pelemparan koin yang menyamar) Untuk sebuah kata (ε1,,εm){0,1}m(\varepsilon_1, \dots, \varepsilon_m) \in \{0,1\}^m, misalkan CεC_{\varepsilon} himpunan xCx \in C yang angka ternernya memenuhi bi(x)=εib_i(x) = \varepsilon_i untuk imi \leq m (yakni salah satu dari 2m2^m kepingan Cantor berkedalaman mm). Tunjukkan μ(Cε)=2m\mu(C_\varepsilon) = 2^{-m} (sebab tangganya mendaki 2m2^{-m} sepanjang kepingan itu: pakailah Bagian I, pertanyaan 3). Jadi ukuran Cantor merupakan hukum sebuah barisan tak berhingga lemparan koin adil yang dibaca dalam terner — dan Bab 22 akan mengeksakkannya.
  6. Buktikan keserupaan dirinya: bahwa untuk setiap AA yang Borel,

    μ(A)=12μ(3A)+12μ(3A2),\mu(A) = \tfrac12\,\mu(3A) + \tfrac12\,\mu(3A - 2) ,

    dengan 3A2={3x2:xA}3A - 2 = \{3x - 2 : x \in A\} (periksalah pada selang pembangkitnya (a,b]\intoc ab lewat relasi serupa-diri cc, lalu panggillah ketunggalannya, Teorema 9.7).

  7. Tunjukkan bahwa pencerminan s(x)=1xs(x) = 1 - x mempertahankan μ\mu: yakni μ(s(A))=μ(A)\mu(s(A)) = \mu(A) (lewat c(1x)=1c(x)c(1 - x) = 1 - c(x), yang menyusul dari kesimetrian konstruksinya — buktikanlah).
  8. Hitunglah dua momen pertama μ\mu, yakni dari sebuah titik acak XX berhukum μ\mu (integralnya boleh digarap sebagai limit jumlah atas kepingan berkedalaman mm, sambil mendahului Bab 10): kesimetriannya memberikan x ⁣dμ=12\int x\,\dd\mu = \frac12, dan keserupaan dirinya memberikan

    x2 ⁣dμ=38,sehinggaVar(X)=18.\int x^2\,\dd\mu = \frac38, \qquad\text{sehingga}\qquad \operatorname{Var}(X) = \frac18 .

    Bandingkan dengan hukum seragam pada [0,1]\intcc01 (yang beragam 112\frac1{12}): jadi massa Cantor, yang terdorong ke tepinya, menyebar lebih lebar.

  9. Tunjukkan bahwa pendukung (secara topologi) dari μ\mu — yakni himpunan tertutup terkecil yang berukuran penuh — tepat berupa CC.
  10. (Sintesis) Tangga cc bersifat kontinu dan tak turun namun menggagalkan teorema fundamental kalkulus (Bagian I); sedangkan ukuran μc\mu_c merupakan peluang, tanpa atom, dan singular terhadap λ\lambda. Jelaskan dalam satu paragraf pendek bagaimana keduanya merupakan dua wajah satu gejala, lalu nyatakan pelajaran umumnya: bahwa fungsi tak turun bersesuaian dengan ukuran (FμFF \leftrightarrow \mu_F), keterdiferensialan hampir di mana-mana bersesuaian dengan “bagian kontinu mutlaknya”, dan cc merupakan saksi baku bahwa FF yang kontinu dapat tak membawa bagian kontinu mutlak sama sekali.
  11. (Modulus kekontinuan yang tajam) Misalkan s=ln2ln3s = \frac{\ln 2}{\ln 3}. Tunjukkan bahwa cc bersifat Hölder kontinu dengan eksponen ss:

    c(x)c(y)4xys(x,y[0,1]),\abs{c(x) - c(y)} \leq 4\,\abs{x - y}^{s} \qquad (x, y \in \intcc01),

    dan bahwa tak ada eksponen t>st > s yang berlaku, bahkan secara lokal. Lalu simpulkan bentuk teori ukurannya: bahwa untuk setiap xx dan setiap r(0,1]r \in \intoc01,

    μ([xr,x+r])8rs.\mu\bigl(\intcc{x - r}{x + r}\bigr) \leq 8\,r^{s} .

    (Bandingkan kisi triadik berkedalaman mm dengan skala xy\abs{x - y}; dan pertanyaan 18 memberikan pendakian sepanjang setiap kepingannya. Eksponen ss merupakan dimensi Hausdorff CC, sebagaimana akan dikatakan kuliah berikutnya.)

