Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3
9Teori Ukuran
Berapa panjang sebuah himpunan bagian ? 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 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-
Definisi 9.1
Sebuah aljabar- pada himpunan adalah keluarga berisi himpunan bagian yang memuat , stabil terhadap komplemen dan terhadap gabungan terbilang (sehingga juga terhadap irisan terbilang, selisih himpunan, dan ia memuat ). Pasangan disebut ruang terukur; dan anggota disebut himpunan terukur. Untuk sembarang keluarga berisi himpunan bagian, melambangkan aljabar- terkecil yang memuat (yakni irisan semuanya — sebab irisan aljabar- tetap demikian).
Definisi 9.2
Aljabar- Borel sebuah ruang topologi adalah . Pada : juga dibangkitkan oleh selang terbuka, oleh selang tertutup, oleh sinar , dan oleh sinar yang ujungnya rasional (Latihan 9.1) — sebab setiap keluarga itu membangkitkan himpunan terbukanya lewat operasi terbilang, misalnya setiap himpunan terbuka berupa gabungan terbilang selang terbuka yang datanya rasional.
Definisi 9.3
Sebuah sistem- adalah keluarga yang stabil terhadap irisan berhingga. Sebuah sistem- (kelas Dynkin) adalah keluarga dengan: ; dan ; serta dengan .
Teorema 9.4 (Lema – Dynkin)
Jika sebuah sistem- memuat sistem- , maka .
Bukti. Misalkan sistem- terkecil yang memuat (yakni irisan semuanya); cukup ditunjukkan bahwa merupakan aljabar-, sebab lalu . Sistem- yang stabil terhadap irisan berhingga memang aljabar-: sebab komplemennya ( dengan ), gabungan berhingganya (), dan gabungan terbilangnya lewat . Jadi kita buktikan bahwa merupakan sistem-, dalam dua langkah. Misalkan
Keluarga merupakan sistem- (ketiga aksiomanya diperiksa dengan mengiriskannya dengan : misalnya , yaitu selisih sejati di dalam ) dan memuat (karena sistem-): sehingga . Sekarang misalkan
Menurut langkah sebelumnya, ; dan merupakan sistem- lewat pemeriksaan yang sama: jadi , dan itu tepat mengatakan bahwa stabil terhadap irisan. ∎
9.2 Ukuran
Definisi 9.5
Sebuah ukuran pada adalah pemetaan dengan yang bersifat aditif-: yakni untuk yang saling lepas berpasangan,
Tripel disebut ruang ukuran; ukuran disebut berhingga jika , sebuah ukuran peluang jika , dan berhingga- jika merupakan gabungan terbilang himpunan berukuran berhingga. Contohnya: ukuran cacah pada ; massa Dirac ; dan, yang menjadi pokok bab ini, ukuran Lebesgue.
Proposisi 9.6
Misalkan sebuah ukuran. (a) Kemonotonan: . (b) Subaditivitas terbilang: . (c) Kekontinuan dari bawah: . (d) Kekontinuan dari atas: dengan .
Bukti. (a) . (b) Saling lepaskan: saling lepas dengan gabungan yang sama, dan . (c) (dengan ): jumlah parsial adalah . (d) Terapkan (c) pada lalu kurangkan dari — dan keberhinggaannya membuat pengurangannya sah. Contoh penyangkal tanpa itu: untuk ukuran Lebesgue: padahal . ∎
Teorema 9.7 (Ketunggalan)
Misalkan ukuran pada , dengan sebuah sistem- dan pada . Jika ada himpunan dengan dan , maka pada seluruh .
Bukti. Tetapkan lalu tinjaulah ukuran berhingga dan pada : keduanya bersesuaian pada , sebab (karena sistem-), dan keduanya memberi nilai berhingga yang sama, yaitu . Kelas merupakan sistem-: sebab ; selisih sejatinya lewat pengurangan (karena nilainya berhingga); dan limit naiknya lewat kekontinuan dari bawah (Proposisi 9.6(c)). Ia memuat sistem- , sehingga Dynkin (Teorema 9.4) memberikan : jadi di mana-mana. Akhirnya, untuk sembarang , kekontinuan dari bawah sepanjang memberikan . ∎
9.3 Ukuran luar dan teorema Carathéodory
Definisi 9.8
Sebuah ukuran luar pada adalah pemetaan dengan , yang monoton dan subaditif secara terbilang. Sebuah himpunan disebut terukur- (menurut Carathéodory) jika ia memecah setiap himpunan secara aditif:
( selalu berlaku menurut subaditivitasnya; isinya adalah ).
Teorema 9.9 (Carathéodory)
Himpunan yang terukur- membentuk aljabar- , dan merupakan ukuran. Lebih lanjut setiap himpunan dengan termasuk (sehingga ukurannya lengkap).
Bukti. Keluarga memuat dan stabil terhadap komplemen (sebab syarat pendefinisinya simetris terhadap dan ). Gabungan berhingga: misalkan dan sembarang; dengan memecah oleh , lalu setiap kepingannya oleh :
Ketiga kepingan pertamanya menyelimuti , sehingga subaditivitasnya memberikan : jadi . Lewat induksi, gabungan berhingganya pun demikian; dan bersama komplemennya, manipulasi kesalinglepasan yang berhingga menjadi tersedia.
