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假定实数 a < b, 如果 [a,b] 是可数的,其元素可以排成一列 x(1),x(2),x(3),…
令 L = (b-a)/k, 那么 x(n) 是区间 I(n) = (x(n)-L2^(-n-1),x(n)+L2^(-n-1)) 的中点。
于是区间族 {I(n)} 覆盖了 [a,b]. 但 I(n) 的长度是 L2^(-n),所以应该有
0 < b-a ≤ L(1/2+1/4+1/8+…)=L=(b-a)/k → 0 (k → ∞)
这是荒谬的.所以[a,b]不可数。
这个简单的演示一方面证明了连续统不可数,另一方面证明了任意可数集必是0测集。
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以下的测度特指一维勒贝格测度。
简单说,测度是实数的一个子集族 M(R) 到 [0,∞] 的映射 m, 满足下面两条:
(1) m([a,b]) = b-a (-∞< a < b < ∞)
(2)可数可加性:
如果 {Ej} 是 M(R) 中两两不交的元素(R 的子集)的序列, 那么 m(∪Ej)=∑m(Ej)
即 m(E1∪E2∪E3∪…)=m(E1)+m(E2)+m(E3)+…
关于m(R),我们指出以下性质:
(1) 任何区间都是 M(R) 的元素;
(2) M(R) 中可数个元素的并还是 M(R) 的元素
(3) M(R) 中任意二元素的差还是 M(R) 的元素
由此可推知 M(R) 也对集合的交乃至可数交封闭,每个单点集都是 M(R) 的元素。
一维勒贝格测度的理论就是构造并论证 M(R) 以及映射 m 满足上述性质,而上述性质自洽的理论。
M(R)的元素叫作勒贝格可测集,而 M(R) 是勒贝格可测集全体。
m(E) 叫作集合 E ∈ M(R) 的测度。0测集就是测度为0的集合。显然单点集皆为0测集。
可数无穷多个0测集的并显然还是0测集。
综上,勒贝格测度是朴素的长度概念的数学严格化和集论延拓。
[0,1] 是其单点子集的并 (也就是通常所说的线段由点构成),但[0,1]的测度1=m([0,1])
却不能表为其单点子集的测度的和。原因很简单,不可数无穷多个数的和是无法定义的。
换句话说 0 = 0+0+0+… 至多意味着可数无穷个0测集的并还是0测集。但我们已经证明了区间
不是可数无穷个0测集的并。
“线段是点构成的,线段的测度不等于‘点的测度之和’”这件事情毕竟还是难以消化的。
原因很简单,我们的直觉总是认为整体是部分之和。岂不知整体往往大于部分之和,而且
部分不总是可和的!
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