  12. (Keserupaan diri mencirikan μ\mu) Buktikan konvers pertanyaan 19: jika ν\nu sebuah ukuran peluang pada B(R)\mathcal B(\R) yang dibawa [0,1]\intcc01 dan memenuhi

    ν(A)=12ν(3A)+12ν(3A2)(AB(R)),\nu(A) = \tfrac12\,\nu(3A) + \tfrac12\,\nu(3A - 2) \qquad (A \in \mathcal B(\R)),

    maka ν=μ\nu = \mu. (Iterasikan relasinya mm kali untuk menyebarkan ν\nu atas 2m2^m kepingan Cantor berkedalaman mm, taksirlah ν((a,b])\nu(\intoc ab) terhadap cacahan kepingan di dalam (a,b]\intoc ab, lalu biarkan mm \to \infty; dan selesaikan dengan Teorema 9.7.)

Solusi

Solusi Soal 9.1.

1. Lewat induksi. Kekontinuannya: ketiga rumusnya bersesuaian di sambungannya (sebab 12cn(1)=12\frac12c_n(1) = \frac12 dan 12+12cn(0)=12\frac12 + \frac12c_n(0) = \frac12); dan setiap kepingannya kontinu. Kemonotonan dan nilai batasnya diwarisi. Untuk taksiran kontraksinya: pada [0,13][0,\frac13], cn+1cn(x)=12cncn1(3x)12cncn1\abs{c_{n+1} - c_n}(x) = \frac12\abs{c_n - c_{n-1}}(3x) \leq \frac12\norm{c_n - c_{n-1}}_\infty; pada sepertiga tengahnya selisihnya 00; dan pada sepertiga kanannya, sama seperti kirinya.

2. Berlaku cn+1cn2nc1c0\norm{c_{n+1} - c_n}_\infty \leq 2^{-n}\norm{c_1 - c_0}_\infty: sehingga deret pertambahannya konvergen seragam, jadi cncc_n \to c secara seragam; lalu cc bersifat kontinu, tak turun, dengan c(0)=0c(0) = 0, c(1)=1c(1) = 1 (semuanya terpelihara oleh limit seragam), dan mengambil limit pada rekursi pendefinisinya menunjukkan bahwa cc sendiri memenuhi ketiga identitas serupa-dirinya.

3. Menurut identitas tengahnya, c12c \equiv \frac12 pada [13,23]\intcc{\frac13}{\frac23}, yakni celah pertamanya. Setiap celah CC merupakan peta celah pertama itu di bawah komposisi kedua kontraksi afin xx3x \mapsto \frac x3 dan xx+23x\mapsto\frac{x + 2}3; dan identitasnya mengangkut kekonstanannya sejalan dengan itu (dengan nilainya berupa bilangan rasional diadik). Untuk rumus angkanya, ambillah x=n2bn3nCx = \sum_n 2b_n3^{-n} \in C: jika b1=0b_1 = 0 maka x[0,13]x \in [0,\frac13] dan c(x)=12c(3x)c(x) = \frac12c(3x) dengan 3x3x berangka (b2,b3,)(b_2, b_3, \dots); sedangkan jika b1=1b_1 = 1 maka x[23,1]x \in [\frac23, 1] dan c(x)=12+12c(3x2)c(x) = \frac12 + \frac12c(3x - 2), dengan pergeseran yang sama. Lewat induksi, NN angka biner pertama c(x)c(x) adalah b1,,bNb_1, \dots, b_N untuk setiap NN: jadi c(x)=nbn2nc(x) = \sum_nb_n2^{-n}.

4. Di luar CC, cc konstan secara lokal: sehingga dapat diturunkan dengan turunan 00. Dan karena λ(C)=0\lambda(C) = 0 (Contoh 9.14), maka c=0c' = 0 hampir di mana-mana. Namun c(1)c(0)=1c(1) - c(0) = 1: sebab teorema fundamental dalam bentuk C1\mathcal C^1-nya menuntut cc dapat diturunkan di mana-mana dengan turunan yang kontinu (atau setidaknya terintegralkan, ditambah kekontinuan mutlak — lihat Bab 10); padahal cc tak dapat diturunkan di titik CC, dan yang lebih mendasar, cc menggagalkan kekontinuan mutlak: sebab ia mendaki pada himpunan nol.