Keaditifan pada : untuk yang saling lepas dan apa pun: (dengan memecahnya oleh ); lalu lewat induksi,
Gabungan terbilang: misalkan saling lepas (dan ini sudah cukup, lewat pelepasan di dalam aljabar ), , serta sembarang. Dengan memakai dan kemonotonannya:
menurut (). Biarkan lalu pakai subaditivitas terbilangnya secara terbalik:
sehingga semua ketaksamaannya menjadi kesamaan. Ini membuktikan sekaligus dan, dengan mengambil , keaditifan terbilang pada .
Himpunan nol: jika , maka untuk apa pun: : jadi . ∎
9.4 Ukuran Lebesgue pada
Definisi 9.10
Ukuran luar Lebesgue dari adalah
(dengan selimut terbilang oleh selang terbuka).
Lema 9.11
Fungsi merupakan ukuran luar yang invarian terhadap translasi, dan (yakni panjangnya) untuk setiap selang .
Bukti. Ukuran luarnya: terselimuti oleh selang yang sekecil apa pun; kemonotonannya jelas; dan subaditivitasnya: diberikan selimut setiap dalam dari infimumnya, gabungannya menyelimuti dengan panjang total . Keinvarianan translasinya: translasikan selimutnya.
Untuk panjangnya: cukup ditangani (sebab jenis lainnya berbeda pada ujungnya, yang berukuran luar : selimuti dengan selang mungil; lalu himpitlah lewat perbandingan bertipe ). Untuk : selimuti dengan . Sebaliknya misalkan : menurut kekompakannya (Borel–Lebesgue, Teorema 6.16), berhingga selang sudah cukup, sebutlah . Kita tunjukkan lewat induksi pada : pilihlah ; jika maka selesai (sebab ); jika tidak, ruas terselimuti oleh selang sisanya, dan induksinya memberikan , sedangkan : lalu jumlahkan. ∎
Teorema 9.12 (Ukuran Lebesgue)
Setiap himpunan Borel di bersifat terukur-. Pembatasan dari pada aljabar- (yakni aljabar- Lebesgue) merupakan satu-satunya ukuran pada yang memberi setiap selang panjangnya; ia invarian terhadap translasi dan berhingga-.
Bukti. Menurut Teorema 9.9 cukup ditunjukkan bahwa setiap sinar bersifat terukur- (sebab sinar membangkitkan , Definisi 9.2). Misalkan dengan dan sebuah selimut dengan . Setiap terpecah menjadi dua selang dan (sebab selang dikurangi sinar tetap selang) dengan ; lalu menyelimuti dan menyelimuti (perbesarlah masing-masing menjadi selang terbuka berpanjang agar tetap sesuai definisinya), sehingga
Ketunggalannya: dua ukuran yang bersesuaian dengan panjang pada sistem- berisi selang (dan berhingga di sana) bersesuaian pada menurut Teorema 9.7 dengan . Keberhinggaan--nya: . ∎
Teorema 9.13 (Keteraturan)
Untuk setiap :
Bukti. Sisi luarnya: selimut dengan merupakan himpunan terbuka dengan (lewat subaditivitasnya); dan jika pernyataannya trivial. Sisi dalamnya: lebih dahulu misalkan terbatas, . Pilihlah sebuah yang terbuka dengan ; maka bersifat kompak, , dan
Untuk yang umum: (lewat kekontinuan dari bawah) lalu terapkan kasus terbatasnya di dalamnya. ∎
Contoh 9.14
Himpunan Cantor (Latihan 6.10) mempunyai : sebab , yaitu gabungan selang berpanjang , sehingga . 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 yang invarian terhadap translasi dan memberi setiap selang panjangnya. Khususnya : jadi himpunan tak terukur memang ada.
Bukti. Andaikan salah satunya. Pada , tinjaulah relasi ekuivalensi ; lalu lewat aksioma pilihan ambillah satu wakil di per kelasnya: sebutlah himpunan . Untuk , translasi saling lepas berpasangan (sebab dua titik yang berselisih rasional akan ekuivalen padahal keduanya wakil yang berbeda) dan
dengan inklusi pertamanya karena setiap berselisih dari wakilnya sebesar bilangan rasional . Lalu kemonotonan dan keaditifan--nya memberikan
Jumlah tak berhingga atas konstanta bernilai atau : sehingga kedua batasnya tak mungkin berlaku bersamaan. Jadi semacam itu tak ada — dan , sebab pada mempunyai semua sifat yang dipakai tadi. ∎
Catatan 9.16
Di 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 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 mempunyai sebuah sifat, tunjukkan bahwa himpunan baiknya membentuk aljabar- (atau sistem-, bila sifatnya bersifat teori ukuran dan merupakan sistem- — lalu pakai Dynkin) yang memuat . Hampir setiap bukti pada bab ini dan bab berikutnya merupakan contohnya. Untuk membuktikan dua ukuran sama: periksalah keduanya pada sistem- pembangkitnya ditambah keberhinggaan- (Teorema 9.7). Untuk membangun sebuah ukuran: bangunlah ukuran luar lewat selimut lalu kutiplah Carathéodory.
