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本书的目的是介绍初步的测度论知识,为实变函数、公理概率论等其它数学分支的学习做准备。 本书对读者的设定为:假定读者为数学系本科生,能够接受比较抽象的数学语言,了解微积分的基本思想,但在知识上不要求读者系统的学习过数学分析或实分析。 编写者可参考或编辑[[/格式指南|格式指南]],以便使用模板等工具。 ==前言== 测度是点集上的实函数,它是长度、面积、体积等度量的推广,和古典的概念相比,它可以使我们在更一般的点集上讨论诸如长度、面积、体积这样的概念,例如[0,1]上所有有理数构成的集合的长度。 几个出于直觉的要求是:1)空集的测度是0,2)测度是正定的,3)测度可以相加减。第3条需要做一点说明,比较直观的要求是:若<math>\mu</math>是测度则<math>\mu(A\cup B)=\mu(A)+\mu(B)-\mu(A\cap B)</math>。这自然对<math>\mu</math>的定义域提出了要求,即对于交、并、差封闭。更进一步的,我们希望使用极限等工具讨论比较复杂的点集,因而要求得比上面更高一点,即<math>\mu</math>的定义域对于集合的极限运算也封闭,这样它就构成一个 σ-环,是我们第一章讨论的内容。有了这个基础之后,我们再讨论测度的正式定义即基本性质。接下来两章讨论怎样定义一个测度,最后作为一个特例,讨论勒贝格测度。 ==环、 σ-环== 设X是一个集合,那么它的所有子集构成的集合称为X的幂集,记作<math>2^{X}</math>,为了强调它以集合为元素,我们把<math>2^{X}</math>及其真子集都称为集类,相应的X称为基本空间。 {{测度论初步-定义|环|若A是基本空间X的子集构成的集类,并且对于并和差这两种运算封闭,即<math>\forall a \in A, a \subset X</math>,且当<math>\forall a, b \in A</math>时总有<math> a\cup b \in A</math>及<math>a-b\in A</math>,那么称A是一个环。}} (可以验证,如果以对称差为加法,以集合的交为乘法,上述定义符合代数中不要求单位元的环的公理。)由上述定义显然有 {{测度论初步-定理|1.1|环对集合的有限交封闭| 设<math>a\in A, b\in A</math>,于是 <math>a\cap b= a\cup b -(a-b)-(b-a)</math>. 由环的定义,它对并和差封闭,故而<math>a\cap b\in A</math>. }} 如前所述,我们还希望引入集合的极限运算,以便将来讨论极限下的测度,为此定义σ-环如下 {{测度论初步-定义|σ-环|若A是环,并且对于可列并封闭,即<math>\forall a_{n} \in A</math>总有<math> \cup_{n} a_{n} \in A</math>,那么称A是一个σ-环。}} 显然有 {{测度论初步-定理|1.2|σ-环对集合的可列交封闭| 设<math> a_{1}, a_{2}, a_{3}... \in A</math>,于是 <math>\cap_{n} a_{n}= a_{1}\cap_{n}a_{n}=a_{1}-(a_{1}-\cap_{n}a_{n})=a_{1}-\cup_{n}(a_{1}-a_{n})\in A</math>. 由环的定义,它对并和差封闭,故而<math>\cap_{n} a_{n} \in A</math>. }} ===生成环和生成σ-环=== 注意到环(σ-环)的任意交仍是环(σ-环),可以定义任意集类的生成环(σ-环)。 集类E生成的环和σ-环分别记作R(E)和S(E),不难证明:S(R(E))=S(E)。 如果定义<math>R_0=E</math>, <math>R_{n+1}=S_{n+1}\cup T_{n+1}</math>,其中<math>S_{n+1}=\{A\cup B|A,B \in R_{n}\}</math>,<math>T_{n+1}=\{A-B|A,B\in R_{n}\}</math>,则有 {{测度论初步-定理|1.3|<math>R(E)=\cup_{n=0}^{\infty}R_{n}</math>| 由R(E)的定义与R_{n}的构造方式,显然R(E)\subset R_{n}。 另一方面,<math>\forall r_{1}, r_{2} \in \cup_{n}R_{n}</math>, 不妨设<math> r_{1}\in R_{m}, r_{2}\in R_{n}</math><math>m<=n</math>, 那么<math>r_1\cup r_2 \in R_{n+1}, r_1-r_2 \in R_{n+1}, r2-r1 \in R_{n+1}</math>, 从而<math>\cup_{n}R_{n}</math>对并和差封闭,是包含E的环,从而R(E)\subset R_{n}。 综合以上两方面,有<math>R(E)=\cup_{n}R_{n}</math>。}} 生成 σ-环的构造可以用类似的思想得到,不过需要超限数,暂不讨论。 ==环上的测度== ==外测度== ==测度的延拓== ==勒贝格测度==
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