5. Diberikan y=nβn2n[0,1]y = \sum_n\beta_n2^{-n} \in \intcc01 (dengan βn{0,1}\beta_n \in \{0,1\}), titik x=n2βn3nCx = \sum_n2\beta_n3^{-n} \in C mempunyai c(x)=yc(x) = y menurut pertanyaan 3: jadi c(C)=[0,1]c(C) = \intcc01, yakni himpunan berukuran 11 — sehingga himpunan nol CC membawa, lewat cc, seluruh selangnya.

6. Fungsi hh kontinu dan naik sejati (sebab xx demikian dan cc tak turun); lalu h(0)=0h(0) = 0, h(1)=1h(1) = 1, sehingga menurut teorema nilai antara hh merupakan bijeksi kontinu pada [0,1]\intcc01; dan bijeksi kontinu dari ruang kompak ke ruang Hausdorff merupakan homeomorfisma (Akibat 6.14).

7. Pada sebuah celah (u,v)(u, v) (berpanjang \ell), cc konstan, sehingga hh bersifat afin berkemiringan 12\frac12: jadi h((u,v))h((u,v)) merupakan selang berpanjang 2\frac\ell2. Celahnya saling lepas dan hh injektif: sehingga petanya saling lepas, dengan ukuran total 12=12(1λ(C))=12\frac12\sum\ell = \frac12(1 - \lambda(C)) = \frac12.

8. Berlaku h([0,1])=[0,1]h(\intcc01) = \intcc01 dan h(C)h(C) bersifat kompak (sebagai peta kontinu), sehingga terukur, dengan

λ(h(C))=1λ(h([0,1]C))=112=12.\lambda\bigl(h(C)\bigr) = 1 - \lambda\bigl(h(\intcc01\setminus C)\bigr) = 1 - \tfrac12 = \tfrac12 .

Jadi sebuah homeomorfisma dapat menggembungkan himpunan nol menjadi berukuran 12\frac12: sehingga “ukuran topologi” (kategori, dimensi) dan “ukuran” diangkut homeomorfisma dengan cara yang sangat berbeda — hanya yang pertama yang merupakan invarian topologi.

9. Himpunan Z=h1(W)h1(h(C))=CZ = h^{-1}(W) \subseteq h^{-1}(h(C)) = C mempunyai λ(Z)λ(C)=0\lambda^*(Z) \leq \lambda(C) = 0: jadi himpunan nol, sehingga terukur Lebesgue menurut kelengkapannya (Teorema 9.9).

10. Misalkan φ\varphi kontinu dan D={B:φ1(B)B}\mathcal D = \{B : \varphi^{-1}(B) \in \mathcal B\}. Prapeta komutatif dengan komplemen dan gabungan terbilang, sehingga D\mathcal D merupakan aljabar-σ\sigma; dan ia memuat himpunan terbukanya (menurut kekontinuannya): jadi DB\mathcal D \supseteq \mathcal B — sehingga prapeta himpunan Borel di bawah pemetaan kontinu bersifat Borel.

11. Seandainya ZZ bersifat Borel, terapkan pertanyaan 10 pada φ=h1\varphi = h^{-1} yang kontinu: maka φ1(Z)=h(Z)=W\varphi^{-1}(Z) = h(Z) = W akan bersifat Borel, sehingga terukur Lebesgue — dan itu bertentangan dengan pemilihan WW. Jadi ZLBZ \in \mathcal L \setminus \mathcal B: sehingga aljabar-σ\sigma Lebesgue memuat milik Borel secara sejati.

12. Fungsi g=1Zg = \mathbf 1_Z terukur Lebesgue (sebab ZLZ \in \mathcal L) dan φ=h1\varphi = h^{-1} kontinu, tetapi (gφ)1({1})=φ1(Z)=W(g\circ\varphi)^{-1}(\{1\}) = \varphi^{-1}(Z) = W tidak terukur: jadi gφg \circ \varphi tak terukur Lebesgue. Kehati-hatian yang diperlukan: “fungsi terukur Lebesgue” berarti prapeta himpunan Borel mendarat di L\mathcal L; sedangkan mengomposisikannya menuntut prapeta himpunan Lebesgue tetap Lebesgue, dan itu tak diberikan kekontinuan (di sini φ1(Z)L\varphi^{-1}(Z) \notin \mathcal L walaupun φ\varphi sebuah homeomorfisma).