9.5 Latihan
Latihan 9.1 ★
(a) Tunjukkan bahwa atau bersifat terbilang merupakan aljabar-: yakni yang dibangkitkan oleh himpunan tunggal. (b) Tunjukkan bahwa dibangkitkan oleh masing-masing berikut: selang terbuka; selang tertutup; sinar ; dan sinar dengan . (c) Apakah keluarga berisi gabungan berhingga selang yang saling lepas merupakan aljabar-? 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- yang memuatnya memuat semua himpunan terbilang (lewat gabungan terbilang) beserta komplemennya: jadi ia .
(b) Tulis . Setiap himpunan bagian 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 . Peralihannya: ; ; dan sebaliknya ; sedangkan untuk sinar rasional: . Jadi setiap keluarganya membangkitkan yang lain lewat operasi terbilang: keempatnya membangkitkan .
(c) Dengan ujung yang berhingga saja, keluarganya bahkan bukan aljabar: sebab komplemen memuat sinar tak terbatas. Bila ujung tak berhingga diperbolehkan (, ) ia menjadi aljabar (sebab komplemen dan gabungan berhingga atas gabungan semacam itu tetap demikian), tetapi bukan aljabar-: sebab bukan gabungan berhingga selang tak degenerat.
Latihan 9.2 ★
(a) Buktikan inklusi–eksklusi bagi ukuran berhingga: , 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 dan .
Solusi
Solusi Latihan 9.2.
(a) , sehingga (dan keberhinggaannya mengizinkan pengurangan itu). Untuk tiga himpunan: terapkan rumus dua himpunannya dua kali,
(dengan jumlah atas himpunan indeks yang sudah jelas).
(b) Untuk ukuran Lebesgue, , padahal .
(c) Sebuah titik terletak di selang berpanjang : sehingga ; lalu subaditivitas terbilangnya mematikan himpunan terbilang. Karena itu dan, lewat keaditifannya, : jadi bilangan irasionallah yang membawa seluruh panjangnya.
Latihan 9.3 ★★
Misalkan ukuran peluang pada dengan untuk setiap . Tunjukkan . (Hal ini menjadikan fungsi distribusi sebuah invarian yang lengkap — yakni landasan Bab 22.)
Solusi
Solusi Latihan 9.3.
Sinar membentuk sistem- (sebab irisan dua di antaranya adalah yang lebih kecil) yang membangkitkan (Latihan 9.1). Himpunan naik menuju dengan : sehingga Teorema 9.7 berlaku, dan pada . Dengan demikian fungsi distribusinya menentukan ukurannya.
Latihan 9.4 ★★
(Borel–Cantelli, versi ukuran) Misalkan terukur dengan , dan (yakni titik yang termasuk tak berhingga banyak ). Tunjukkan . Terapannya: untuk hampir setiap , hanya berhingga banyak yang memenuhi bagi bilangan rasional ke-, yakni , pada suatu pencacahan .
Solusi
Solusi Latihan 9.4.
Untuk setiap berlaku , sehingga , yakni ekor sebuah deret konvergen: lalu biarkan . Terapannya: dengan (dengan bilangan rasional ke-), dapat dijumlahkan: sehingga , yakni hampir setiap termasuk hanya berhingga banyak . (Padahal setiap merupakan limit bilangan rasional: intinya adalah kelajuan -nya.)
Latihan 9.5 ★★
(Himpunan Cantor gemuk) Ulangi konstruksi Cantor pada , tetapi pada langkah buanglah dari masing-masing selangnya sebuah selang terbuka terpusat berpanjang saja. Tunjukkan bahwa yang dihasilkan bersifat kompak, berinterior kosong (sebab tak ada selang yang bertahan), dan
yakni himpunan tak padat di mana pun yang berukuran . Lalu simpulkan adanya himpunan bagian yang kurus tetapi berukuran penuh , dan sebuah himpunan bagian terbuka yang padat dan berukuran .
Solusi
Solusi Latihan 9.5.
Himpunan merupakan irisan gabungan berhingga selang tertutup: jadi kompak. Pada tahap tersisa selang berpanjang sama (sebab setiap tahapnya membelah dan menyusutkan); dan selang akan terletak di dalam satu selang tahap- untuk setiap , sehingga memaksa : jadi interiornya kosong. Ukuran yang dibuang adalah , dengan semua pembuangannya berupa selang terbuka yang saling lepas: jadi .
Ragamnya: membuang selang tengah berpanjang meninggalkan kompak tak padat di mana pun yang berukuran . Lalu bersifat kurus (sebagai gabungan terbilang himpunan tak padat di mana pun) dan berukuran : jadi himpunan kurus yang berukuran penuh — sedangkan komplemennya di merupakan padat berukuran (gemuk secara topologi, nol secara metrik). Komplemen di bersifat terbuka, padat, dan berukuran .
Latihan 9.6 ★★
Misalkan sebuah ukuran pada yang invarian terhadap translasi, dengan . Tunjukkan pada . (Hitunglah pada selang diadik dengan membagi menjadi translasinya, lalu panggillah Teorema 9.7.)
Solusi
Solusi Latihan 9.6.
