측도

testwiki
둘러보기로 이동 검색으로 이동

틀:위키데이터 속성 추적 틀:다른 뜻 수학에서 측도(測度, 틀:Llang)는 특정 부분 집합에 대해 일종의 ‘크기’를 부여하며, 그 크기를 가산개로 쪼개어 계산할 수 있게 하는 함수이다.[1] 측도의 개념은 유한 집합의 원소의 수 · 실수 구간길이 · 평면 도형의 넓이 · 3차원 입체의 부피의 개념을 공통적으로 일반화한다. 측도가 부여된 집합을 측도 공간(測度空間, 틀:Llang)이라고 한다. 이와 같이 측도와 측도 공간을 연구하는 수학 분야를 측도론(測度論, 틀:Llang)이라고 한다.

정의

측도

불 대수의 두 원소 x,yB에 대하여, xy=라면 두 원소가 서로소(-素, 틀:Llang)라고 한다.

임의의 음이 아닌 확장된 실수들의 (비가산일 수 있는) 집합 S[0,]의 합을 다음과 같이 정의하자.[2]틀:Rp

S=supSS|S|<0S[0,]

임의의 기수 κ가 주어졌다고 하자. κ-완비 불 대수 Σ 위의 함수 μ:Σ[0,]가 다음 조건을 만족시킨다면, μκ-가법 측도(-加法測度, 틀:Llang)라고 한다.

  • 임의의 서로소 원소들로 구성된 부분 집합 𝒮Σ에 대하여, 만약 |𝒮|<κ라면, μ(𝒮)=μ[𝒮].
    • (특히, κ1일 때, 𝒮=일 경우 μ(Σ)=0이다.)
    • (특히, κ2일 때, 임의의 AB에 대하여 μ(B)=μ(A)+μ(B¬A)μ(A)이므로, μ증가 함수이다.)

여기서 [0,]는 음이 아닌 확장된 실수전순서 집합이며, 상한을 뜻하며, Σ은 시그마 대수의 최소 원소이다.

만약 2<κ0일 경우, μ유한 가법 측도(有限加法測度, 틀:Llang)라고 한다. 만약 κ=1인 경우, 1-완비 불 대수시그마 대수라고 하며, μ가산 가법 측도(加算加法測度, 틀:Llang) 또는 시그마 가법 측도(σ加法測度, 틀:Llang) 또는 단순히 측도라고 한다.

불 대수 B 위의 함수 μ:B[0,]에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.

  • 유한 가법 측도이다.
  • 다음 세 조건이 성립한다.
    • μ(B)=0
    • (증가성) 임의의 x,yB에 대하여, 만약 xy라면, μ(x)μ(y)
    • (모듈러성) 임의의 x,yB에 대하여, μ(xy)+μ(xy)=μ(x)+μ(y)

유한 측도

κ-완비 불 대수 Σ 위의 κ-가법 측도 μ에 대하여, 만약 μ(Σ)<라면 μ유한 측도(有限測度, 틀:Llang)라고 한다. 만약 μ(Σ)=1이라면 μ확률 측도라고 한다. 사실, 임의의 κ>1에 대하여, κ-가법 유한 측도는 가산 가법 유한 측도와 동치이다. 이는 유한 가법 유한 측도를 갖는 불 대수가산 사슬 조건(즉, 서로소 원소들의 비가산 집합을 갖지 않음)을 만족시키기 때문이다.[3]틀:Rp

증명:

불 대수 B가 유한 가법 유한 측도 μ:B[0,]를 갖는다고 하자. 귀류법을 사용하여, B가 서로소 원소들의 비가산 집합 SB를 갖는다고 하자.

Si={sS:μ(s)1i}(i+)

라고 하자. 그렇다면 S{B}=i=1Si이므로 |Si0|0i0+가 존재한다. 따라서,

μ(B)supSSi0|S|<0μ(S)=supSSi0|S|<0μ[S]supSSi0|S|<0|S|i0=>μ(B)

이며, 이는 모순이다.