13. Rantainya, beserta saksi kesejatiannya:

{terbilang}{nol Borel}{nol Lebesgue}LP(R),{nol Borel}BL.\{\text{terbilang}\} \subsetneq \{\text{nol Borel}\} \subsetneq \{\text{nol Lebesgue}\} \subsetneq \mathcal L \subsetneq \mathcal P(\R), \qquad \{\text{nol Borel}\} \subsetneq \mathcal B \subsetneq \mathcal L .

Saksinya: CC bersifat Borel, nol, dan tak terbilang (untuk jurang pertama); ZZ bersifat nol Lebesgue tetapi bukan Borel (untuk jurang kedua dan, di dalam BL\mathcal B \subsetneq \mathcal L, jurang keenam); himpunan Cantor gemuk bersifat Borel, tak padat di mana pun, dan berukuran positif (yang memisahkan himpunan nol dari himpunan Borel); dan himpunan Vitali VV tak berada di L\mathcal L (untuk jurang terakhir). Jadi ukuran, topologi, dan kardinalitas mengiris P(R)\mathcal P(\R) menurut garis yang sungguh berbeda.

14. Untuk ukuran luarnya: μF()=0\mu_F^*(\varnothing) = 0 (selimuti dengan selang yang melenyap), kemonotonannya jelas, dan subaditivitas terbilangnya menyusul lewat penyambungan selimut yang optimal dalam ε2k\varepsilon2^{-k}, persis seperti untuk λ\lambda^*. Selimut satu selangnya memberikan μF((a,b])F(b)F(a)\mu_F^*(\intoc ab) \leq F(b) - F(a). Sebaliknya misalkan (a,b]k(ak,bk]\intoc ab \subseteq \bigcup_k\intoc{a_k}{b_k}. Menurut kekontinuan FF, ambillah bk>bkb_k' > b_k dengan F(bk)F(bk)+ε2kF(b_k') \leq F(b_k) + \varepsilon2^{-k}, dan a(a,b)a' \in \intoo ab dengan F(a)F(a)+εF(a') \leq F(a) + \varepsilon. Kompak [a,b]\intcc{a'}b terselimuti oleh (ak,bk)\intoo{a_k}{b_k'} yang terbuka: sehingga berhingga di antaranya sudah cukup, dan argumen perantaian pada Teorema 9.12 (yakni berjalan dari aa' ke bb melalui selang yang bertindih, sambil meneleskopkan pertambahan FF, dengan kemonotonannya menyerap tindihannya) melahirkan F(b)F(a)k(F(bk)F(ak))k(F(bk)F(ak))+εF(b) - F(a') \leq \sum_k(F(b_k') - F(a_k)) \leq \sum_k(F(b_k) - F(a_k)) + \varepsilon. Lalu biarkan ε0\varepsilon \to 0: diperoleh kesamaan. (Dan kekontinuan FF-lah yang mengizinkan pembukaan selangnya dengan biaya-FF sekecil apa pun.)

15. Cukup dibuktikan bahwa setiap setengah garis Ht=(,t]H_t = \intoc{-\infty}t terukur menurut Carathéodory, sebab himpunan terukurnya membentuk aljabar-σ\sigma (Teorema 9.9) dan setengah garis membangkitkan B\mathcal B. Diberikan AA dan sebuah selimut optimal dalam ε\varepsilon, sebut ((ak,bk])(\intoc{a_k}{b_k}), atas AA: maka setiap selangnya terpecah sebagai (ak,tbk](tak,bk]\intoc{a_k}{t\wedge b_k} \cup \intoc{t \vee a_k}{b_k} (dengan satu kepingannya mungkin kosong), dan biaya-FF-nya berjumlah tepat F(bk)F(ak)F(b_k) - F(a_k); lalu kepingan pertamanya menyelimuti AHtA \cap H_t, dan kepingan keduanya menyelimuti AHtA \setminus H_t. Karena itu μF(AHt)+μF(AHt)μF(A)+ε\mu_F^*(A\cap H_t) + \mu_F^*(A\setminus H_t) \leq \mu_F^*(A) + \varepsilon, sedangkan ketaksamaan sebaliknya adalah subaditivitasnya. Dengan membatasi ukuran yang dihasilkan pada B\mathcal B: diperolehlah ukuran Lebesgue–Stieltjes μF\mu_F.