Dengan memotong menjadi translasi : , sehingga . Lewat keinvarianan translasi dan keaditifannya, pada setiap selang yang -nya rasional diadik dan -nya apa pun; sedangkan yang umum merupakan gabungan naik selang semacam itu ( lewat langkah diadik dari ), dan kekontinuan dari bawah memperluas kesamaannya. Selang membentuk sistem- yang membangkitkan , dengan yang berukuran berhingga (sebab ): sehingga Teorema 9.7 memberikan pada .
Latihan 9.7 ★★
(Penghampiran) Misalkan dengan dan . Tunjukkan bahwa ada gabungan berhingga selang dengan (dengan = selisih simetris). (Lewat keteraturannya: himpitlah lalu pakai struktur yang terbuka sebagai gabungan terbilang selang, ditambah kekompakan .)
Solusi
Solusi Latihan 9.7.
Menurut keteraturannya (Teorema 9.13) pilihlah dengan kompak, terbuka, dan (dengan kedua penghampirannya dalam , sebab ). Tulis sebagai gabungan terbilang selang terbuka yang saling lepas (yakni komponen himpunan terbukanya); lalu yang kompak terselimuti oleh berhingga di antaranya, . Maka dan : sehingga — jadi mulailah dari agar mendarat di bawah .
Latihan 9.8 ★★★
(Steinhaus) Misalkan dengan . Tunjukkan bahwa memuat sebuah selang di sekitar . (Reduksikan ke ; lalu lewat keteraturan bergaya Latihan 9.7, carilah selang dengan ; maka untuk , himpunan dan keduanya duduk di selang berpanjang dan berukuran total : sehingga keduanya harus berpotongan.)
Solusi
Solusi Latihan 9.8.
Dengan mengganti oleh yang berukuran positif (dan suatu memang berhasil, menurut kekontinuan dari bawah), andaikan . Ambil yang terbuka dengan lalu uraikan atas selang terbuka yang saling lepas: maka . Seandainya setiap mempunyai , menjumlahkannya akan memberikan : jadi ada selang yang memenuhi . Tetapkan lalu misalkan : maka dan keduanya terletak di selang yang berpanjang . Seandainya keduanya saling lepas: akan melampaui ukuran selang pemuatnya — mustahil. Jadi : sehingga suatu ditulis dengan , dan . Karena itu .
Latihan 9.9 ★★★
Tunjukkan bahwa setiap dengan memuat himpunan bagian yang tak terukur. (Iriskan dengan translasi dari himpunan Vitali: sebab jika semua terukur, masing-masing akan berukuran nol menurut argumen Teorema 9.15 — dan Steinhaus (Latihan 9.8) menolong: himpunan terukur berukuran positif di dalam akan membuat sebuah selang, dan itu bertentangan dengan kenyataan bahwa himpunan selisih itu memotong hanya di ; lalu simpulkan lewat subaditivitasnya.)
Solusi
Solusi Latihan 9.9.
Translasi Vitali mempartisi (sebab setiap bilangan real ekuivalen dengan tepat satu wakilnya). Andaikan semua himpunan terukur. Dua unsur mana pun berselisih bilangan irasional atau nol (sebab dua wakil yang berbeda tak ekuivalen), sehingga memotong hanya di : jadi ia tak memuat selang, dan Steinhaus (Latihan 9.8) memaksa . Lalu , dan itu bertentangan dengan . Jadi ada yang tak terukur.
Latihan 9.10 ★★
Tunjukkan bahwa dengan bersifat terukur Lebesgue jika dan hanya jika untuk setiap ada yang terbuka dengan , dan jika dan hanya jika ada himpunan dengan . (Jadi himpunan Lebesgue merupakan himpunan Borel modulo himpunan nol.)
Solusi
Solusi Latihan 9.10.
Terukur penghampiran-: lewat keteraturan luarnya (Teorema 9.13) ambillah yang terbuka dengan ; lalu keterukurannya mengizinkan pengurangan . Versi- versi-: ambillah dengan lalu : sebuah dengan . Versi- terukur: sebab berukuran- nol, sehingga terukur menurut kelengkapannya (Teorema 9.9), dan terukur (sebab 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 (yakni Fatou untuk himpunan), dan bahwa jika , maka juga . (b) Tampilkan, untuk ukuran Lebesgue pada , sebuah barisan dengan untuk setiap namun : jadi hipotesis keberhinggaan pada ketaksamaan kedua bukanlah hiasan. (c) Simpulkan: jika maka (Borel–Cantelli lagi), dan jika naik atau turun (dengan pada kasus turunnya), maka .
Solusi
Solusi Latihan 9.11.
(a) Himpunan merupakan gabungan naik himpunan , sehingga (lewat kekontinuan dari bawah); dan , yang limitnya . Untuk -nya: terapkan hal yang sama pada komplemennya di dalam lingkungan berukuran berhingga — sebab kekontinuan dari atas pada yang turun menuntut , dan memberikan .
(b) Selang berjalan : setiap titiknya termasuk paling banyak dua dan akhirnya tak termasuk satu pun, sehingga ; padahal . Jadi : 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 : maka dan berukuran . Untuk kasus monotonnya: yang naik adalah kekontinuan dari bawah; sedangkan yang turun dengan adalah kekontinuan dari atas — keduanya sudah dibuktikan pada sifat dasar Bab 9; dan contoh penyangkal (yang turun ke dengan ) menunjukkan bahwa keberhinggaannya kembali menjadi hal yang mendasar.
