Moderni reaalianalyysi, Syksy

Transkriptio

1 Moderni reaalianalyysi, Syksy Ilkka Holopainen syyskuuta Perustuvat pääosin luentomonisteisiin Saksman: Moderni reaalianalyysi (1998) ja Astala: Moderni reaalianalyysi (2002) 2 Ilmoita painovirheistä esim. sähköpostitse osoitteeseen ilkka.holopainen@helsinki.fi

2 2 Moderni reaalianalyysi Sisältö 1 Mitta- ja integrointiteorian kertausta ja täydennystä Mitat Metriset ulkomitat Mittojen säännöllisyys, Radon-mitat Mittojen yksikäsitteisyys Mittojen laajentaminen Tulomitta Fubinin lause Hausdorffin mitat Hausdorffin mitan perusominaisuudet Hausdorff-dimensio Hausdorffin mitat R n :ssä Suoristuvat ja epäsuoristuvat 1-joukot R n :n Radon-mittojen kompaktius- ja konvergenssilauseita Rieszin esityslause Mittojen heikko suppeneminen Mittojen kompaktius Fraktaalien Hausdorff-dimensiosta Massajaon periaate ja Frostmanin lemma Itsesimilaarit fraktaalit Itsesimilaarin fraktaalin piirtäminen satunnaiskävelyllä Rieszin kapasiteetti Derivointi Besicovitchin peitelause ja Vitalin peitelause R n :n Radon-mitoille R n :n Radon-mittojen derivointi Merkkimitat Radon-Nikodymin lause Radon-Nikodym derivaatta ja muuttujan vaihto

3 Syyslk Mitta- ja integrointiteorian kertausta ja täydennystä 1.1 Mitat Olkoon X joukko ja X:n potenssijoukko. P(X) = {A: A X} Määritelmä 1.2. Kokoelma M P(X) on σ-algebra sigma-algebra ) X:ssä, jos (1) M; (2) A M A c = X \A M; (3) A i M, i N A i M. Esimerkki P(X) on laajin σ-algebra X:ssä; 2. {, X} on pienin σ-algebra X:ssä; 3. Leb(R n ) = R n :n Lebesgue-mitalliset joukot. 4. Jos M on σ-algebra X:ssä ja A X, niin on σ-algebra A:ssa. 5. Jos M on σ-algebra X:ssä ja A M, niin on σ-algebra X:ssä. M A = {B A: B M} M A = {B X: B A M} Määritelmä 1.4. Jos F P(X) on jokin perhe X:n osajoukkoja, niin σ(f) = {M: M on σ-algebra X:ssä, F M} on F:n virittämä σ-algebra. Se on pienin σ-algebra, joka sisältää F:n. Esimerkki 1.5. Palautetaan mieliin, että joukko I R n on avoin n-väli, jos se on muotoa missä a j < b j +. Silloin I = {(x 1,...,x n ): a j < x j < b j }, σ({i: I n-väli}) = σ({a: A R n avoin}) merk. = Bor(R n ) on R n Borel-joukkojen σ-algebra. (Mieti, miksi vasemmalla puolella on yhtäsuuruus.) Havaitaan, että R n :n kaikki avoimet joukot, suljetut joukot, G δ -joukot (avointen joukkojen numeroituvatleikkaukset), F σ -joukot(suljettujenjoukkojennumeroituvatyhdisteet),f σδ -joukot,g δσ - joukot (jne.) ovat Borel-joukkoja. Siten esimerkiksi rationaalilukujen joukko Q on Borel.

4 4 Moderni reaalianalyysi Huomautus 1.6. Jokaisessa topologisessa avaruudessa X voidaan määritellä Borel-joukot Bor(X) = σ({a: A X avoin}). Määritelmä 1.7. Olkoon M σ-algebra X:ssä. Kuvaus µ: M [0,+ ] on mitta, jos pätee: (i) µ( ) = 0, (ii) µ ( A i) = µ(a i), jos joukot A i M ovat erillisiä. Kolmikkoa (X, M, µ) kutsutaan mitta-avaruudeksi ja M:n alkioita mitallisiksi joukoiksi. Ehtoa (ii) kutsutaan täysadditiivisuudeksi. Määritelmästä seuraa, että mitta on monotoninen: Jos A,B M ja A B, niin µ(a) µ(b). Huomautus Jos µ(x) <, mitta µ on äärellinen. 2. Jos µ(x) = 1, niin µ on todennäköisyysmitta. 3. Jos X = A i, missä µ(a i ) < i, mitta µ on σ-äärellinen. Tällöin sanotaan myös, että X on σ-äärellinen µ:n suhteen. 4. Jos A M ja µ(a) = 0, niin A on nollamittainen. 5. Jos X on topologinen avaruus ja Bor(X) M (ts. jokainen Borel-joukko on mitallinen), niin µ on Borel-mitta. Esimerkki X = R n, M = LebR n =Lebesgue-mitallisten joukkojenperhejaµ = m n = Lebesguen mitta. 2. X = R n, M = BorR n = Borel-joukkojen perhe ja µ = m n BorR n = Lebesguen mitan rajoittuma Borel-joukkojen perheeseen. 3. Olkoon X mikä tahansa joukko. Kiinnitetään x X ja asetetaan kaikilla A X { 1, jos x A; µ(a) = 0, jos x A. Silloin µ: P(X) [0,+ ] on mitta (ns. Dirac mitta alkiossa x X). Usein merkitään µ = δ x. 4. Jos f: R n [0,+ ] on Lebesgue-mitallinen, niin µ: Leb(R n ) [0,+ ], µ(e) = f(x)dm n (x), on mitta. (Ks. Mitta ja integraali, Lause 3.22) 5. Jos (X,M,µ) on mitta-avaruus ja A M, niin kuvaus µ A: M A [0,+ ], E (µ A)(B) = µ(b A), on mitta. Sitä kutsutaan µ:n rajoittumaksi A:han. Lause Olkoon (X,M,µ) mitta-avaruus ja A 1,A 2,... M.

