Радоновая мера - Radon measure

В математика (особенно в теория меры ), а Радоновая мера, названный в честь Иоганн Радон, это мера на σ-алгебра из Наборы Бореля из Хаусдорфово топологическое пространство Икс это конечно на всех компактный наборы внешний регулярный на всех борелевских множествах и внутренний регулярный на открыто наборы.^[1] Эти условия гарантируют, что мера «совместима» с топологией пространства, и большинство мер, используемых в математический анализ И в теория чисел действительно радоновые меры.

Мотивация

Распространенная проблема - найти хорошее понятие меры на топологическое пространство это в некотором смысле совместимо с топологией. Один из способов сделать это - определить меру на Наборы Бореля топологического пространства. В целом с этим возникает несколько проблем: например, такая мера может не иметь четко определенного поддержка. Другой подход к теории меры - ограничиться локально компактный Хаусдорфовы пространства, и рассматривать только меры, соответствующие положительному линейные функционалы на пространстве непрерывные функции с компактным носителем (некоторые авторы используют это как определение меры Радона). Это дает хорошую теорию без патологических проблем, но неприменимо к пространствам, которые не являются локально компактными. Если нет ограничений на неотрицательные меры и разрешены комплексные меры, то меры Радона можно определить как непрерывное двойственное пространство на пространстве непрерывные функции с компактной опорой. Если такая мера Радона действительна, то ее можно разложить на разность двух положительных мер. Кроме того, произвольная мера Радона может быть разложена на четыре положительных меры Радона, где действительная и мнимая части функционала представляют собой разности двух положительных мер Радона.

Теория мер Радона обладает большинством хороших свойств обычной теории для локально компактных пространств, но применима ко всем хаусдорфовым топологическим пространствам. Идея определения меры Радона состоит в том, чтобы найти некоторые свойства, которые характеризуют меры на локально компактных пространствах, соответствующих положительным функционалам, и использовать эти свойства в качестве определения меры Радона на произвольном хаусдорфовом пространстве.

Определения

Позволять м быть мерой на σ-алгебра борелевских множеств хаусдорфова топологического пространства Икс.

Мера м называется внутренний регулярный или плотно если для любого открытого набора U, м(U) это супремум из м(K) по всем компактным подмножествам K из U.

Мера м называется внешний регулярный если для любого борелевского множества B, м(B) это инфимум из м(U) по всем открытым множествам U содержащий B.

Мера м называется локально конечный если каждая точка Икс есть район U для которого м(U) конечно.

Если м локально конечна, то м конечна на компактах, и для локально компактных хаусдорфовых пространств верно и обратное.
Таким образом, в этом случае локальная конечность может быть эквивалентно заменена конечностью на компактных подмножествах.

Мера м называется Радоновая мера если он внутренний регулярный, внешний регулярный и локально конечный.

(Теорию мер Радона можно распространить на нехаусдорфовы пространства, по существу, заменив везде слово «компактный» на «замкнутый компакт». Однако, похоже, что применения этого расширения почти нет.)

Меры Радона на локально компактных пространствах

Когда базовое пространство мер является локально компактный топологическом пространстве определение меры Радона может быть выражено в терминах непрерывный линейный функционалов на пространстве непрерывные функции с участием компактная опора. Это позволяет разработать меры и интеграцию с точки зрения функциональный анализ, подход, принятый Бурбаки (2004) Ошибка harvtxt: несколько целей (2 ×): CITEREFBourbaki2004 (Помогите) и ряд других авторов.

Меры

В дальнейшем Икс обозначает локально компактное топологическое пространство. Непрерывный действительные функции с участием компактная опора на Икс сформировать векторное пространство ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)=C_{C}(X)}$, которому можно дать естественный локально выпуклый топология. Действительно, ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)}$ это объединение пространств ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X,K)}$ непрерывных функций с поддержкой, содержащейся в компактный наборы K. Каждое из пространств ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X,K)}$ естественно несет топологию равномерное схождение, что превращает его в Банахово пространство. Но поскольку объединение топологических пространств является частным случаем прямой предел топологических пространств, пространство ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)}$ может быть оснащен прямым ограничением локально выпуклый топология, индуцированная пространствами ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X,K)}$; эта топология тоньше топологии равномерной сходимости.

Если м мера Радона на ${\displaystyle X,}$ тогда отображение

${\displaystyle I:f\mapsto \int f\,dm}$

это непрерывный положительная линейная карта из ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)}$ к р. Позитивность означает, что я(ж) ≥ 0 всякий раз, когда ж - неотрицательная функция. Непрерывность по определенной выше топологии прямого предела эквивалентна следующему условию: для любого компактного подмножества K из Икс существует постоянная M_K такое, что для любой непрерывной вещественнозначной функции ж на Икс с участием поддержка, содержащаяся в K,

${\displaystyle |I(f)|\leq M_{K}\sup _{x\in X}|f(x)|.}$

И наоборот, Теорема о представлении Рисса – Маркова – Какутани, каждый положительный линейная форма на ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)}$ возникает как интегрирование по единственной регулярной борелевской мере.

А действительная мера Радона определяется как Любые непрерывная линейная форма на ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)}$; это как раз и есть отличия двух радоновых мер. Это позволяет отождествить действительные меры Радона с двойное пространство из локально выпуклое пространство ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)}$. Эти действительные меры Радона не обязательно подписанные меры. Например, грех (Икс) dИкс является действительной мерой Радона, но даже не является расширенной мерой со знаком, так как ее нельзя записать как разность двух мер, по крайней мере одна из которых конечна.

Некоторые авторы используют предыдущий подход для определения (положительных) радоновских мер как положительных линейных форм на ${\displaystyle {\mathcal {K}}(X)}$; увидеть Бурбаки (2004) Ошибка harvtxt: несколько целей (2 ×): CITEREFBourbaki2004 (Помогите), Хьюитт и Стромберг (1965) или Дьедонне (1970). В этой схеме обычно используется терминология, в которой меры Радона в указанном выше смысле называются положительный меры и вещественнозначные меры Радона, как указано выше, называются (действительными) мерами.

Интеграция

Чтобы завершить построение теории меры для локально компактных пространств с функционально-аналитической точки зрения, необходимо расширить меру (интеграл) с непрерывных функций с компактным носителем. Это можно сделать для действительных или комплексных функций в несколько этапов:

1. Определение верхний интеграл μ*(г) из полунепрерывный снизу положительная (действительная) функция г как супремум (возможно, бесконечное число) положительных чисел μ(час) для непрерывных функций с компактным носителем час ≤ г
2. Определение верхнего интеграла μ*(ж) для произвольной положительной (действительной) функции ж как нижнюю грань верхних интегралов μ*(г) для полунепрерывных снизу функций г ≥ ж
3. Определение векторного пространства F = F(Икс, μ) как пространство всех функций ж на X, для которого верхний интеграл μ*(|ж|) по модулю конечно; верхний интеграл от модуля определяет полунорма на F, и F это полное пространство относительно топологии, определяемой полунормой
4. Определение пространства L¹(Икс, μ) из интегрируемые функции как закрытие внутри F пространства непрерывных функций с компактным носителем
5. Определение интеграл для функций в L¹(Икс, μ) как продолжение по непрерывности (после проверки того, что μ непрерывна относительно топологии L¹(Икс, μ))
6. Определение меры множества как интеграла (если он существует) от индикаторная функция набора.

Можно проверить, что эти шаги создают теорию, идентичную той, которая начинается с меры Радона, определенной как функция, которая присваивает номер каждому Набор Бореля изИкс.

В Мера Лебега на р может быть введен несколькими способами в этой функционально-аналитической установке. Во-первых, можно полагаться на «элементарный» интеграл, такой как Даниэль интеграл или Интеграл Римана для интегралов от непрерывных функций с компактным носителем, поскольку они интегрируемы для всех элементарных определений интегралов. Мера (в определенном выше смысле), определяемая элементарным интегрированием, и есть мера Лебега. Во-вторых, если кто-то хочет избежать использования интеграла Римана, Даниэля или других подобных теорий, можно сначала разработать общую теорию Меры Хаара и определим меру Лебега как меру Хаара λ на р который удовлетворяет условию нормировкиλ([0,1]) = 1.

Примеры

Ниже приведены все примеры радоновых мер:

• Мера Лебега на евклидовом пространстве (ограниченном борелевскими подмножествами);
• Мера Хаара на любом локально компактная топологическая группа;
• Мера Дирака на любом топологическом пространстве;
• Гауссова мера на Евклидово пространство ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ со своей сигма-алгеброй Бореля;
• Вероятностные меры на σ-алгебре Наборы Бореля любой Польское пространство. Этот пример не только обобщает предыдущий пример, но включает множество мер на нелокально компактных пространствах, таких как Мера Винера на пространстве вещественнозначных непрерывных функций на отрезке [0,1].
• Мера по ${\displaystyle \mathbb {R} }$ является мерой Радона тогда и только тогда, когда это локально конечный Мера Бореля.

Следующее не является примерами радоновых мер:

• Счетная мера на евклидовом пространстве является примером меры, не являющейся мерой Радона, поскольку она не является локально конечной.
• Пространство порядковые самое большее равно ${\displaystyle \Omega }$, то первый несчетный порядковый номер с топология заказа компактное топологическое пространство. Мера, равная 1 на любом борелевском множестве, содержащем несчетное замкнутое подмножество ${\displaystyle [1,\Omega )}$, и 0 в противном случае является борелевским, но не радоновым, поскольку одноточечное множество ${\displaystyle \{\Omega \}}$ имеет нулевую меру, но любая его открытая окрестность имеет меру 1. См. Шварц (1974, п. 45).
• Позволять Икс - интервал [0, 1), снабженный топологией, порожденной набором полуоткрытых интервалов ${\displaystyle \{[a,b):0\leq a<b\leq 1\}}$. Эту топологию иногда называют Линия Sorgenfrey. На этом топологическом пространстве стандартная мера Лебега не является радоновской, поскольку она не является внутренней регулярной, так как компактные множества не более чем счетны.
• Позволять Z быть Набор Бернштейна в ${\displaystyle [0,1]}$ (или любое польское пространство). Тогда нет меры, обращающейся в нуль в точках на Z является мерой Радона, так как любой компакт в Z счетно.
• Стандарт мера продукта на ${\displaystyle (0,1)^{\kappa }}$ для бесчисленных ${\displaystyle \kappa }$ не является мерой Радона, так как любой компакт содержится в произведении несчетного числа отрезков, каждый из которых короче единицы.

Основные свойства

Умеренные радоновые меры

Учитывая меру Радона м на пространстве Икс, мы можем определить другую меру M (на борелевских множествах), положив

${\displaystyle M(B)=\inf\{m(V)\mid V{\text{ is an open set with }}B\subseteq V\subseteq X\}.}$

Мера M является внешним регулярным, локально конечным и внутренним регулярным для открытых множеств. Совпадает с м на компактных и открытых множествах, и м может быть реконструирован из M как единственная внутренняя регулярная мера, аналогичная M на компактах. Мера м называется модерируется если M σ-конечно; в этом случае меры м и M такие же. (Если м σ-конечно, это не означает, что M является σ-конечным, поэтому быть умеренным сильнее, чем быть σ-конечным.)

На наследственно пространство Линделёфа все радоновые мероприятия модерируются.

Пример меры м который является σ-конечным, но не замедляется, определяется как Бурбаки (2004 г., Упражнение 5 раздела 1) Ошибка harvtxt: несколько целей (2 ×): CITEREFBourbaki2004 (Помогите) следующим образом. Топологическое пространство Икс имеет в качестве основного множества подмножество реальной плоскости, заданное у-оси точек (0,у) вместе с точками (1 /п,м/п²) с участием м,п положительные целые числа. Топология выглядит следующим образом. Единичные точки (1 /п,м/п²) все открытые множества. База окрестностей точки (0,у) задается клиньями, состоящими из всех точек в Икс формы (ты,v) с |v − у| ≤ |ты| ≤ 1/п для положительного целого числа п. Это пространство Икс локально компактно. Мера м дается, позволяя у-оси имеют меру 0 и позволяют точке (1 /п,м/п²) имеют меру 1 /п³. Эта мера является внутренней регулярной и локально конечной, но не является внешней регулярной, как любое открытое множество, содержащее у-ось имеет меру бесконечности. В частности у-ось имеет м-мера 0, но M-измерять бесконечность.

Радоновые пространства

Основная статья: Радоновое пространство

Топологическое пространство называется Радоновое пространство если каждая конечная борелевская мера является мерой Радона, и сильно радон если каждая локально конечная борелевская мера является мерой Радона. Любые Пространство суслина является сильно радоновым, и, кроме того, все радоновые меры модерируются.

Двойственность

На локально компактном хаусдорфовом пространстве меры Радона соответствуют положительным линейным функционалам на пространстве непрерывных функций с компактным носителем. Это неудивительно, так как именно это свойство является основной причиной определения меры Радона.

Метрическая пространственная структура

В заостренный конус ${\displaystyle {\mathcal {M}}_{+}(X)}$ всех (положительных) радоновых мер на ${\displaystyle X}$ можно дать структуру полный метрическое пространство путем определения Радоновое расстояние между двумя измерениями ${\displaystyle m_{1},m_{2}\in {\mathcal {M}}_{+}(X)}$ быть

${\displaystyle \rho (m_{1},m_{2}):=\sup \left\{\left.\int _{X}f(x)\,d(m_{1}-m_{2})(x)\ \right|\mathrm {continuous\,} f:X\to [-1,1]\subset \mathbb {R} \right\}.}$

У этого показателя есть некоторые ограничения. Например, пространство Радона. вероятностные меры на ${\displaystyle X}$,

${\displaystyle {\mathcal {P}}(X):=\{m\in {\mathcal {M}}_{+}(X)\mid m(X)=1\},}$

не является последовательно компактный относительно метрики Радона: т.е., не гарантируется, что любая последовательность вероятностных мер будет иметь подпоследовательность, сходящуюся относительно метрики Радона, что представляет трудности в некоторых приложениях. С другой стороны, если ${\displaystyle X}$ компактное метрическое пространство, то Метрика Вассерштейна повороты ${\displaystyle {\mathcal {P}}(X)}$ в компактное метрическое пространство.

Сходимость в метрике Радона влечет слабая сходимость мер:

${\displaystyle \rho (m_{n},m)\to 0\Rightarrow m_{n}\rightharpoonup m,}$

но обратное утверждение в целом неверно. Сходимость мер в метрике Радона иногда называют сильная конвергенция, в отличие от слабой сходимости.

использованная литература

1. Фолланд, Джеральд (1999). Реальный анализ: современные методы и их приложения. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., стр.212. ISBN  0-471-31716-0.

• Бурбаки, Николас (2004), Интеграция I, Springer Verlag, ISBN  3-540-41129-1

Функционально-аналитическое развитие теории меры и интеграла Радона на локально компактных пространствах.

• Бурбаки, Николас (2004), Интеграция II, Springer Verlag, ISBN  3-540-20585-3

Мера Хаара; Меры Радона на общих хаусдорфовых пространствах и эквивалентность определений в терминах линейных функционалов и локально конечных внутренних регулярных мер на сигма-алгебре Бореля.

• Дьедонне, Жан (1970), Трактат об анализе, 2, Academic Press

Содержит упрощенную версию подхода Бурбаки, специализированную для мер, определенных на сепарабельных метризуемых пространствах.

• Хьюитт, Эдвин; Стромберг, Карл (1965), Реальный и абстрактный анализ, Springer-Verlag.
• Кениг, Хайнц (1997), Измерение и интеграция: углубленный курс основных процедур и приложений, Нью-Йорк: Springer, ISBN  3-540-61858-9
• Шварц, Лоран (1974), Меры Радона на произвольных топологических пространствах и цилиндрические меры, Издательство Оксфордского университета, ISBN  0-19-560516-0

внешние ссылки

• Р. А. Минлос (2001) [1994], «Радоновая мера», Энциклопедия математики, EMS Press