Latihan 9.12 ★★★
(Teorema Egorov) Misalkan dan titik demi titik, dengan semuanya terukur (bernilai real). Untuk tetapkan
(a) Tunjukkan bahwa untuk yang tetap, ketika , lalu simpulkan adanya dengan . (b) Simpulkan teorema Egorov: bahwa untuk setiap ada yang terukur dengan sedemikian sehingga secara seragam pada — jadi kekonvergenan titik demi titik menjadi kekonvergenan seragam di luar himpunan yang sekecil apa pun. (c) Tunjukkan bahwa teoremanya gagal pada : gundukan berjalan konvergen titik demi titik ke tetapi tidak seragam pada komplemen himpunan berukuran berhingga mana pun. Di manakah (a) memakai ?
Solusi
Solusi Latihan 9.12.
(a) Himpunan naik terhadap (sebab kendalanya berkurang), dan setiap akhirnya memenuhi untuk setiap (menurut kekonvergenan titik demi titiknya): jadi . Lalu lewat kekontinuan dari bawah: , sehingga ; lalu pilihlah yang sesuai.
(b) Misalkan : maka . Pada : untuk setiap , setiap memenuhi — dan itu tepat kekonvergenan seragam pada .
(c) Untuk gundukan berjalannya, kekonvergenan seragam pada menuntut akhirnya menghindari setiap — lebih tepatnya memaksa kosong untuk besar, sehingga memuat sebuah ekor yang berukuran tak berhingga. Pada (a), keberhinggaannya mengubah “” menjadi “ukuran komplemennya menuju ”: 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
Soal 9.1
Soal akhir pekan — tangga setan, dan
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: adalah himpunan Cantor, tahap ke--nya ( selang berpanjang ), dan setiap berangka terner dengan (Latihan 6.10).
Bagian I — Tangganya. Definisikan lalu dari lewat
- Tunjukkan bahwa setiap kontinu, tak turun, dengan , , dan bahwa .
- Simpulkan bahwa konvergen seragam ke sebuah yang kontinu dan tak turun dengan , (yakni fungsi Cantor–Vitali), yang memenuhi relasi serupa-diri yang sama seperti di atas.
- Tunjukkan bahwa konstan pada setiap komponen terhubung , dan bahwa untuk berlaku : jadi tangganya membaca angka Cantor dalam biner (yakni fungsi pada Soal 6.1, yang dibuat monoton dan global).
Simpulkan bahwa dapat diturunkan, dengan , di setiap titik : sehingga hampir di mana-mana terhadap (Contoh 9.14). Lalu simpulkan bahwa teorema fundamental kalkulus gagal bagi :
(dengan integralnya atas himpunan berukuran penuh tempat ; dan dengan mendahului Bab 10, himpunan nol tak memengaruhi integral). Hipotesis mana pada teorema fundamental yang dilanggar?
- Tunjukkan bahwa : jadi himpunan nol terpetakan pada himpunan berukuran penuh.
Bagian II — Homeomorfisma yang bengkok. Misalkan .
- Tunjukkan bahwa merupakan homeomorfisma (yakni naik sejati, kontinu, dan surjektif).
- Tunjukkan bahwa : sebab pada setiap celah berpanjang , bekerja sebagai pemetaan afin berkemiringan , dan celahnya berpanjang total .
- Simpulkan : 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.
- Menurut Latihan 9.9, pilihlah yang tak terukur. Tunjukkan bahwa bersifat terukur Lebesgue. (Sebab ia himpunan bagian sebuah himpunan nol; lihat kelengkapannya, Teorema 9.9.)
- Tunjukkan bahwa prapeta himpunan Borel di bawah pemetaan kontinu bersifat Borel. (Lewat asas himpunan baik: merupakan aljabar- yang memuat himpunan terbukanya — perhatikan arah pemetaannya.)
Simpulkan bahwa bukan Borel: sebab seandainya demikian, akan menjadi Borel (terapkan pertanyaan 10 pada yang kontinu), sehingga terukur — kontradiksi. Karena itu
dan kelengkapan sungguh memperbesar dunia Borel.
- Tampilkan sebuah fungsi yang terukur Lebesgue dan sebuah fungsi kontinu sedemikian sehingga tak terukur Lebesgue: jadi keterukuran, tak seperti kekontinuan, tak terkomposisikan. (Ambil dan , sambil mendahului definisi fungsi terukur pada Bab 10: bahwa prapeta himpunan Borel merupakan himpunan Lebesgue. Di manakah kita harus berhati-hati tentang aljabar- mana yang dipakai pada sasarannya?)
Bagian IV — Penutup.
- 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.
(Lebesgue–Stieltjes, keberadaannya) Misalkan tak turun, kontinu, dan terbatas. Pada selang setengah terbuka definisikan lalu, untuk ,
Tunjukkan bahwa merupakan ukuran luar dan bahwa (tirulah argumen kekompakan pada Teorema 9.12, dengan memperbesar setiap menjadi selang terbuka berbiaya- — di manakah kekontinuan dipakai?).
- Tunjukkan bahwa setiap himpunan Borel bersifat terukur- dalam arti Carathéodory (seperti pada kasus Lebesgue, cukup diuji pada setengah garis; ikutilah bukti penerapan Teorema 9.9), sehingga yang dibatasi pada merupakan ukuran dengan : yakni ukuran Lebesgue–Stieltjes dari .