5 Syyslk (a) Jos A 1 A 2 A 3, niin µ ( A i ) = lim i µ(a i ). (b) Jos A 1 A 2 A 3 ja µ(a k ) < jollakin k, niin Todistus. Mitta ja integraali Metriset ulkomitat µ ( A i ) = lim i µ(a i ). Määritelmä Kuvaus µ: P(X) [0,+ ] on ulkomitta X:ssä, jos pätee: (i) µ( ) = 0; (ii) µ(a) µ(a i), jos A A i X. Huomautus Ulkomitta on siis määritelty kaikilla X:n osajoukoilla. 2. Ehdosta (ii) seuraa, että ulkomitta on monotoninen, ts. µ(a) µ(b), jos A B X. 3. Useissa kirjoissa (esim. Evans-Gariepy, Mattila,...) ulkomittaa kutsutaan mitaksi. 4. Olkoon µ ulkomitta X:ssä ja A X. Silloin µ:n rajoittuma A:han, on ulkomitta X:ssä. ( µ A)(B) = µ(b A) Jokainen ulkomitta määrittelee mitallisten joukkojen σ- algebran ns. Carathéodoryn ehdon avulla. Määritelmä Olkoon µ ulkomitta X:ssä. Joukko E X on µ-mitallinen, tai lyhyemmin mitallinen, jos µ(a) = µ(a E)+ µ(a\e) kaikilla A X. Lause Olkoon µ ulkomitta X:ssä ja Silloin (a) M on σ-algebra ja M = M µ = {E X: E on µ-mitallinen} (b) µ = µ M on mitta (so. µ on täysadditiivinen). Todistus. Mitta ja integraali. Määritelmä Sanomme, että topologisen avaruuden X ulkomitta µ on Borel-ulkomitta, jos jokainen X:n Borel-joukko on µ-mitallinen (toisin sanoen, jos µ:n määräämä mitta on Borel-mitta).

6 6 Moderni reaalianalyysi Ryhdymme seuraavaksi etsimään vastausta kysymykseen milloin topologisen avaruuden X ulkomitta µ on Borel. Määritelmä 1.17 (Carathéodory). Metrisen avaruuden (X, d) ulkomitta µ on metrinen ulkomitta, jos µ(a B) = µ(a)+ µ(b) kaikilla A,B X, joilla dist(a,b) = inf{d(a,b): a A,b B} > 0. Lause Metrisen avaruuden (X,d) ulkomitta µ on Borel-ulkomitta, jos ja vain jos µ on metrinen ulkomitta. Muotoillaan ja todistetaan ensin aputulos. Lemma Olkoon µ metrinen ulkomitta, A X ja G avoin joukko s.e. A G. Jos niin µ(a) = lim k µ(a k ). Silloin joten A k = {x A: dist(x,g c ) 1/k}, k N, Todistus. Koska G on avoin, A k=1 A k. Siten A = k=1 A k. Olkoon B k = A k+1 \A k. ( ( ) A = A 2n B 2k ) B 2k+1, k=n k=n }{{} =(I) k=n µ(a) µ(a 2n )+ µ(b 2k ) + µ(b 2k+1 ). Annetaan sitten n. (1) Jos summat (I),(II) 0, kun n, niin k=n µ(a) lim n µ(a 2n) µ(a) } {{ } =(II) ja väite on tosi. (2) Jos (I) 0, kun n, niin µ(b 2n ) =. n Toisaalta missä A A 2n n 1 k=1 B 2k, dist(b 2k,B 2k+2 ) 1 2k k +2 > 0.

7 Syyslk Koska µ on metrinen ulkomitta, niin Kun n, saadaan n 1 k=1 µ(b 2k ) = µ (n 1 k=1 B 2k ) µ(a2n ) µ(a). µ(a) = lim k µ(a k) =. Samoin päätellään, jos summa (II) 0, kun n. Lauseen 1.18 todistus. Oletetaan ensin, että µ on metrinen ulkomitta ja osoitetaan, että µ on Borel-ulkomitta. Koska Bor(X) = σ({f : F X suljettu}) ja M µ on σ-algebra, niin riittää osoittaa, että jokainen suljettu joukko F X on µ-mitallinen. Olkoon E X mikä tahansa testijoukko Carathéodoryn ehdossa. Sovelletaan Lemmaa 1.19 joukoilla A = E \F ja G = X \F. Olkoon A k = {x E \F: dist(x,g c ) 1/k}, k N, jolloin dist(a k,f) 1/k ja Koska µ on metrinen, k µ(a lim k) = µ(e \F). Antamalla k saadaan µ(e) µ ( (E F) A k ) = µ(e F)+ µ(ak ). µ(e) µ(e F)+ µ(e \F). Toisaalta ulkomitan monotonisuudesta seuraa, että µ(e) µ(e F)+ µ(e \F). Siten F on µ-mitallinen ja µ on Borel-ulkomitta. Käänteisen suunnan todistus jää harjoitustehtäväksi Mittojen säännöllisyys, Radon-mitat Erityisen hyödyllisiä ulkomittoja ovat ne, joiden määrittelemissä mitallisten joukkojen perheissä on paljon joukkoja. Tällaisilla ulkomitoilla on oma nimi: Määritelmä Sanomme, että X:n ulkomitta µ on säännöllinen, jos jokaista A X kohti on olemassa µ-mitallinen joukko E siten, että A E ja µ(e) = µ(a). (E on A:n mitallinen peite.) Määritelmä Olkoon X topologinen avaruus. (a) Sanomme, että X:n ulkomitta µ on Borel-säännöllinen, jos µ on Borel-mitta ja jokaista A X kohti on olemassa Borel-joukko B Bor(X) siten, että A B ja µ(b) = µ(a). (b) Jos(X, M, µ) on mitta-avaruus s.e. Bor(X) M, niin mittaa µ sanotaan Borel-säännölliseksi, jos jokaista A M kohti on olemassa B Bor(X) s.e. A B ja µ(a) = µ(b). Lemma Jos µ on Borel-säännöllinen ulkomitta X:ssä ja A X on µ-mitallinen s.e. µ(a) <, niin µ A on Borel-säännöllinen. Jos A Bor(X), niin oletusta µ(a) < ei tarvita.

