12

Меры в евклидовом пространстве

[12/33%]
Показать
LaTeX
Задача 12.1

Предположим, что μ\mu — мера на R1\mathscr {R}^{1}, конечная на ограниченных множествах и инвариантная относительно сдвигов: μ(A+x)=μ(A)\mu (A+x)=\mu (A). Покажите, что μ(A)=αλ(A)\mu (A)=\alpha \lambda (A) для некоторого α≥0\alpha \geq 0. Обобщите на RkR^{k}

?
Задача 12.2

Предположим, что A∈R1,λ(A)>0A \in \mathscr {R}^{1}, \lambda (A)>0 и 0<θ<10<\theta <1. Покажите, что существует ограниченный открытый интервал II, такой что λ(A∩I)≥θλ(I)\lambda (A \cap I) \geq \theta \lambda (I). Указание: покажите, что можно считать λ(A)\lambda (A) конечной, и выберите открытое GG, такое что A⊂GA \subset G и λ(A)≥θλ(G)\lambda (A) \geq \theta \lambda (G). Теперь G=⋃nInG=\bigcup_{n} I_{n} для дизъюнктных открытых интервалов InI_{n} [A12], и Σnλ(A∩In)≥θ∑nλ(In)\Sigma_{n} \lambda \left(A \cap I_{n}\right) \geq \theta \sum_{n} \lambda \left(I_{n}\right); используйте некоторое InI_{n}.

?
Задача 12.3

↑\uparrow Если A∈R1A \in \mathscr {R}^{1} и λ(A)>0\lambda (A)>0, то начало координат является внутренней точкой множества разностей D(A)=[x−y:x,y∈A]D(A)=[x-y: x, y \in A]. Указание. Выберите ограниченный открытый интервал II, как в задаче 12.2, для θ=34\theta =\frac{3}{4}. Предположим, что ∣z∣<λ(I)/2\left|z\right|<\lambda (I) / 2; поскольку A∩IA \cap I и (A∩I)+z(A \cap I)+z содержатся в интервале длины меньше 3λ(I)/23 \lambda (I) / 2 и, следовательно, не могут быть дизъюнктны, z∈D(A)z \in D(A).

?
Задача 12.4

↑ Следующая конструкция приводит к подмножеству HH единичного интервала, неизмеримому в крайнем смысле, что его внутренняя и внешняя меры Лебега равны 0 и 1:λ∗(H)=01: \lambda_{*}(H)=0 и λ∗(H)=1\lambda^{*}(H)=1 (см. (3.9) и (3.10)). Доведите детали до конца. Идеи те же, что и в построении неизмеримого множества в конце раздела 3. Удобно будет работать в G=[0,1)G=[0,1); пусть ⊕\oplus и Θ\Theta обозначают сложение и вычитание по модулю 1 в GG, которая является группой с единицей 0.

?
(a)

Зафиксируем иррациональное θ\theta в GG и для n=0,±1,±2,…n=0, \pm 1, \pm 2, \ldots пусть ∂n\partial_{n} есть nθn \theta, приведённое по модулю 1. Покажите, что θn⊕θm=θn+m\theta_{n} \oplus \theta_{m}=\theta_{n+m}, θn⊖θm=θn−m\theta_{n} \ominus \theta_{m}=\theta_{n-m}, и что θn\theta_{n} попарно различны. Покажите, что {θ2n:n=0,±1,…}\left\{ \theta_{2 n}: n=0, \pm 1, \ldots \right\} и {θ2n+1:n=0,±1,…}\left\{ \theta_{2 n+1}: n=0, \pm 1, \ldots \right\} плотны в GG.

(b)

Будем считать xx и yy эквивалентными, если x∈yx \in y лежит в {θn:n=0,±1,…}\left\{ \theta_{n}: n=0, \pm 1, \ldots \right\}, что является подгруппой. Пусть SS содержит по одному представителю из каждого класса эквивалентности (каждого смежного класса). Покажите, что G=⋃n(S⊕θn)G=\bigcup_{n}\left(S \oplus \theta_{n}\right), где объединение дизъюнктно. Положим H=∪n(S⊕θ2n)H=\cup_{n}\left(S \oplus \theta_{2 n}\right) и покажем, что G−H=H⊕θG-H=H \oplus \theta.

(c)

Предположим, что AA — борелевское множество, содержащееся в HH. Если λ(A)>0\lambda (A)>0, то D(A)D(A) содержит интервал (0,ϵ)(0, \epsilon ); но тогда некоторое θ2k+1\theta_{2 k+1} лежит в (0,ϵ)⊂D(A)⊂D(H)(0, \epsilon ) \subset D(A) \subset D(H), и, следовательно, θ2k+1=h1−h2=h1Θh2=(s1⊕θ2n1)Θ(s2⊕θ2n2)\theta_{2 k+1}=h_{1}-h_{2}=h_{1} \Theta h_{2}=\left(s_{1} \oplus \theta_{2 n_{1}}\right) \Theta \left(s_{2} \oplus \theta_{2 n_{2}}\right) для некоторых h1,h2h_{1}, h_{2} из HH и некоторых s1,s2s_{1}, s_{2} из SS. Выведите, что s1=s2s_{1}=s_{2}, и получите противоречие. Заключите, что λ∗(H)=0\lambda_{*}(H)=0.

(d)

Покажите, что λ∗(H⊕θ)=0\lambda_{*}(H \oplus \theta )=0 и λ∗(H)=1\lambda^{*}(H)=1. †{ }^{\dagger } См. Wagon для рассказа об этих чудесах.