Terapkan hal ini pada tangganya (yakni yang diperluas dengan pada dan pada ): diperolehlah ukuran Cantor . Tunjukkan , bahwa setiap celah himpunan Cantor berukuran- nol (sebab konstan di sana), lalu simpulkan
jadi dan hidup pada pembawa yang saling lepas (yakni dan komplemennya). Dua ukuran dalam kedudukan itu disebut saling singular, ditulis .
- Tunjukkan bahwa tak beratom: untuk setiap (lewat kekontinuan ). Jadi ada ukuran peluang tanpa atom yang dibawa sebuah kompak berukuran nol Lebesgue: bandingkan dengan ukuran yang sudah kita lihat sejauh ini.
- (Pelemparan koin yang menyamar) Untuk sebuah kata , misalkan himpunan yang angka ternernya memenuhi untuk (yakni salah satu dari kepingan Cantor berkedalaman ). Tunjukkan (sebab tangganya mendaki 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.
Buktikan keserupaan dirinya: bahwa untuk setiap yang Borel,
dengan (periksalah pada selang pembangkitnya lewat relasi serupa-diri , lalu panggillah ketunggalannya, Teorema 9.7).
- Tunjukkan bahwa pencerminan mempertahankan : yakni (lewat , yang menyusul dari kesimetrian konstruksinya — buktikanlah).
Hitunglah dua momen pertama , yakni dari sebuah titik acak berhukum (integralnya boleh digarap sebagai limit jumlah atas kepingan berkedalaman , sambil mendahului Bab 10): kesimetriannya memberikan , dan keserupaan dirinya memberikan
Bandingkan dengan hukum seragam pada (yang beragam ): jadi massa Cantor, yang terdorong ke tepinya, menyebar lebih lebar.
- Tunjukkan bahwa pendukung (secara topologi) dari — yakni himpunan tertutup terkecil yang berukuran penuh — tepat berupa .
- (Sintesis) Tangga bersifat kontinu dan tak turun namun menggagalkan teorema fundamental kalkulus (Bagian I); sedangkan ukuran merupakan peluang, tanpa atom, dan singular terhadap . Jelaskan dalam satu paragraf pendek bagaimana keduanya merupakan dua wajah satu gejala, lalu nyatakan pelajaran umumnya: bahwa fungsi tak turun bersesuaian dengan ukuran (), keterdiferensialan hampir di mana-mana bersesuaian dengan “bagian kontinu mutlaknya”, dan merupakan saksi baku bahwa yang kontinu dapat tak membawa bagian kontinu mutlak sama sekali.
(Modulus kekontinuan yang tajam) Misalkan . Tunjukkan bahwa bersifat Hölder kontinu dengan eksponen :
dan bahwa tak ada eksponen yang berlaku, bahkan secara lokal. Lalu simpulkan bentuk teori ukurannya: bahwa untuk setiap dan setiap ,
(Bandingkan kisi triadik berkedalaman dengan skala ; dan pertanyaan 18 memberikan pendakian sepanjang setiap kepingannya. Eksponen merupakan dimensi Hausdorff , sebagaimana akan dikatakan kuliah berikutnya.)
(Keserupaan diri mencirikan ) Buktikan konvers pertanyaan 19: jika sebuah ukuran peluang pada yang dibawa dan memenuhi
maka . (Iterasikan relasinya kali untuk menyebarkan atas kepingan Cantor berkedalaman , taksirlah terhadap cacahan kepingan di dalam , lalu biarkan ; dan selesaikan dengan Teorema 9.7.)
Solusi
Solusi Soal 9.1.
1. Lewat induksi. Kekontinuannya: ketiga rumusnya bersesuaian di sambungannya (sebab dan ); dan setiap kepingannya kontinu. Kemonotonan dan nilai batasnya diwarisi. Untuk taksiran kontraksinya: pada , ; pada sepertiga tengahnya selisihnya ; dan pada sepertiga kanannya, sama seperti kirinya.
2. Berlaku : sehingga deret pertambahannya konvergen seragam, jadi secara seragam; lalu bersifat kontinu, tak turun, dengan , (semuanya terpelihara oleh limit seragam), dan mengambil limit pada rekursi pendefinisinya menunjukkan bahwa sendiri memenuhi ketiga identitas serupa-dirinya.
3. Menurut identitas tengahnya, pada , yakni celah pertamanya. Setiap celah merupakan peta celah pertama itu di bawah komposisi kedua kontraksi afin dan ; dan identitasnya mengangkut kekonstanannya sejalan dengan itu (dengan nilainya berupa bilangan rasional diadik). Untuk rumus angkanya, ambillah : jika maka dan dengan berangka ; sedangkan jika maka dan , dengan pergeseran yang sama. Lewat induksi, angka biner pertama adalah untuk setiap : jadi .
4. Di luar , konstan secara lokal: sehingga dapat diturunkan dengan turunan . Dan karena (Contoh 9.14), maka hampir di mana-mana. Namun : sebab teorema fundamental dalam bentuk -nya menuntut dapat diturunkan di mana-mana dengan turunan yang kontinu (atau setidaknya terintegralkan, ditambah kekontinuan mutlak — lihat Bab 10); padahal tak dapat diturunkan di titik , dan yang lebih mendasar, menggagalkan kekontinuan mutlak: sebab ia mendaki pada himpunan nol.
5. Diberikan (dengan ), titik mempunyai menurut pertanyaan 3: jadi , yakni himpunan berukuran — sehingga himpunan nol membawa, lewat , seluruh selangnya.
6. Fungsi kontinu dan naik sejati (sebab demikian dan tak turun); lalu , , sehingga menurut teorema nilai antara merupakan bijeksi kontinu pada ; dan bijeksi kontinu dari ruang kompak ke ruang Hausdorff merupakan homeomorfisma (Akibat 6.14).
7. Pada sebuah celah (berpanjang ), konstan, sehingga bersifat afin berkemiringan : jadi merupakan selang berpanjang . Celahnya saling lepas dan injektif: sehingga petanya saling lepas, dengan ukuran total .
8. Berlaku dan bersifat kompak (sebagai peta kontinu), sehingga terukur, dengan
Jadi sebuah homeomorfisma dapat menggembungkan himpunan nol menjadi berukuran : sehingga “ukuran topologi” (kategori, dimensi) dan “ukuran” diangkut homeomorfisma dengan cara yang sangat berbeda — hanya yang pertama yang merupakan invarian topologi.
9. Himpunan mempunyai : jadi himpunan nol, sehingga terukur Lebesgue menurut kelengkapannya (Teorema 9.9).
10. Misalkan kontinu dan . Prapeta komutatif dengan komplemen dan gabungan terbilang, sehingga merupakan aljabar-; dan ia memuat himpunan terbukanya (menurut kekontinuannya): jadi — sehingga prapeta himpunan Borel di bawah pemetaan kontinu bersifat Borel.
11. Seandainya bersifat Borel, terapkan pertanyaan 10 pada yang kontinu: maka akan bersifat Borel, sehingga terukur Lebesgue — dan itu bertentangan dengan pemilihan . Jadi : sehingga aljabar- Lebesgue memuat milik Borel secara sejati.
12. Fungsi terukur Lebesgue (sebab ) dan kontinu, tetapi tidak terukur: jadi tak terukur Lebesgue. Kehati-hatian yang diperlukan: “fungsi terukur Lebesgue” berarti prapeta himpunan Borel mendarat di ; sedangkan mengomposisikannya menuntut prapeta himpunan Lebesgue tetap Lebesgue, dan itu tak diberikan kekontinuan (di sini walaupun sebuah homeomorfisma).
13. Rantainya, beserta saksi kesejatiannya:
Saksinya: bersifat Borel, nol, dan tak terbilang (untuk jurang pertama); bersifat nol Lebesgue tetapi bukan Borel (untuk jurang kedua dan, di dalam , 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 tak berada di (untuk jurang terakhir). Jadi ukuran, topologi, dan kardinalitas mengiris menurut garis yang sungguh berbeda.
14. Untuk ukuran luarnya: (selimuti dengan selang yang melenyap), kemonotonannya jelas, dan subaditivitas terbilangnya menyusul lewat penyambungan selimut yang optimal dalam , persis seperti untuk . Selimut satu selangnya memberikan . Sebaliknya misalkan . Menurut kekontinuan , ambillah dengan , dan dengan . Kompak terselimuti oleh yang terbuka: sehingga berhingga di antaranya sudah cukup, dan argumen perantaian pada Teorema 9.12 (yakni berjalan dari ke melalui selang yang bertindih, sambil meneleskopkan pertambahan , dengan kemonotonannya menyerap tindihannya) melahirkan . Lalu biarkan : diperoleh kesamaan. (Dan kekontinuan -lah yang mengizinkan pembukaan selangnya dengan biaya- sekecil apa pun.)
15. Cukup dibuktikan bahwa setiap setengah garis terukur menurut Carathéodory, sebab himpunan terukurnya membentuk aljabar- (Teorema 9.9) dan setengah garis membangkitkan . Diberikan dan sebuah selimut optimal dalam , sebut , atas : maka setiap selangnya terpecah sebagai (dengan satu kepingannya mungkin kosong), dan biaya--nya berjumlah tepat ; lalu kepingan pertamanya menyelimuti , dan kepingan keduanya menyelimuti . Karena itu , sedangkan ketaksamaan sebaliknya adalah subaditivitasnya. Dengan membatasi ukuran yang dihasilkan pada : diperolehlah ukuran Lebesgue–Stieltjes .
16. Berlaku (lewat kekontinuan ukurannya sepanjang ). Pada sebuah celah dari , konstan, sehingga setiap subselang setengah terbukanya berukuran- nol dan demikian pula celahnya (lewat gabungan terbilang); dan di luar , juga konstan. Karena itu dan , sedangkan (Contoh 9.14): jadi masing-masing dari dibawa oleh himpunan yang oleh yang lain dinyatakan nol — yakni saling singular.
17. Berlaku menurut kekontinuan : jadi tak beratom. Sehingga merupakan ukuran peluang tanpa atom yang dibawa sebuah kompak berukuran nol Lebesgue — bukan menyebar-berkepadatan seperti pembatasan , bukan pula beratom seperti ukuran cacah: yakni spesies ketiga.