8 8 Moderni reaalianalyysi Todistus. (HT 1/5) Lause Olkoon µ Borel-säännöllinen ulkomitta metrisessä avaruudessa X, A X µ-mitallinen ja ε > 0. (a) Jos µ(a) <, niin on olemassa suljettu joukko C A s.e. µ(a\c) < ε. (b) Jos on olemassa avoimet joukot V 1,V 2,... X s.e. A V i ja µ(v i ) < i, niin on olemassa avoin joukko V X s.e. A V ja µ(v \A) < ε. Todistus. (a): Korvaamalla µ Borel-säännöllisellä ulkomitalla µ A (ks. Lemma 1.23) voidaan olettaa, että µ(x) <. Osoitetaan väite ensin jokaiselle Borel-joukolle A. Olkoon D = {A X: ε > 0 suljettu C A ja avoin V A s.e. µ(v \C) < ε}. Helposti nähdään, että D toteuttaa ehdot (1) ja (2) σ-algebran määritelmässä. Oletetaan, että A 1,A 2,... D ja olkoon ε > 0. Tällöin on olemassa suljetut joukot C i ja avoimet joukot V i s.e. C i A i V i ja µ(v i \C i ) < ε/2 i. Nyt V = i V i on avoin ja Toisaalta Lauseen 1.10 (b) nojalla joten on olemassa n s.e. µ ( V \ ) C i µ(v i \C i ) < ε. i i }{{} i (V i\c i ) lim µ( V \ n n ) ( ) C i = µ V \ C i, µ ( V \ n ) C i < ε. Koska n C i on suljettu, D toteuttaa myös σ-algebran (3):n ehdon. Osoitetaan sitten, että D sisältää suljetut joukot. Olkoon C suljettu ja V i = {x X: dist(x,c) < 1/i}. Tällöin V i on avoin V 1 V 2 ja C = i V i. Siten lim i µ(v i ) = µ(c) ja lim i µ(v i \C) = 0. Tästä seuraa, että C D. Siten D on σ-algebra, joka sisältää kaikki suljetut joukot. Erityisesti Bor(X) D. Siten (a)-kohta pätee kaikille Borel-joukoille. Oletetaan sitten, että A on µ-mitallinen ja µ(a) <. Koska µ on Borel-säännöllinen, on olemassa Borel-joukko B A s.e. µ(a) = µ(b). Silloin µ(b \A) = 0. Edelleen on olemassa Boreljoukko D B \A s.e. µ(d) = 0. Nyt E = B \D on Borel, E A ja µ(a\e) = 0. }{{} D Aiemmin todistetun nojalla jokaista ε > 0 kohti on olemassa suljettu C E = B \D ( A) s.e. µ(e \C) < ε. Mutta silloin µ(a\c) µ(a\e)+µ(e \C) < ε,

9 Syyslk joten (a) pätee A:lle. (b) Soveltamalla (a)-kohtaa joukkoihin V i \A saadaan suljetut joukot C i V i \A s.e. µ(v i \A\C i ) < ε2 i. Silloin V = i (V i \C i ) on avoin, A V ja µ(v \A) < ε. Huomautus Ulkomitan Borel-säännöllisyyttä ei tarvittu väitteiden (a) ja (b) todistamiseen Borel-joukoille A. Siten Lause 1.24 pätee kaikille Borel-ulkomitoille, jos lisäksi oletetaan, että A on Borel. Jatkossa keskeisiä ovat Radon-mitat, jotka määritellään seuraavaksi. Muistutetaan, että topologinen avaruus X on lokaalisti kompakti, jos jokaisella pisteellä x X on ympäristö, jonka sulkeuma on kompakti. Topologinen avaruus on Hausdorff, jos sen eri pisteillä on erilliset ympäristöt. Määritelmä Olkoon X lokaalisti kompakti Hausdorff-avaruus. Sanomme, että mitta µ on Radon-mitta, jos µ on Borel-mitta ja (a) µ(k) < kaikilla kompakteilla K X; (b) µ(v) = sup{µ(k): K V kompakti} kaikilla avoimilla V X; (c) µ(b) = inf{µ(v): B V ja V X avoin} kaikilla Borel-joukoilla B Bor(X). Huomautus Yleisesti Borel-säännöllisen mitan(lokaalisti kompaktissa Hausdorff-avaruudessa) ei tarvitse olla Radon-mitta (ks. HT 2/2). 2. Toisaalta Radon-mitankaan ei tarvitse olla Borel-säännöllinen: Olkoon A R ei-lebesguemitallinen, µ = m A ja µ = µ {E R: E µ-mitallinen}. Tällöin µ on Radon-mitta, mutta ei Borel-säännöllinen. (HT) Joissakin tapauksissa Radon-mitat voidaan helposti karakterisoida. Lause Olkoon µ Borel-mitta R n :ssä. Silloin µ on Radon-mitta, jos ja vain jos µ on lokaalisti äärellinen, ts. x R n, µ ( B(x,r) ) <, kun 0 < r < r x. Todistus. Määritelmän 1.26 (a)-kohdan nojalla Radon-mitat ovat lokaalisti äärellisiä. Oletetaan sitten, että µ on lokaalisti äärellinen Borel-mitta R n :ssä. Jos K R n on kompakti, niin valitaan jokaisella x K avoin x-keskinen kuula, jonka mitta on äärellinen. Koska K on kompakti, se voidaan peittää äärellisen monella tällaisella kuulalla. Siten K:n mitta on äärellinen ja (a) pätee. Todistetaan ehdot (b) ja (c) jokaiselle Borel-joukolle A R n. Soveltamalla Lauseen 1.24 (a)- kohtaa (ks. myös Huom. 1.25) äärellismittaisiin Borel-joukkoihin löydetään suljetut joukot C i A i s.e. A i = A B(0,i), B(0,i) = {x R n : x i}, µ(a i \C i ) < 1/i.