Задача 12.5

↑\uparrow Приведённая здесь конструкция даёт множества HnH_{n}, такие что Hn↑GH_{n} \uparrow G и λ∗(Hn)=0\lambda_{*}\left(H_{n}\right)=0. Если Jn=G−HnJ_{n}=G-H_{n}, то Jn↓∅J_{n} \downarrow \varnothing и λ∗(Jn)=1\lambda^{*}\left(J_{n}\right)=1.

?
(a)

Пусть Hn=∪k=−nn(S⊕θk)H_{n}=\cup_{k=-n}^{n}\left(S \oplus \theta_{k}\right), так что Hn↑GH_{n} \uparrow G. Покажите, что множества Hn⊕θ(2n+1)kH_{n} \oplus \theta_{(2 n+1) k} дизъюнктны при разных vv.

(b)

Предположим, что AA — борелевское множество, содержащееся в HnH_{n}. Покажите, что AA, а вместе с ним и все A⊕θ(2n+1)tA \oplus \theta_{(2 n+1) t}, имеют меру Лебега 0.

Задача 12.6

Предположим, что μ\mu неотрицательна и конечно аддитивна на Rk\mathscr {R}^{k} и что μ(Rk)<∞\mu \left(R^{k}\right)<\infty. Предположим далее, что μ(A)=sup⁡μ(K)\mu (A)=\sup \mu (K), где KK пробегает компактные подмножества AA. Покажите, что μ\mu счётно аддитивна (сравните с теоремой 12.3(ii).)

?
Задача 12.7

Предположим, что μ\mu — мера на Rk\mathscr {R}^{k}, такая что ограниченные множества имеют конечную меру. Для заданного AA покажите, что существуют FσF_{\sigma }-множество UU (счётное объединение замкнутых множеств) и GδG_{\delta }-множество VV (счётное пересечение открытых множеств), такие что U⊂A⊂VU \subset A \subset V и μ(V−U)=0\mu (V-U)=0.

?
Задача 12.8

2.19↑2.19 \uparrow Предположим, что μ\mu — неатомическая вероятностная мера на (Rk,Rk)\left(R^{k}, \mathscr {R}^{k}\right) и что μ(A)>0\mu (A)>0. Покажите, что существует несчётное компактное множество KK, такое что K⊂AK \subset A и μ(K)=0\mu (K)=0.

?
Задача 12.9

Минимальным замкнутым носителем меры μ\mu на Rk\mathscr {R}^{k} называется замкнутое множество CμC_{\mu }, такое что Cμ⊂CC_{\mu } \subset C для замкнутого CC тогда и только тогда, когда CC является носителем μ\mu. Докажите его существование и единственность. Охарактеризуйте точки CμC_{\mu } как те xx, для которых μ(U)>0\mu (U)>0 для любой окрестности UU точки xx. Если k=1k=1 и μ\mu и функция F(x)F(x) связаны соотношением (12.5), то условие имеет вид F(x−ϵ)<F(x+ϵ)F(x-\epsilon )<F(x+\epsilon ) для всех ϵ\epsilon; в этом случае xx называется точкой возрастания FF.

?
Задача 12.10

Незначительный интерес представляет собой kk-мерный аналог (12.4). Пусть IiI_{i} есть ( 0,t0, t ] при t≥0t \geq 0 и (t,0](t, 0] при t≤0t \leq 0, и пусть Ax=Ix1×⋯×IxkA_{x}=I_{x_{1}} \times \cdots \times I_{x_{k}}. Пусть φ(x)\varphi (x) равно +1 или -1 в зависимости от того, чётно или нечётно число i,1≤i≤ki, 1 \leq i \leq k, для которых xi<0x_{i}<0. Покажите, что если F(x)=φ(x)μ(Ax)F(x)=\varphi (x) \mu \left(A_{x}\right), то (12.12) выполняется для ограниченных прямоугольников AA.

Назовём FF вырожденной, если она является функцией некоторых k−1k-1 координат, причём в случае k=1k=1 требование состоит в том, что FF постоянна. Покажите, что ΔAF=0\Delta_{A} F=0 для любого ограниченного прямоугольника тогда и только тогда, когда FF — конечная сумма вырожденных функций; (12.12) определяет FF с точностью до прибавления функции такого рода.

?
Задача 12.11

Пусть GG — неубывающая, непрерывная справа функция на прямой, и положим F(x,y)=min⁡{G(x),y}F(x, y)=\min \left\{ G(x), y\right\}. Покажите, что FF удовлетворяет условиям теоремы 12.5, что кривая C=[(x,G(x)):x∈R′]C=\left[(x, G(x)): x \in R^{\prime }\right] является носителем соответствующей меры и что λ2(C)=0\lambda_{2}(C)=0.

?
Задача 12.12

Пусть F1F_{1} и F2F_{2} — неубывающие, непрерывные справа функции на прямой, и положим F(x1,x2)=F1(x1)F2(x2)F\left(x_{1}, x_{2}\right)=F_{1}\left(x_{1}\right) F_{2}\left(x_{2}\right). Покажите, что FF удовлетворяет условиям теоремы 12.5. Пусть μ,μ1,μ2\mu , \mu_{1}, \mu_{2} — меры, соответствующие F,F1,F2F, F_{1}, F_{2}, и докажите, что μ(A1×A2)=μ1(A1)μ2(A2)\mu \left(A_{1} \times A_{2}\right)=\mu_{1}\left(A_{1}\right) \mu_{2}\left(A_{2}\right) для интервалов A1A_{1} и A2A_{2}. Эта μ\mu является произведением μ1\mu_{1} и μ2\mu_{2}; произведения изучаются в общей обстановке в разделе 18.

?