시그마 대수 Σ 위의 가산 가법 측도 μ에 대하여, 만약

𝒮=Σ
S𝒮:μ(S)<
|𝒮|0

를 만족시키는 부분 집합 𝒮Σ가 존재한다면, μ시그마 유한 측도(σ有限測度, 틀:Llang)라고 한다.

불 대수 위의 유한 가법 측도 μ:Σ[0,]에 대하여, 만약 다음 조건이 성립한다면, μ준유한 측도(準有限測度, 틀:Llang)라고 한다.[4]틀:Rp

  • 임의의 SΣ에 대하여, 만약 μ(S)>0이라면, 0<μ(T)<ΣTS가 존재한다.

완비 불 대수 위의 준유한 가산 가법 측도를 마하람 측도(틀:Llang) 또는 국소화 가능 측도(틀:Llang)라고 한다.[4]틀:Rp

영집합의 순서 아이디얼

κ-완비 불 대수 Σ 위의 측도 μ가 주어졌을 때, 그 영원소(零元素, 틀:Llang)는 측도가 0인 원소이다. 그 집합을 다음과 같이 표기하자.

Null(Σ,μ)={SΣ:μ(S)=0}

이는 κ-완비 순서 아이디얼을 이루며, 따라서 몫 대수 Σ~=Σ/Null(Σ,μ)를 정의할 수 있고, μ는 그 위에 잘 정의된다. 이 경우, 추가로 다음 성질이 성립한다.

S~Σ~:μ(S~)=0S~=Σ~

즉, 이 경우 자명하지 않은 영원소들을 없앨 수 있다.

측도 공간

측도 대수(測度代數, 틀:Llang)는 시그마 대수 Σ와 그 위의 측도 μ순서쌍 (Σ,μ)이다.[5]틀:Rp

가측 공간 (X,Σ)에서, 가측 집합들의 집합족 Σ𝒫(X)시그마 대수를 이룬다. 측도 공간 (X,Σ,μ)가측 공간 (X,Σ)Σ 위의 측도 μ순서쌍이다. 만약 μ가 확률 측도라면, (X,Σ,μ)확률 공간이라고 한다.

연산

합측도

임의의 측도 공간들의 족 (Xi,Σi,μi)iI이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 그 분리합집합

X=iIXi

위에 시그마 대수

Σ=σ(Σi)

를 부여하고, 그 위에 측도

μ(iISi)=iIμi(Si)(iI:SiΣi)

를 부여할 수 있다.

곱측도

측도 공간 (X,Σ,μ), (X,Σ,μ)가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 곱집합 X×X 위에 시그마 대수

Σ×Σ=σ({S×S:SΣ,SΣ})

를 부여하자. (여기서 σ()는 주어진 집합족으로 생성되는 최소의 시그마 대수를 뜻한다.) 이제, 추가로 μμ이 시그마 유한 측도라면, Σ×Σ 위에 다음과 같은 측도를 부여할 수 있다.

μ×μ:AXμ({x:(x,y)A})dμ(y)=Xμ({y:(x,y)A})dμ(x)(AΣ×Σ)

시그마 유한 조건 아래, 이는 다음 항등식을 만족시키는, Σ×Σ 위의 유일한 측도이다.

(μ×μ)(S×S)=μ(S)μ(S)SΣ,SΣ

(우변에서 0=0=0으로 놓는다.)

그러나 만약 시그마 유한 조건이 성립하지 않는다면 위 등식이 성립하지 못할 수 있다.

성질

임의의 측도 공간 (X,Σ,μ)에서 다음 명제들이 성립한다.