16. Berlaku μ(R)=limn(F(n)F(n))=10=1\mu(\R) = \lim_n(F(n) - F(-n)) = 1 - 0 = 1 (lewat kekontinuan ukurannya sepanjang (n,n]\intoc{-n}n). Pada sebuah celah (u,v)\intoo uv dari CC, cc konstan, sehingga setiap subselang setengah terbukanya berukuran-μ\mu nol dan demikian pula celahnya (lewat gabungan terbilang); dan di luar [0,1]\intcc01, cc juga konstan. Karena itu μ(RC)=0\mu(\R\setminus C) = 0 dan μ(C)=1\mu(C) = 1, sedangkan λ(C)=0\lambda(C) = 0 (Contoh 9.14): jadi masing-masing dari μ,λ\mu, \lambda dibawa oleh himpunan yang oleh yang lain dinyatakan nol — yakni saling singular.

17. Berlaku μ({x})=limδ0μ((xδ,x])=lim(c(x)c(xδ))=0\mu(\{x\}) = \lim_{\delta\downarrow0} \mu(\intoc{x-\delta}x) = \lim(c(x) - c(x-\delta)) = 0 menurut kekontinuan cc: jadi tak beratom. Sehingga μ\mu merupakan ukuran peluang tanpa atom yang dibawa sebuah kompak berukuran nol Lebesgue — bukan menyebar-berkepadatan seperti pembatasan λ\lambda, bukan pula beratom seperti ukuran cacah: yakni spesies ketiga.

18. Kepingan CεC_\varepsilon merentang sebuah selang terner IεI_\varepsilon berpanjang 3m3^{-m}, dan Bagian I pertanyaan 3 menunjukkan bahwa sepanjang IεI_\varepsilon tangganya mendaki tepat 2m2^{-m} (sebab mm angka biner pertama cc dibekukan pada ε\varepsilon, sedangkan sisanya menyapu segalanya). Karena itu μ(Cε)=μ(Iε)=c(ujung kanan)c(ujung kiri)=2m\mu(C_\varepsilon) = \mu(I_\varepsilon) = c(\text{ujung kanan}) - c(\text{ujung kiri}) = 2^{-m}: jadi silinder angka berkedalaman mm semuanya bermassa 2m2^{-m}, yakni hukum mm koin adil.

19. Ruas kanannya mendefinisikan ukuran Borel ν=12(xx3)μ+12(xx+23)μ\nu = \frac12\,(x \mapsto \tfrac x3)_*\mu + \frac12\,(x \mapsto \tfrac{x+2}3)_*\mu yang dinilaikan di AA — yakni ukuran peluang. Secara titik demi titik, dengan cc yang diperluas secara global, mudah diperiksa kasus demi kasus (x0x \leq 0; ketiga sepertiganya; x1x \geq 1) identitas

c(x)=12c(3x)+12c(3x2),c(x) = \tfrac12\,c(3x) + \tfrac12\,c(3x - 2),

misalnya pada [1/3,2/3]\intcc{1/3}{2/3}: 121+120=12=c(x)\frac12\cdot1 + \frac12\cdot0 = \frac12 = c(x). Karena itu menilaikan ν\nu pada (a,b]\intoc ab memberikan c(b)c(a)=μ((a,b])c(b) - c(a) = \mu(\intoc ab), sedangkan dua ukuran berhingga yang bersesuaian pada sistem-π\pi berisi selang setengah terbuka berimpit pada B\mathcal B (Teorema 9.7): jadi ν=μ\nu = \mu.

20. Lewat induksi pada nn: c0(1x)=1c0(x)c_0(1-x) = 1 - c_0(x), dan jika cnc_n mempunyai kesimetrian itu, maka untuk x[0,1/3]x \in \intcc0{1/3}: cn+1(1x)=12+12cn(3(1x)2)=12+12cn(13x)=12+12(1cn(3x))=1cn+1(x)c_{n+1}(1 - x) = \frac12 + \frac12c_n(3(1-x) - 2) = \frac12 + \frac12c_n(1 - 3x) = \frac12 + \frac12(1 - c_n(3x)) = 1 - c_{n+1}(x); sedangkan sepertiga tengahnya bercermin di sekitar 12\frac12; dan sepertiga kanannya merupakan kasus kirinya yang dicerminkan. Pada limitnya, c(1x)=1c(x)c(1-x) = 1 - c(x). Untuk peta majunya: (sμ)((a,b])=μ([1b,1a))=c(1a)c(1b)(s_*\mu)(\intoc ab) = \mu(\intco{1-b}{1-a}) = c(1-a) - c(1-b) (sebab μ\mu tak beratom, pertanyaan 17, sehingga kesepakatan batasnya tak berbiaya) =(1c(a))(1c(b))=μ((a,b])= (1 - c(a)) - (1 - c(b)) = \mu(\intoc ab): jadi sμ=μs_*\mu = \mu menurut ketunggalannya.