10 10 Moderni reaalianalyysi Tällöin C i on suljettuna ja rajoitettuna joukkona kompakti (olemme R n :ssä). Nyt µ(a) µ(a i ) µ(c i ) > µ(a i ) 1/i 1.10(a) µ(a), josta seuraa (b). Koska A ib(0,i) ja µ(b(0,i)) <, on Lauseen 1.24 (b)-kohdan nojalla olemassa avoimet joukot V j R n s.e. A V j ja µ(v j \A) < 1/j. Tällöin josta seuraa (c). µ(a) µ(v j ) = µ(a)+µ(v j \A) < µ(a)+1/j, Korollari Olkoon µ lokaalisti äärellinen metrinen ulkomitta R n :ssä. Silloin µ:n määräämä mitta µ = µ M, M = {A R n : A µ-mitallinen}, on Radon-mitta. Huomautus Lause 1.28 pätee yleisemminkin. Esimerkiksi, jos X on lokaalisti kompakti metrinen avaruus, jonka topologialla on numeroituva kanta Mittojen yksikäsitteisyys Seuraavaksi tutkimme,milloin kaksi mittaaν,µ: σ(f) [0,+ ] yhtyvät, josν(a) = µ(a) A F (vrt. HT 2/1). Määritelmä A,B F. 1. Kokoelma F P(X), F, on π-systeemi, jos A B F kaikilla 2. Kokoelma D P(X) on d-systeemi (eli Dynkinin luokka), jos pätee: (i) X D; (ii) A,B D ja A B B \A D; (iii) A 1 A 2 ja A k D k k=1 A k D. 3. Kokoelman A virittämä d-systeemi on pienin d-systeemi, joka sisältää A:n, ts. {D: D d-systeemi, A D}. Lause 1.33 (Dynkinin lemma). Olkoon A P(X) π-systeemi. Jos D on d-systeemi ja A D, niin σ(a) D. Todistus. Riittää osoittaa väite tapauksessa, jossa D on A:n virittämä d-systeemi. Tällöin riittää osoittaa, että D on σ-algebra. 1. A D A c D: Tämä seuraa suoraan d-systeemin ehdoista (i) ja (ii). 2. X D (ehto (i)). 3. A D,B A A B D: Tämä seuraa, jos osoitetaan, että D 1 = {A D: A B D B A} on d-systeemi, joka sisältää A:n. Silloinhan on oltava D 1 = D. Inkluusio A D 1 pätee, koska A on π-systeemi ja A D. Ehto (i) on myös selvä. Jos A 1,A 2 D 1,A 1 A 2, niin kaikilla B A (A 2 \A 1 ) B = (A 2 B)\(A }{{} 1 B) D, }{{} D D

11 Syyslk joten A 2 \A 1 D ja ehto (ii) pätee. Samoin ehto (iii) on voimassa, sillä jos A 1 A 2 ja A k D 1 k, niin ( ) A k B = (A k B) D }{{} k=1 k=1 D kaikilla B A ja siten k A k D A,B D A B D: Samoin kuin edellä nähdään, että D 2 = {A D: A B D B D} on d-systeemi. Lisäksi A D 2 3-kohdan mukaan, joten D 2 = D. Edellä olleen nojalla D on suljettu leikkauksen suhteen. Koska lisäksi D on suljettu komplementoinnin suhteen, on D suljettu yhdisteen suhteen (ts. D on algebra). Lopuksi havaitaan, että D toteuttaa σ-algebran (iii)-ehdon, sillä jos A 1,A 2,..., D, niin A k = k=1 A k D, missä A k = A 1 A 2 A k D ja A k A k+1. Siten D on σ-algebra. k=1 Lause Olkoon F π-systeemi, M = σ(f) ja ν,µ: M [0,+ ] todennäköisyysmittoja s.e. ν(a) = µ(a) kaikilla A F. Silloin ν µ. Todistus. Merkitään D = {A M: ν(a) = µ(a)} ja osoitetaan, että D = M. Lauseen 1.33 nojalla riittää osoittaa, että D on d-systeemi, sillä silloin M = σ(f) D M. (i) Koska ν(x) = 1 = µ(x), niin X D. (ii) Jos A,B D ja A B, niin joten B \A D. ν(b \A) = ν(b) ν(a) = µ(b) µ(a) = µ(b \A), (iii) Olkoot A 1,A 2,... D ja A 1 A 2. Silloin Lauseen 1.10 (a) nojalla joten i A i D. ν ( Siis D on d-systeemi ja lause on siten todistettu. A i ) = lim i ν(a i ) = lim i µ(a i ) = µ ( Korollari Olkoot ν ja µ äärellisiä Borel-mittoja R n :ssä. Jos ν(i) = µ(i) jokaisella äärellisellä n-välillä I, niin ν µ. Todistus. Koska R n = ] j,j[ n, niin oletuksesta (ν(i) = µ(i)) ja Lauseesta 1.10 (a) seuraa, että ν(r n ) = µ(r n ) = c 0 <. Jos c 0 = 0, niin ν 0 µ ja asia on selvä. Muussa tapauksessa jakamalla c 0 :lla, voidaan olettaa, että ν ja µ ovat todennäköisyysmittoja. Koska F = {I: I äärellinen n-väli} on π-systeemi ja σ(f) = Bor(R n ), seuraa väite Lauseesta A i ),

12 12 Moderni reaalianalyysi 1.36 Mittojen laajentaminen Oletetaan, että on annettu kokoelma F P(X) ja kuvaus µ: F [0,+ ], joka on σ-additiivinen F:ssä, toisin sanoen, A k F erillisiä (1.37) k=1 A µ( ) A k = µ(a k ). k F k=1 k=1 Tutkimme seuraavaksi, milloin µ voidaan jatkaa mitaksi σ(f):ään. Edellisen kappaleen valossa oletamme, että F on π-systeemi. Yleisesssä tapauksessa tämä ei riitä laajentamiseen, mutta jos oletamme hieman enemmän, laajentaminen onnistuu. Määritelmä Perhe A P(X) on algebra, jos (i) A; (ii) A,B A A B A; (iii) A A X \A A. 2. Perhe P P(X) on puolialgebra, jos (a) P; (b) A,B P A B P; (c) A P X \A = n k=1 A k, missä joukot A k P ovat erillisiä. Otetaan käyttöön merkintä tarkoittamaan pistevieraiden joukkojen A i yhdistettä. Lemma Olkoon P puolialgebra. Tällöin on algebra (ns. P:n virittämä algebra). Todistus. (i) P. (ii) Olkoot A,B P, jolloin A = A i n P = { A i : A i P,i N} n A i, B = m B j, A i,b j P. Silloin A B = i,j A i B j ja A i B j P, joten A B P.

13 Syyslk (iii) Olkoon A = n A i P, A i P. Koska P on puolialgebra, niin X\A i = m B j, B j P, ja siksi X \A i P. Näin ollen (ii)-kohdan nojalla X \ n A i = n (X \A }{{} i ) P. P Määritelmä Jos A on algebra ja µ: A [0,+ ] on σ-additiivinen s.e. µ( ) = 0, niin µ on mitta algebralla A. Lemma Olkoon P puolialgebra ja µ: P [0,+ ] σ-additiivinen s.e. µ( ) = 0. Silloin on olemassa yksikäsitteinen mitta µ algebralla P, µ: P [0,+ ], jolle pätee µ(a) = µ(a) A P. Todistus. Olkoon A P, jolloin Asetetaan A = n A i, A i P. (1.42) µ(a) = n µ(a i ). 1. µ on hyvin määritelty: Olkoon A = n A i = m B j. Silloin B j = B j A = A i = A i A = n (B j A i ) ja m (A i B j ), joten j µ(b j ) σ-add. = j,i µ(b j A i ) σ-add. = i µ(a i ). 2. µ on mitta algebralla P: Selvästi µ( ) = 0. Olkoot A i P, i N, s.e. A = A i P. On osoitettava, että µ(a) = µ(a i ). Kirjoitetaan A i = n i A ij, missä A ij P. Siten A = i,j A ij, A ij P.