  • (단조성) 부분 순서 집합 (Σ,)에서 음이 아닌 확장 실수선의 전순서 집합 ([0,],)으로 가는 함수 μ단조함수이다. 즉, S1,S2Σ이며 S1S2라면 μ(S1)μ(S2)이다.
  • 만약 S1,S2,Σ라면, 다음이 성립한다.
    μ(i=1Si)=limnμ(i=1nSi)i=1μ(Si)
    어떤 n에 대해 μ(i=1nSi)<라면, μ(i=1Si)=limnμ(i=1nSi)

거리 구조

불 대수 Σ 위의 유한 가법 측도 μ:Σ[0,]가 주어졌다고 하자. 그렇다면, Σ 위에 다음과 같은 확장된 유사 거리 함수(틀:Llang) d:Σ×Σ[0,]를 정의할 수 있다.

d(A,B)=μ(AB)=μ(ABBA)(A,BΣ)

여기서 대칭차이다.

증명:

자명하지 않은 유일한 조건은 삼각 부등식이다. 임의의 A,B,CΣ에 대하여,

(AB)(BC)=(ABC)(ABC)AC

이므로 (벤 다이어그램 참고)

d(A,B)+d(B,C)μ((AB)(BC))d(A,C)

이다.

만약 μ가 유한 측도라면, 이는 유사 거리 공간을 이루며, 측도 대수 Σ/Null(Σ,μ)거리 공간을 이룬다.

원자

불 대수 Σ 위의 유한 가법 측도 μ:Σ[0,]가 주어졌을 때, 영원소들의 순서 아이디얼

Null(Σ,μ)={SΣ:μ(S)=0}

을 생각하자. μ원자(原子, 틀:Llang)는 ΣNull(Σ,μ)극소 원소이다. (다시 말해, 몫대수 Σ/Null(Σ,μ)순서론적 원자이다.) 즉, 다음 두 조건을 만족시키는 원소 SΣ이다.

  • μ(S)>0
  • 임의의 S<S에 대하여, μ(S)=0

원자를 갖지 않는 측도를 비원자적 측도(非原子的測度, 틀:Llang)라고 한다.

다음 데이터가 주어졌다고 하자.

  • Σ는 (추상적) 시그마 대수이다.
  • μ:Σ[0,]는 그 위의 비원자적 가산 가법 측도이다. 또한, μ(Σ)>0이다.

그렇다면, 비원자적 측도에 대한 중간값 정리(틀:Llang)에 따르면, 다음 두 조건을 만족시키는 함수 f:[0,μ(Σ)]Σ가 존재한다.

  • f증가 함수이다. 즉, 임의의 0abμ(Σ)에 대하여 f(a)f(b)이다.
  • fμ오른쪽 역함수이다. 즉, 임의의 a[0,μ(Σ)]에 대하여 μ(f(a))=a이다.

증명:

증명은 다음과 같다.

부분 정의 함수들의 집합

ΓD[0,μ(Σ)]ΣD

이 정의에 등장하는 두 조건을 만족시키는 (즉, 증가 함수이며 μ오른쪽 역함수인) 부분 정의 함수들로 구성되었다고 하자. 이 위에 통상적인 부분 순서

ff(DD)(f=fD)(fΣD,fΣD)

를 주자. 그렇다면, Γ닫힌 부분 순서 집합임을 쉽게 확인할 수 있으며, 초른 보조정리에 의하여 극대 원소 fmaxΓ를 갖는다.

귀류법을 사용하여, 임의의 a,bdomfmax에 대하여, a<b이며 (a,b)[0,μ(Σ)]domfmax라고 하자. 그렇다면, f(b)¬f(a)Σμ의 원자가 되어 가정에 모순된다.