21. Misalkan XμX \sim \mu (integral fungsi kontinu terhadap μ\mu ada sebagai limit jumlah bertipe Riemann atas kepingan berkedalaman mm, yang masing-masing bermassa 2m2^{-m}, dengan galat pencuplikan oscf3m\leq \operatorname{osc} \leq \norm{f'}_\infty3^{-m}; dan Bab 10 akan menyistematiskannya). Kesimetriannya: 1XX1 - X \sim X, sehingga EX=12\E X = \frac12. Keserupaan dirinya: XX berhukum Y3\frac Y3 dengan peluang 12\frac12 dan berhukum Y+23\frac{Y+2}3 dengan peluang 12\frac12, dengan YμY \sim \mu, sehingga

EX2=12EY29+12EY2+4EY+49=2EX2+618,\E X^2 = \frac12\,\frac{\E Y^2}9 + \frac12\, \frac{\E Y^2 + 4\E Y + 4}{9} = \frac{2\E X^2 + 6}{18},

sehingga EX2=38\E X^2 = \frac38 dan VarX=3814=18\operatorname{Var}X = \frac38 - \frac14 = \frac18. Sedangkan hukum seragam beragam 112<18\frac1{12} < \frac18: jadi massa Cantor memeluk ujungnya.

22. Himpunan CC tertutup dan μ(C)=1\mu(C) = 1. Jika sebuah II yang terbuka memotong CC di xx, maka kepingan berkedalaman mm yang memuat xx menyusut ke xx, sehingga ada IεII_\varepsilon \subseteq I dan μ(I)2m>0\mu(I) \geq 2^{-m} > 0: jadi tak ada himpunan tertutup yang lebih kecil yang dapat membawa μ\mu. Sedangkan titik di luar CC berpersekitaran celah yang berukuran-μ\mu sama dengan 00. Karena itu suppμ=C\operatorname{supp}\mu = C tepat.

23. Satu gejala, dua dialek. Bagian I mengatakan bahwa pertumbuhan cc tak terlihat oleh turunannya: c=0c' = 0 hampir di mana-mana, dengan seluruh pendakiannya memusat pada himpunan nol CC. Bagian V mengatakan bahwa ukuran terkaitnya μc\mu_c menaruh seluruh massanya pada himpunan nol yang sama: μcλ\mu_c \perp \lambda, sehingga tak ada kepadatan f0f \geq 0 yang dapat memenuhi μc(A)=Af ⁣dλ\mu_c(A) = \int_Af\,\dd\lambda — sebab kepadatan memaksa kelenyapan pada himpunan nol-λ\lambda. Kamusnya: bagi yang tak turun dan terbatas, FF \leftrightarrow ukuran berhingga μF\mu_F (pertanyaan 14–15); FF yang merupakan integral turunannya \leftrightarrow μF\mu_F yang berkepadatan (yakni kasus “kontinu mutlak”); dan secara umum FF', yang ada hampir di mana-mana bagi FF yang monoton (lewat teorema pendiferensialan Lebesgue, yang melampaui bab ini), hanya memulihkan bagian kepadatannya. Tangganya merupakan ujung ekstremnya: kontinu, dengan turunan 00 hampir di mana-mana — sehingga ukurannya singular murni, dan teorema fundamental kalkulus, jauh dari gagal secara kebetulan, gagal persis sebesar massa singularnya μc(R)=1\mu_c(\R) = 1.