14 14 Moderni reaalianalyysi Toisaalta A P, joten jolloin n A = B k, B k P, k=1 B k = A B k = i,j A ij B k. Tässä A ij B k P, koska P on puolialgebra. Nyt µ:n σ-additiivisuudesta seuraa, että µ(b k ) = n i n µ(a ij B k ) ja µ(a ij ) = µ(a ij B k ). k=1 Niinpä µ(a) (1.42) = k=1µ(b k ) = n n i µ(a ij B k ) k=1 ( ) n i n = = k=1 n i µ(a ij ) (1.42) = µ(a ij B k ) } {{ } =µ(a ij ) µ(a i ), sillä A i = n i (Yhtälö ( ) pätee, koska kyseessä on positiivitermiset sarjat.) 3. Yksikäsitteisyys: Olkoot ν ja µ mittoja algebralla P s.e. (1.43) ν(a) = µ(a) = µ(a) A P. A ij, A ij P. Väitämme, että ν(a) = µ(a) kaikilla A P. Olkoon A P ja kirjoitetaan A = n A i, A i P. Silloin ν:n ja µ:n σ-additiivisuudesta sekä (1.43):sta seuraa, että ν(a) = n ν(a i ) = n µ(a i ) = n µ(a i ) = µ(a). Lause 1.44 (Carathéodory-Hahn laajennuslause). Olkoon A P(X) algebra ja µ: A [0, + ] mitta algebralla A.

15 Syyslk (a) Silloin on olemassa mitta ν: σ(a) [0,+ ] s.e. ν A = µ. (b) Jos µ on σ-äärellinen A:n suhteen (so. X = A i, A i A, µ(a i ) < ), niin ν on yksikäsitteinen. Todistus. Määritellään ν: P(X) [0, + ] asettamalla ν(e) = inf{ µ(a i ): E A i, A i A i}. 1. Tällöin ν on ulkomitta ja ν(a) = µ(a) jokaisella A A. (HT 2/4) 2. Jokainen A A on ν-mitallinen. (HT 2/5) 3. Jos M on ν-mitallisten joukkojen perhe, niin ν M on mitta (Lause 1.15). Kohdan 2. nojalla σ(a) M ja siten ν = ν σ(a) on etsitty mitta. 4. Yksikäsitteisyyttä varten oletetaan, että ν 1,ν 2 : σ(a) [0,+ ] ovat mittoja s.e. ν 1 (A) = ν 2 (A) = µ(a) kaikilla A A. Jos A A ja µ(a) <, niin Lauseen 1.34 mukaan ν 1 (A B) = ν 2 (A B) kaikilla B σ(a). Valitaan joukot A i A s.e. A 1 A 2,µ(A i ) < ja X = A i. Koska ν 1 ja ν 2 ovat mittoja σ(a):ssa, niin kaikilla B σ(a) pätee eli ν 1 = ν Tulomitta ν 1 (B) = lim i ν 1 (B A i ) = lim i ν 2 (B A i ) = ν 2 (B) Sovelletaan Carathéodory-Hahn laajennuslausetta tulomitan konstruoimiseen. Olkoot (X, M, µ) ja (Y,N,ν) mitta-avaruuksia ja ns. mitallisten suorakaiteiden perhe. Lemma S on puolialgebra. Todistus. (a) Selvästi S. S = {A B: A M, B N} P(X Y) (b) Jos A B S ja A B S, niin (A B) (A B ) = (A A ) (B B ) S. (c) Jos A B S, niin sen komplementti on vaadittua tyyppiä. (A B) c = (A } c {{ B } ) (A B }{{} c ) (A } c {{ B } c ) S S S

16 16 Moderni reaalianalyysi Määritellään λ: S [0,+ ] asettamalla (1.47) λ(a B) = µ(a)ν(b). Selvästi λ( ) = 0. Osoitetaan seuraavaksi, että λ on σ-additiivinen S:ssä. Lemma Jos A i B i S, i N, ovat erillisiä s.e. (A i B i ) = A B S, niin λ(a i B i ) = λ(a B). Todistus. On siis osoitettava, että µ(a)ν(b) = µ(a i )ν(b i ). Kiinnitetään x A ja merkitään I(x) = {i N: x A i }. Silloin B = i I(x) ja siten ν(b) = ν(b i ). i I(x) Näin ollen kaikilla x X pätee χ A (x)ν(b) = χ A (x) ν(b i ) B i i I(x) = χ A (x) = χ A (x) = i I(x) χ Ai (x)ν(b i ) χ Ai (x)ν(b i ) χ Ai (x)ν(b i ). Koska positiivitermisen sarjan voi integroida termeittäin (Mitta ja integraali, Lause 3.20), niin µ(a)ν(b) = χ A (x)ν(b)dµ(x) = = = X χ Ai (x)ν(b i )dµ(x) X X χ Ai (x)ν(b i )dµ(x) µ(a i )ν(b i ).