귀류법을 사용하여, C=[0,μ(Σ)]domfmax이라고 하자. C 속에 포함되는 열린구간들의 족은 초른의 보조 정리에 의하여 극대 원소 (a,b)C를 갖는다. 극대 원소의 정의에 따라, a로 수렴하는 증가 수열

a0,a1,[0,a]domfmax

b로 수렴하는 감소 수열

b0,b1,[b,μ(Σ)]domfmax

가 존재한다. 이제,

S=i=0f(ai)Σ
S+=i=0f(bi)Σ

를 정의하면,

aμ(S)μ(S+)b

가 되므로, {μ(S),μ(S+)}domfmax이며, ②에 따라 c(μ(S),μ(S+))domfmaxCdomfmax=가 존재하는데, 이는 모순이다.

따라서, 이러한 Σ크기20 이상이며, 만약 어떤 집합 X에 대하여 ΣPow(X)라면 X의 크기 역시 20 이상이다.

분류

가산 가법 측도 대수 μ:Σ[0,]가 다음 조건을 만족시킨다면 동질 측도 대수(同質測度代數, 틀:Llang)라고 한다.

  • 임의의 두 S,TΣ에 대하여, 만약 μ(S),μ(T)>0일 경우, wt(μ{S})=wt(μ{T})이다.

여기서 wt는 (유사 거리 공간으로서의) 무게이며, 하집합을 뜻하며, 하집합에 제한하여 얻는 측도 대수를 뜻한다.

마하람 정리(틀:Llang)에 따르면, 다음이 성립한다.

  • 모든 가산 가법 측도 대수는 가산 개의 동질 측도 대수들의 직합이다.[5]틀:Rp[6]틀:Rp
  • 모든 동질 측도 대수에 대하여, 만약 확률 측도 대수라면, 어떤 기수 κ에 대하여 P(κ)와 동형이다.[5]틀:Rp[6]틀:Rp

여기서, P(κ)는 곱공간 [0,1]κ의 측도 대수이다. 즉, 닫힌구간 [0,1] 위에 르베그 측도를 부여한 뒤, κ개의 곱측도를 취하고, 영집합 시그마 아이디얼에 대한 몫을 취하여 얻는 측도 대수이다.

집합 위의 측도

임의의 불 대수 B 위에서, 값 0을 갖는 상수 함수는 항상 유한 가법 측도를 이루며, 만약 Bκ-완비 불 대수라면 이는 κ-가법 측도이다.

셈측도는 집합의 원소 개수를 의미하는 측도이다. 이는 유한 집합 위에 사용되는 통상적인 측도이다.

디랙 측도(틀:Llang)는 집합에 특정 원소가 포함되는지에만 값이 결정된다. 어떠한 원소 aX에 대해, 디랙 측도 δa(E)Ea가 포함되면 1, 그렇지 않으면 0의 값을 가진다. 즉, 지시 함수 𝟏E(a)로 표현할 수 있다. 디랙 측도는 디랙 델타 함수를 측도로 표현한 것으로 볼 수 있다.

집합론에서는 측정 측도가 존재할 수 있는 기수가측 기수라고 한다.

불 대수 B 위의 극대 필터 UB가 주어졌을 때, 다음과 같은 유한 가법 확률 측도를 정의할 수 있다.

μ(b)={1bB0b∉B

위상 공간

임의의 거리 공간 위에는 하우스도르프 측도라는 측도가 존재한다.

유클리드 공간 위에는 통상적으로 르베그 측도가 사용된다.

위상군 위에는 하르 측도라는 측도가 존재한다.

역사

1898년 저서[7]에서 에밀 보렐구간의 길이의 개념을 가산 가법성을 사용하여 실수선의 보렐 집합에 대하여 일반화하였다. 즉, 현대적인 용어로 보렐은 실수선의 보렐 집합르베그 측도를 정의하였다.

이후 1902년 박사 학위 논문[8]에서 앙리 르베그는 보렐의 이론을 간략화·일반화하였으며, 고차원 유클리드 공간르베그 측도를 정의하였고, 이를 통하여 함수의 적분 이론을 전개하였다.

같이 보기

각주

틀:각주

참고 문헌

외부 링크

틀:위키낱말사전

틀:수학 분야 틀:전거 통제