18. Kepingan merentang sebuah selang terner berpanjang , dan Bagian I pertanyaan 3 menunjukkan bahwa sepanjang tangganya mendaki tepat (sebab angka biner pertama dibekukan pada , sedangkan sisanya menyapu segalanya). Karena itu : jadi silinder angka berkedalaman semuanya bermassa , yakni hukum koin adil.
19. Ruas kanannya mendefinisikan ukuran Borel yang dinilaikan di — yakni ukuran peluang. Secara titik demi titik, dengan yang diperluas secara global, mudah diperiksa kasus demi kasus (; ketiga sepertiganya; ) identitas
misalnya pada : . Karena itu menilaikan pada memberikan , sedangkan dua ukuran berhingga yang bersesuaian pada sistem- berisi selang setengah terbuka berimpit pada (Teorema 9.7): jadi .
20. Lewat induksi pada : , dan jika mempunyai kesimetrian itu, maka untuk : ; sedangkan sepertiga tengahnya bercermin di sekitar ; dan sepertiga kanannya merupakan kasus kirinya yang dicerminkan. Pada limitnya, . Untuk peta majunya: (sebab tak beratom, pertanyaan 17, sehingga kesepakatan batasnya tak berbiaya) : jadi menurut ketunggalannya.
21. Misalkan (integral fungsi kontinu terhadap ada sebagai limit jumlah bertipe Riemann atas kepingan berkedalaman , yang masing-masing bermassa , dengan galat pencuplikan ; dan Bab 10 akan menyistematiskannya). Kesimetriannya: , sehingga . Keserupaan dirinya: berhukum dengan peluang dan berhukum dengan peluang , dengan , sehingga
sehingga dan . Sedangkan hukum seragam beragam : jadi massa Cantor memeluk ujungnya.
22. Himpunan tertutup dan . Jika sebuah yang terbuka memotong di , maka kepingan berkedalaman yang memuat menyusut ke , sehingga ada dan : jadi tak ada himpunan tertutup yang lebih kecil yang dapat membawa . Sedangkan titik di luar berpersekitaran celah yang berukuran- sama dengan . Karena itu tepat.
23. Satu gejala, dua dialek. Bagian I mengatakan bahwa pertumbuhan tak terlihat oleh turunannya: hampir di mana-mana, dengan seluruh pendakiannya memusat pada himpunan nol . Bagian V mengatakan bahwa ukuran terkaitnya menaruh seluruh massanya pada himpunan nol yang sama: , sehingga tak ada kepadatan yang dapat memenuhi — sebab kepadatan memaksa kelenyapan pada himpunan nol-. Kamusnya: bagi yang tak turun dan terbatas, ukuran berhingga (pertanyaan 14–15); yang merupakan integral turunannya yang berkepadatan (yakni kasus “kontinu mutlak”); dan secara umum , yang ada hampir di mana-mana bagi yang monoton (lewat teorema pendiferensialan Lebesgue, yang melampaui bab ini), hanya memulihkan bagian kepadatannya. Tangganya merupakan ujung ekstremnya: kontinu, dengan turunan hampir di mana-mana — sehingga ukurannya singular murni, dan teorema fundamental kalkulus, jauh dari gagal secara kebetulan, gagal persis sebesar massa singularnya .
24. Tetapkan di lalu pilihlah dengan . Sepanjang sembarang selang triadik tangganya mendaki paling banyak : sebab selang semacam itu entah salah satu dari kepingan , yang pendakiannya tepat (pertanyaan 18), entah termuat di penutup satu celah pada suatu tahap , tempat konstan. Dan karena , selang memotong paling banyak dua selang triadik berkedalaman yang berurutan, sehingga
dengan memakai dan . Keoptimalannya: ujung sebuah kepingan Cantor berkedalaman memenuhi dan ; sehingga batas Hölder dengan akan memaksa (sebab ), dan setiap subselang memuat kepingan semacam itu, sehingga kegagalannya bersifat lokal pula. Bentuk ukurannya: (dengan nilai yang diperluas ke seperti pada pertanyaan 16; sebab tak beratom, pertanyaan 17).
25. Tulis dan ; maka hipotesisnya mengatakan . Dengan mengiterasikannya kali,
Karena dibawa oleh dan , yakni kepingan Cantor berkedalaman yang diindeks , maka setiap merupakan ukuran peluang yang dibawa ; sedangkan kepingannya berupa selang tertutup saling lepas berpasangan yang berpanjang . Tetapkan lalu misalkan banyaknya kepingan . Sebuah kepingan yang memotong tanpa termuat di dalamnya harus memuat atau , sedangkan sebuah titik terletak paling banyak di satu kepingan, sehingga
Ketaksamaan rangkap yang sama berlaku bagi (sebab pertanyaan 19 memberikan iterasi yang identik), dengan cacahan yang sama. Karena itu : sehingga dan bersesuaian pada sistem- berisi selang setengah terbuka, dan keduanya ukuran peluang, sehingga Teorema 9.7 memberikan . Jadi ukuran tangganya merupakan satu-satunya titik tetap skema perata-rataan dua pemetaan itu — yakni pernyataan setingkat ukuran atas keserupaan diri .