24. Tetapkan x<yx < y di [0,1]\intcc01 lalu pilihlah m0m \geq 0 dengan 3(m+1)<yx3m3^{-(m+1)} < y - x \leq 3^{-m}. Sepanjang sembarang selang triadik [k3m,(k+1)3m]\intcc{k3^{-m}}{(k+1)3^{-m}} tangganya mendaki paling banyak 2m2^{-m}: sebab selang semacam itu entah salah satu dari 2m2^m kepingan CmC_m, yang pendakiannya tepat 2m2^{-m} (pertanyaan 18), entah termuat di penutup satu celah pada suatu tahap m\leq m, tempat cc konstan. Dan karena yx3my - x \leq 3^{-m}, selang [x,y]\intcc xy memotong paling banyak dua selang triadik berkedalaman mm yang berurutan, sehingga

c(y)c(x)22m=2(3m)s<2(3(yx))s=4(yx)s,c(y) - c(x) \leq 2\cdot2^{-m} = 2\bigl(3^{-m}\bigr)^{s} < 2\bigl(3(y - x)\bigr)^{s} = 4\,(y - x)^{s},

dengan memakai 3s=23^{s} = 2 dan 3m<3(yx)3^{-m} < 3(y - x). Keoptimalannya: ujung u<vu < v sebuah kepingan Cantor berkedalaman mm memenuhi vu=3mv - u = 3^{-m} dan c(v)c(u)=2m=(vu)sc(v) - c(u) = 2^{-m} = (v - u)^{s}; sehingga batas Hölder c(v)c(u)K(vu)t\abs{c(v) - c(u)} \leq K(v - u)^{t} dengan t>st > s akan memaksa K2m3mt=(3t/2)mK \geq 2^{-m}3^{mt} = (3^{t}/2)^{m} \to \infty (sebab 3t>3s=23^{t} > 3^{s} = 2), dan setiap subselang [0,1]\intcc01 memuat kepingan semacam itu, sehingga kegagalannya bersifat lokal pula. Bentuk ukurannya: μ([xr,x+r])c(x+r)c(xr)4(2r)s=42srs8rs\mu\bigl(\intcc{x-r}{x+r}\bigr) \leq c(x + r) - c(x - r) \leq 4(2r)^{s} = 4\cdot2^{s}r^{s} \leq 8r^{s} (dengan nilai cc yang diperluas ke R\R seperti pada pertanyaan 16; sebab μ\mu tak beratom, pertanyaan 17).

25. Tulis S0(x)=x3S_0(x) = \frac x3 dan S1(x)=x+23S_1(x) = \frac{x+2}3; maka hipotesisnya mengatakan ν=12(S0)ν+12(S1)ν\nu = \frac12(S_0)_*\nu + \frac12(S_1)_*\nu. Dengan mengiterasikannya mm kali,

ν=2mw{0,1}m(Sw)ν,Sw=Sw1Swm.\nu = 2^{-m}\sum_{w \in \{0,1\}^m}(S_w)_*\nu, \qquad S_w = S_{w_1}\circ\dots\circ S_{w_m}.

Karena ν\nu dibawa oleh [0,1]\intcc01 dan Sw([0,1])=IwS_w(\intcc01) = I_w, yakni kepingan Cantor berkedalaman mm yang diindeks ww, maka setiap (Sw)ν(S_w)_*\nu merupakan ukuran peluang yang dibawa IwI_w; sedangkan 2m2^m kepingannya berupa selang tertutup saling lepas berpasangan yang berpanjang 3m3^{-m}. Tetapkan (a,b]\intoc ab lalu misalkan NmN_m banyaknya kepingan Iw(a,b]I_w \subseteq \intoc ab. Sebuah kepingan yang memotong (a,b]\intoc ab tanpa termuat di dalamnya harus memuat aa atau bb, sedangkan sebuah titik terletak paling banyak di satu kepingan, sehingga

2mNmν((a,b])2mNm+22m.2^{-m}N_m \leq \nu(\intoc ab) \leq 2^{-m}N_m + 2\cdot2^{-m}.

Ketaksamaan rangkap yang sama berlaku bagi μ\mu (sebab pertanyaan 19 memberikan iterasi yang identik), dengan cacahan NmN_m yang sama. Karena itu ν((a,b])μ((a,b])2m+10\abs{\nu(\intoc ab) - \mu(\intoc ab)} \leq 2^{-m+1} \to 0: sehingga ν\nu dan μ\mu bersesuaian pada sistem-π\pi berisi selang setengah terbuka, dan keduanya ukuran peluang, sehingga Teorema 9.7 memberikan ν=μ\nu = \mu. Jadi ukuran tangganya merupakan satu-satunya titik tetap skema perata-rataan dua pemetaan itu — yakni pernyataan setingkat ukuran atas keserupaan diri CC.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium