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測度そくどろん

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測度そくどから転送てんそう
AB部分ぶぶん集合しゅうごうなら、A測度そくどBひとしいかそれよりちいさい。またそら集合しゅうごう測度そくど0 でなければならない。

測度そくどろん(そくどろん、えい: measure theory)は、数学すうがくじつ解析かいせきにおけるいち分野ぶんやで、測度そくどとそれに関連かんれんする概念がいねん完全かんぜん加法かほうぞくはか関数かんすう積分せきぶんひとし)を研究けんきゅうする。ここで測度そくど(そくど、えい: measure)とは面積めんせき体積たいせき個数こすうといった「おおきさ」にかんする概念がいねん精緻せいち一般いっぱんしたものである。よくられているように積分せきぶん面積めんせき関係かんけいがあるので、積分せきぶん厳密げんみつにはルベーグ積分せきぶん)も測度そくどろん基盤きばんにして定式ていしき研究けんきゅうできる[1]

また、測度そくど概念がいねんかくりつ数学すうがくてき定式ていしきするさいにももちいられるため(コルモゴロフの公理こうり)、確率かくりつろん統計とうけいがくにおいても測度そくどろん重要じゅうようである。たとえば「サイコロの偶数ぐうすうになるかくりつ」はが 1, ..., 6 になるという 6 つの事象じしょう集合しゅうごうなかで、2, 4, 6 という 3 つぶんの「おおきさ」をっているため、測度そくど概念がいねん記述きじゅつできる。

概説がいせつ[編集へんしゅう]

あたえられた集合しゅうごうじょう測度そくどは 2 段階だんかいのステップで定義ていぎされる。まずその集合しゅうごう部分ぶぶん集合しゅうごう測度そくど定義ていぎ可能かのうなもの(はか集合しゅうごうという)はどれであるかをめ、つぎにそれらの部分ぶぶん集合しゅうごうたい具体ぐたいてき測度そくど定義ていぎする。測度そくど定義ていぎ形式けいしきてきあたえられ、その要件ようけんは、そら集合しゅうごう測度そくど0 であることと、n たがいに集合しゅうごう測度そくどがそれらの集合しゅうごう集合しゅうごう測度そくど一致いっちすることだけである。前述ぜんじゅつした面積めんせき体積たいせき個数こすうはいずれも測度そくどであることが容易よういたしかめられる。

重要じゅうようなことはうえ定義ていぎn可算かさんであってもよいということである。このことが測度そくどろんをベースにした積分せきぶん定義ていぎルベーグ積分せきぶん)を従来じゅうらい定義ていぎリーマン積分せきぶん)よりも使つかやすくしており、前者ぜんしゃでは適切てきせつ条件じょうけんのもと積分せきぶん可算かさん順番じゅんばん交換こうかんできることを保証ほしょうできる(有界ゆうかい収束しゅうそく定理ていり)が、後者こうしゃ場合ばあいおな条件下じょうけんかであってもこのたね交換こうかん有限ゆうげんのときにしか保証ほしょうされない。

この測度そくど概念がいねんで、測度そくど定義ていぎできない集合しゅうごう存在そんざいすることがられている。たとえば うえ測度そくどとして面積めんせきかんがえた場合ばあい面積めんせき定義ていぎできない集合しゅうごう存在そんざいする。しかしながら面積めんせき定義ていぎできない集合しゅうごう通常つうじょう方法ほうほうではつくれない(そのような集合しゅうごうつくるには選択せんたく公理こうり必要ひつようである)ことがられているため、面積めんせき定義ていぎできない集合しゅうごうがあるという事実じじつは、 うえ測度そくどろん展開てんかいするじょうであまり障害しょうがいにならない。ただし面積めんせき定義ていぎできない集合しゅうごう存在そんざいすることを利用りようすると、非常ひじょう不可解ふかかい性質せいしつみちびくことができることがられている(バナッハ=タルスキーのパラドックス)。

歴史れきし[編集へんしゅう]

歴史れきしてき微分びぶん積分せきぶんがくあつかうことのできた素朴そぼく意味いみでの体積たいせき一般いっぱんには多次元たじげん体積たいせき)は、リーマン積分せきぶんもちいてあらわされ、有限ゆうげん加法かほうてきであった。1902ねんアンリ・ルベーグかれ学位がくい論文ろんぶん積分せきぶんながさ、体積たいせき』("Intégrale, longueur, aire") において測度そくど概念がいねん確立かくりつする。これによりあらたに定義ていぎされた"体積たいせき"は、完全かんぜん加法かほうてきであることを積極せっきょくてき要求ようきゅうしたため、極限きょくげん概念がいねんとの親和しんわせいたかく、そのためリーマン積分せきぶん(とジョルダン測度そくど)による場合ばあいよりもおおくの集合しゅうごう体積たいせき定義ていぎ可能かのうとなった。これが測度そくどろんはじまりである。

形式けいしきてき定義ていぎ[編集へんしゅう]

形式けいしきてきに、集合しゅうごう X部分ぶぶん集合しゅうごうからなる完全かんぜん加法かほうぞく A うえ定義ていぎされる可算かさん加法かほうてき測度そくど μみゅー とは拡張かくちょうされた区間くかん [0, ∞]つ(つまり、無限むげんだいゆる非負ひふの)関数かんすうであって、つぎ性質せいしつたすもののことである:

  1. そら集合しゅうごう測度そくど0 である。
  2. 完全かんぜん加法かほうせい可算かさん加法かほうせい):E1, E2, E3, ...どのふたつもたがいに共通きょうつう部分ぶぶんたない Aぞくする集合しゅうごうれつならば

Aもとはか集合しゅうごう (measurable sets) とばれる。 また、数学すうがくてき構造こうぞう (X, A, μみゅー )測度そくど空間くうかん (measure space) とばれる。つぎ性質せいしつは、うえ定義ていぎからみちびかれるものである:

  • 単調たんちょうせいE1E2はか集合しゅうごうE1E2たすならば、
  • E1, E2, E3, ...はか集合しゅうごうれつで、かく n において EnEn+1 ならば、En たちの集合しゅうごうはか
  • E1, E2, E3, ...はか集合しゅうごうれつで、かく n において EnEn+1 ならば、En たちの共通きょうつう部分ぶぶんはかである。さらに、すくなくとも 1 つの n について En測度そくど有限ゆうげんであるならば

σしぐま-有限ゆうげん測度そくど[編集へんしゅう]

測度そくど空間くうかん Ωおめが有限ゆうげんであるというのは、μみゅー (Ωおめが)有限ゆうげんであることである。また、Ωおめが測度そくど有限ゆうげんなるはか集合しゅうごう可算かさんあらわされるとき、Ωおめがσしぐま -有限ゆうげんであるという。測度そくど空間くうかんぞくする集合しゅうごうは、それが測度そくど有限ゆうげんなるはか集合しゅうごう可算かさんやわであるとき σしぐま -有限ゆうげん測度そくどつという。

たとえば、実数じっすう全体ぜんたい集合しゅうごう標準ひょうじゅんルベーグ測度そくどかんがえた測度そくど空間くうかんσしぐま -有限ゆうげんであるが、有限ゆうげんではない。実際じっさいに、任意にんい整数せいすう kたいして 閉区あいだ [k , k + 1]かんがえると、これらは可算かさんであり、それぞれ測度そくど 1 であって、集合しゅうごうかんがえれば実数じっすう直線ちょくせんくす。

たいして、実数じっすう全体ぜんたい集合しゅうごうかぞ測度そくどかんがえる。これは、実数じっすうからなる有限ゆうげん集合しゅうごうに、その集合しゅうごうはいてんかず対応たいおうさせるものである。この測度そくど空間くうかんσしぐま -有限ゆうげんでない。なぜなら、どの測度そくど有限ゆうげん集合しゅうごう有限ゆうげんてんしかたないのであって、その可算かさん集合しゅうごう高々たかだか可算かさんであるので、可算かさん集合しゅうごうであるすう直線ちょくせん被覆ひふくくすことができないからである。

σしぐま -有限ゆうげん測度そくど空間くうかん非常ひじょうによい性質せいしつっている; σしぐま -有限ゆうげんせい位相いそう空間くうかん可分かぶんせいになぞらえることができる.

完備かんびせい[編集へんしゅう]

はか集合しゅうごう Sμみゅー(S) = 0 であるときれい集合しゅうごう (null set) という。測度そくど μみゅー完備かんび (complete) であるとは、れい集合しゅうごうすべての部分ぶぶん集合しゅうごうはかであることである。もちろん自動的じどうてきれい集合しゅうごう自身じしんはかとなる。

測度そくど完備かんび測度そくど拡張かくちょうすることは簡単かんたんである。単純たんじゅんに、はか集合しゅうごう Sれい集合しゅうごうぶんだけことなる集合しゅうごう S' たち(すなわち、そのような SS'対称たいしょうれい集合しゅうごうである)をすべてわせたものの完全かんぜん加法かほうぞくかんがえればよい。

れい[編集へんしゅう]

  • れい測度そくど(null measure):すべてのはか集合しゅうごうSにたいしてμみゅー(S ) = 0となるような測度そくど

以下いか重要じゅうよう測度そくどをいくつかかかげる。

一般いっぱん[編集へんしゅう]

目的もくてきによっては、"測度そくど" の値域ちいき非負ひふ実数じっすうあるいは無限むげんだい制限せいげんしないものも有用ゆうようである。たとえば、可算かさん加法かほうてき集合しゅうごう関数かんすう符号ふごうゆる実数じっすうをとるものは符号ふごうづけ測度そくどばれる。同様どうよう関数かんすう複素数ふくそすうをとるものは複素ふくそ測度そくどばれる。バナッハ空間くうかんをとる測度そくどスペクトル測度そくど (spectral measure) とばれ、おも関数かんすう解析かいせきがくにおいてスペクトル定理ていり (spectral theorem) などにもちいられる。これらの一般いっぱんした測度そくどとの区別くべつのため、通常つうじょう測度そくどを"せい測度そくど"とぶことがある。

ほかの一般いっぱんとして有限ゆうげん加法かほうてき測度そくど (premeasure) がある。これは、完全かんぜん加法かほうせいわりに有限ゆうげん加法かほうせいすことをのぞけば測度そくどおなじである。歴史れきしてきには、こちらの定義ていぎほうさき使つかわれていたが、あまり有用ゆうようではないことが証明しょうめいされた。

ハドヴィガーの定理ていり (Hadwiger's theorem) としてられる積分せきぶん幾何きかがくにおける注目ちゅうもくすべき結果けっかによると、Rn のコンパクトとつ集合しゅうごう有限ゆうげんうえ定義ていぎされた平行へいこう移動いどう不変ふへん有限ゆうげん加法かほうてきで、かならずしも非負ひふではない集合しゅうごう関数かんすうのなす空間くうかんは、(スカラーばいちがいをのぞき)かく k = 0, 1, 2, ..., nたいして「次数じすう kひとしつぎな」測度そくどとそれらの測度そくど線型せんけい結合けつごうからなる。「次数じすう kひとしつぎな」とは、任意にんい集合しゅうごうc > 0 ばいすると測度そくどck ばいになるということである。次数じすう nひとしつぎ測度そくど通常つうじょうn 次元じげん体積たいせきであり、次数じすう n − 1ひとしつぎ測度そくどは「表面積ひょうめんせき」である。次数じすう 1ひとしつぎ測度そくどは「平均へいきんはば」というあやましょうをもつ不思議ふしぎ関数かんすうである。次数じすう 0ひとしつぎ測度そくどオイラーしるべすうである。

脚注きゃくちゅう[編集へんしゅう]

  1. ^ 測度そくどろんの「お気持きもち」を最短さいたん理解りかいする https://qiita.com/mo-mo-666/items/731bf1d58a7720aa7739 測度そくどろんの「お気持きもち」を最短さいたん理解りかいする - Qiita]

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

  • P. Halmos (1950). Measure theory. D. van Nostrand and Co. 
  • M. E. Munroe (1953). Introduction to Measure and Integration. Addison Wesley 

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]