17 Syyslk Lause Olkoot (X,M,µ) ja (Y,N,ν) σ-äärellisiä mitta-avaruuksia ja S P(X Y) mitallisten suorakaiteiden perhe. Silloin mitallisella avaruudella ( X Y,σ(S) ) on olemassa 1-käsitteinen mitta µ ν, ns. µ:n ja ν:n tulomitta, siten, että kaikilla A M ja B N. (µ ν)(a B) = λ(a B) = µ(a)ν(b) Todistus. Koska λ on σ-additiivinen puolialgebralla S ja λ( ) = 0, niin Lemman 1.41 nojalla on olemassa yksikäsitteinen mitta λ algebralla S s.e. λ(a B) = λ(a B) kaikilla A B S. Lisäksi µ:n ja ν:n σ-äärellisyydestä seuraa, että λ on σ-äärellinen S:n suhteen. Väite seuraa nyt Carathéodory-Hahnin laajennuslauseesta. Palautetaan mieliin Reaalianalyysi I:stä, että mitta mitta-avaruus (X, M, µ) on täydellinen, jos nollamittaisten joukkojen osajoukot ovat mitallisia. Toisin sanoen, jos A B M ja µ(b) = 0, niin A M. Mitta voidaan aina täydentää (ks. Reaalianalyysi I, Lause 1.12): Lause Olkoon (X,M,µ) mitta-avaruus. Määritellään M P(X) asettamalla M = {A F: A M ja F E jollakin E M, µ(e) = 0}. ja määritellään µ: M [0,+ ], missä A ja F kuten yllä. Tällöin µ(a F) = µ(a), (1) M on σ-algebra X:ssä; (2) µ on täydellinen mitta; (3) µ = µ M. Mitta µ on nimeltään µ:n täydentymä. Vastaavasti (X, M, µ) on mitta-avaruuden (X, M, µ) täydentymä. Huomautus Jos µ on ulkomitta X:ssä, niin sen määrämä mitta-avaruus (X,M µ,µ) on täydellinen. 2. Jos µ on Borel-säännöllinen metrinen ulkomitta, niin sen määrämä mitta-avaruus (X,M µ,µ) on (X, Bor(X), µ):n täydellistymä. 3. Jos(X, M, µ) ja(y, N, ν) ovat täydellisiä σ-äärellisiä mitta-avaruuksia, niin tulomitta-avaruus (X Y,σ(S),µ ν) ei välttämättä ole täydellinen. Esimerkiksi, jos A M, A, µ(a) = 0 ja B Y, B N, niin A B A Y, µ(a Y) = 0, mutta A B σ(s) (ks. Lemma 1.53). Erityisesti, Lebesguen mittojen m n ja m k tulomitta (R n R k,σ(s),m n m k ) ei ole täydellinen, joten m n m k m n+k. Sen sijaan m n+k on m n m k :n täydentymä Fubinin lause Olkoot (X, M, µ) ja (Y, N, ν) σ-äärellisiä mitta-avaruuksia ja µ ν Lauseen 1.49 antama tulomitta. Tutkimme kysymystä, millaisille funktioille f: X Y Ṙ pätee: ( ) ( ) f(x,y)d(µ ν)(x,y) = f(x,y)dν(y) dµ(x) = f(x,y)dµ(x) dν(y)? X Y X Y Y X

18 18 Moderni reaalianalyysi Olkoon E X Y. Merkitään E x = {y Y : (x,y) E}, x X, E y = {x X: (x,y) E}, x Y. Lemma Jos E σ(s), niin E x N ja E y M kaikilla x X ja y Y. Todistus. Olkoon C = {E σ(s): E x N x X}. Riittää osoittaa, että C on σ-algebra s.e. S C. Tällöin nimittäin on oltava C = σ(s) (ja E x :iä koskeva väite pätee), koska σ(s) on pienin S:n sisältämä σ-algebra. Joukkoja E y koskeva väite todistetaan samoin. Olkoon A B S. Koska (A B) x = B N, jos x A, ja (A B) x = N, jos x A, niin A B C. Siis S C. Osoitetaan sitten, että C on σ-algebra. (i) Selvästi C. (ii) Havaitaan, että (E c ) x = (E x ) c. Siten E C E x N x X (E x ) c N x X (E c ) x N x X E c C. (iii) Nyt havaitaan, että ( i E i ) x = i (E i ) x. Siten E i C, i N i E i C. Olkoon f: X Y Ṙ. Määritellään jokaisella x X ja jokaisella y Y funktiot f x: Y Ṙ ja f y : X Ṙ asettamalla fx(y) = f(x,y), f y (x) = f(x,y). Lemma Jos f: X Y Ṙ on µ ν-mitallinen, niin silloin (a) f x on ν-mitallinen jokaisella x X, (b) f y on µ-mitallinen jokaisella y Y. Todistus. Jos U R on avoin, niin f 1 U σ(s), koska f on µ ν-mitallinen. Samoin joukot f 1 (+ ) σ(s) ja f 1 ( ) S. Jos E on mikä tahansa yo. joukoista f 1 U, f 1 (+ ), tai f 1 ( ), niin Lemman 1.53 mukaan fx 1 U, ( fx 1 (+ ), tai fx 1 ( ) ) = E x on ν-mitallinen. Samoin (f y ) 1 U, ( (f y ) 1 (+ ), tai (f y ) 1 ( ) ) = E y on µ-mitallinen. Lemma Jos E σ(s), niin on µ-mitallinen ja on ν-mitallinen. Lisäksi X g: X [0,+ ], g(x) = ν(e x ), f: Y [0,+ ], f(y) = µ(e y ), g(x)dµ(x) = Y f(y)dν(y) = (µ ν)(e).

19 Syyslk Todistus. Osoitetaan, että perhe { F = E σ(s): x ν(e x ) µ-mitallinen ja } ν(e x )dµ(x) = (µ ν)(e) on σ-algebra, joka sisältää S:n. Tällöin F = σ(s) ja funktiota g, g(x) = ν(e x ), koskevat väitteet pätee. Samoin todistetaan f:ää koskevat väitteet. Jos E = A B S, niin { B, jos x A; E x =, jos x A, jolloin ja siten x ν(e x ) on µ-mitallinen ja ν(e x )dµ(x) = ν(b) X ν(e x ) = ν(b)χ A (x) X χ A dµ = (µ ν)(a B). (Huom. x χ A (x) on µ-mitallinen, sillä A M.) Näin ollen S F. Dynkinin lemman (Lause 1.33) nojalla riittää osoittaa, että F on d-systeemi, sillä silloin σ(s) = F. On siis näytettävä, että (i) X Y F, (ii) E,F F, E F F \E F, (iii) E i E 2, E i F E i F. Todistetaan nämä järjestyksessä (i), (iii), (ii). (i) Edellä näimme, että S F, joten X Y F. (iii) Olkoon E i E 2, E i F, ja E = E i. Funktiot x ν(e ix ) ovat mitallisia. Lisäksi E 1x E 2x ja E x = E ix, joten ν(e x ) = lim i ν(e ix ) ja x ν(e x ) on mitallisten funktioiden rajafunktiona mitallinen. Edelleen ν(e 1x ) ν(e 2x ), joten monotonisen konvergenssin lauseen nojalla Näin ollen E F. (µ ν)(e) 1.10 = lim(µ ν)(e i ) i E i F = lim ν(e ix )dµ(x) i X MKL = lim ν(e ix)dµ(x) X i = ν(e x )dµ(x). X (ii) Koska X ja Y ovat σ-äärellisiä, on olemassa joukot X 1 X 2, X i M, µ(x i ) <, X = X i, ja Y 1 Y 2, Y i N, ν(y i ) <, Y = Y i.

20 20 Moderni reaalianalyysi Olkoon E = {E σ(s): E (X i Y i ) F i N} ja osoitetaan, että E on σ-algebra, joka sisältää S:n. Tällöin E = σ(s) eli E (X i Y i ) F kaikilla i N ja kaikilla E σ(s). Jos E = A B S, niin E (X i Y i ) S kaikilla i. Todistuksen alkuosan nojalla E (X i Y i ) F kaikilla i, joten S E. Erityisesti siis X Y E. Osoitetaan, että E on d-systeemi. Jos E j E, E j E j+1, niin todistuksen (iii)-osan mukaan ( j E j ) (Xi Y i ) = j ( Ej (X i Y i ) ) F i, joten j E j E. Oletetaan sitten, että E,F E, E F. Merkitään jolloin E i, F i F i ja E i = E (X i Y i ) ja F i = F (X i Y i ), F i \E i = (F \E) (X i Y i ). Osoitetaan, että F i \E i F kaikilla i N. Jokaisella x X pätee ν((f i \E i ) x ) = ν(f ix \E ix ) = ν(f ix ) ν(e ix ), sillä E ix F ix ja ν(e ix ) <. Tästä päätellään, että on µ-mitallinen ja X ν((f i \E i ) x )dµ(x) = x ν((f i \E i ) x ) X ν(f ix )dµ(x) ν(e ix )dµ(x) X = (µ ν)(f i ) (µ ν)(e i ) = (µ ν)(f i \E i ). Siten F i \E i F i. Olemme näyttäneet, että E = σ(s) ja siten F E. Olkoon sitten E,F F, E F. Haluamme näyttää, että F \E F, jolloin olemme lopulta osoittaneet, että F = σ(s). Koska F i \E i F i+1 \E i+1 ja seuraa (iii)-kohdasta, että F \E F. F \E = F i \E }{{} i, F Lause 1.56 (Tonelli). Olkoon f: X Y [0,+ ] µ ν-mitallinen. Tällöin pätee: (1) Kaikilla (x 0,y 0 ) X Y x f(x,y 0 ) on µ-mitallinen ja y f(x 0,y) on ν-mitallinen.

21 Syyslk (2) (3) Todistus. ( X Y x y Y X f(x,y)dν(y) on µ-mitallinen ja f(x, y) dµ(x) on ν-mitallinen. ) f(x,y)dν(y) dµ(x) = = f(x,y)d(µ ν)(x,y) ( ) f(x,y)dµ(x) dν(y). X Y Y X (a) Jos E σ(s), niin väite pätee (µ ν-mitalliselle) funktiolle f = χ E Lemmojen 1.54 ja 1.55 nojalla. (b) Lineaarisuuden nojalla väite pätee (σ(s):n suhteen) yksinkertaisille funktioille f = k a i χ Ei, E i σ(s). (c) Jos f: X Y [0,+ ] on µ ν-mitallinen, niin on olemassa kasvava jono (σ(s):n suhteen) yksinkertaisia funktioita s i f s.e. s i d(µ ν) f d(µ ν). X Y Koska s i f, niin s ix f x ja s y i fy kaikilla (x,y) X Y. Siten monotonisen konvergenssin lauseen nojalla s ix dν(y) f x dν(y) ja Y Y s y i dµ(x) f y dµ(x). X X X Y Rajafunktion mitallisuudesta seuraa nyt, että funktiot x f y (x) = f(x,y), y f x (y) = f(x,y), x f x (y)dν(y) = f(x,y)dν(y) ja Y Y y f y (x)dµ(x) = f(x,y)dµ(x) X ovat mitallisia eli väitteet (1) ja (2) pätevät. Jos g i (x) = s ix dν(y), X Y

22 22 Moderni reaalianalyysi niin g i g i+1, joten MKL:n nojalla X ( Y ) ( ) ( ) s ix dν(y) dµ(x) f x dν(y) dµ(x) = f(x,y)dν(y) dµ(x). X Y X Y Toisaalta ( X Y ) s ix dν(y) dµ(x) (b) = s i d(µ ν) f d(µ ν), X Y X Y joten vasen yhtälö (3):ssa pätee. Samoin todistetaan (3):n oikeanpuoleinen yhtälö. Huomautus Edellä olleet tulokset on muotoiltu tulomitalle µ ν ja (µ ν)-mitallisille funktioille. Niitä ei voi suoraan soveltaa täydelliseen mitta-avaruuteen (R n R k,leb(r n+k ),m n+k ). Esimerkiksi Lemmat 1.53 ja 1.54 eivät päde mitta-avaruudelle (R n R k,leb(r n+k ),m n+k ). Jos nimittäin B R k on ei-mitallinen (m k :n suhteen), niin E = {x} B on m n+k -mitallinen kaikilla x R n, sillä m n+k (E) = 0. Toisaalta B = E x, josta näemme, ettei Lemman 1.53 väite päde. Tonellin lauseessa voidaan mitta-avaruuden (R n R k,leb(r n+k ),m n+k ) tapauksessa vaatia ehto (1) vain m.k. x 0 ja m.k. y 0. Lause 1.58 (Fubini). Olkoon f: X Y Ṙ µ ν-mitallinen ja oletetaan, että ainakin yksi integraaleista on äärellinen. Tällöin X Y f d(µ ν), ( Y X ( Y f(x,y) dµ(x) X ) f(x,y) dν(y) dµ(x), tai ) dν(y) (1) y f(x,y) on integroituva Y:ssä melkein kaikilla x X; (2) x f(x,y) on integroituva X:ssä melkein kaikilla y Y; (3) x Y f(x,y)dν(y) on integroituva X:ssä, t.s. X Y f(x,y)dν(y) dµ(x) < ; (4) y X f(x,y)dµ(x) on integroituva Y:ssä; (5) f on integroituva X Y:ssä ja X Y f d(µ ν) = X ( Todistus. Kuten Mitta ja integraali, Lause 4.3 (Fubini 2.) Y ) ( ) f(x,y)dν(y) dµ(x) = f(x,y)dµ(x) dν(y) <. Y X

23 Syyslk Hausdorffin mitat 2.1 Hausdorffin mitan perusominaisuudet Lebesguen n-ulotteinen mitta m n sopii hyvin R n :n suurien osajoukkojen koon mittaamiseen, muttaseon liian karkea mittari R n :n pieniä joukkojavarten. Esimerkiksi, m 2 ei pysty erottamaan tason R 2 yksiötä suorasta, sillä ne molemmat ovat nollamittaisia. Tässä luvussa esittelemme kokonaisen skaalan s-ulotteisia mittoja H s, 0 s <, jotka pystyvät näkemään joukkojen hienorakennetta Lebesguen mittaa paremmin. Ideana on, että joukko A R n on s-ulotteinen, jos 0 < H s (A) <, vaikka A:n geometria olisi hyvin monimutkainen. Nämä mitat voidaan määritellä missä tahansa metrisessä avaruudessa (X, d). Oletamme kuitenkin, että X on separoituva, s.o. X:ssä on numeroituva tiheä osajoukko S = {x i }, jolloin X = S. Tätä oletusta tarvitaan vain takaamaan se, että X:llä on olemassa ns. δ-peite jokaisella δ > 0. Määritelmä Epätyhjän joukon E X halkaisija on d(e) = sup d(x,y). x,y E 2. Numeroituva kokoelma X:n osajoukkoja {E i } on joukon A X δ-peite, δ > 0, jos A E i ja d(e i ) δ i N. Kiinnitetään dimensio s [0, ) ja δ > 0. Kun A X, niin määritellään (2.3) Hδ s (A) = inf{ d(e i ) s : {E i } on A:n δ-peite }, missä tehdään sopimukset, että d({x}) 0 = 1 x X ja d( ) s = 0 s 0. Määritelmästä nähdään välittömästi, että i=0 H s δ 1 (A) H s δ 2 (A), jos 0 < δ 1 δ 2. Niinpä allaoleva raja-arvo (2.5) on olemassa ja voimme määritellä. Määritelmä 2.4. Joukon A X s-ulotteinen Hausdorffin (ulko)mitta on ( ) (2.5) H s (A) = limhδ s (A) = suphδ s (A). δ 0 δ>0 Lause 2.6. (i) Hδ s : P(X) [0,+ ] on ulkomitta kaikilla δ > 0. (ii) H s : P(X) [0,+ ] on metrinen ulkomitta. Todistus. (i) (a) Selvästi Hδ s ( ) = 0. (b) Olkoon sitten A A i X. Voidaan olettaa, että Hδ s(a i) < i. Olkoon ε > 0 ja valitaan jokaisella i joukon A i δ-peite {Ej i} s.e. d(ej i )s Hδ s (A i)+ε2 i.

24 24 Moderni reaalianalyysi Tällöin i,j Ei j on yhdisteen A i ja siten myös A:n δ-peite, joten H s δ (A) i,j d(e i j )s ( H s δ (A i )+ε2 i) ε+ Antamalla ε 0 saadaan haluttu väite. Hδ s (A i). (ii) Selvästi H s ( ) = 0. Jos A A i X, niin (i)-kohdan ja H s :n määritelmän nojalla Hδ s (A) Hδ s (A i) H s (A i ). Antamalla δ 0 nähdään, että H s on ulkomitta. Olkoot sitten A 1,A 2 X joukkoja, joille dist(a 1,A 2 ) > 0. Haluamme näyttää, että Riittää osoittaa, että H s (A 1 A 2 ) = H s (A 1 )+H s (A 2 ). (2.7) H s δ (A 1 A 2 ) H s δ (A 1)+H s δ (A 2), jos δ dist(a 1,A 2 )/3. Voidaan olettaa, että Hδ s(a 1 A 2 ) <. Olkoon ε > 0 ja valitaan joukon A 1 A 2 δ-peite {E i } siten, että d(e i ) s Hδ s (A 1 A 2 )+ε. Koska δ dist(a 1,A 2 )/3, jokainen E i leikkaa enintään yhtä joukoista A 1 tai A 2. Niinpä voidaan jakaa {E i } = {E i} {E i }, missä Näin ollen A 1 E i ja A 2 H s δ (A 1)+H s δ (A 2) Koska ε > 0 oli mielivaltainen, saadaan (2.7). = E i. d(e i )s + d(e i ) s H s δ (A 1 A 2 )+ε. d(e i )s

25 Syyslk Lauseiden 1.18 ja 2.6 mukaan jokainen X:n Borel-joukko on H s -mitallinen. Merkitsemme H s :n rajoittumaa H s -mitallisiin joukkoihin samalla symbolilla H s. Tällöin siis pätee: Lause 2.8. H s on Borel-mitta. Korollarista 1.29 saadaan nyt: Korollari 2.9. Jos A R n on H s -mitallinen ja H s (A) <, niin H s A on Radon-mitta. Lause Separoituvan metrisen avaruuden X ulkomitta H s on Borel-säännöllinen. Todistus. Koska edellisen lauseen mukaan H s :n määräämä mitta on Borel, riittää osoittaa, että jokaista A X kohti on olemassa B Bor(X) s.e. A B ja H s (A) = H s (B). Olkoon A X. Jos H s (A) =, voidaan valita B = X ja väite pätee. Jos taas H s (A) <, niin valitaan A:n 1/i-peite {Ej i} jokaisella i N s.e. d(ej) i s H1/i s (A)+1/i. Koska d(e) = d(ē) jokaisella E X, voimme olettaa, että joukot Ei j ovat suljettuja. Tällöin B = on Borel joukko ja A B. Lisäksi {Ej i } on B:n 1/i-peite jokaisella i N, joten H1/i s (A) Hs 1/i (B) d(ej) i s H1/i s (A)+1/i. Antamalla i saadaan väite H s (A) = H s (B). E i j Huomautus H 0 on lukumäärämitta. 2. H s δ ei yleensä ole metrinen ulkomitta. 3. Karkeasti ottaen, H 1 pituusmitta, H 2 pinta-ala, jne. 4. Helposti nähdään (pian tulevia tuloksia käyttäen), ettei (esim.) taso R 2 ole σ-äärellinen H 1 :n suhteen Hausdorff-dimensio Olkoon (X, d) separoituva metrinen avaruus. Määrittelemme tässä luvussa osajoukoille A X dimension, joka kuvaa A:n (metristä) kokoa. Poiketen esim. topologisesta dimensiosta, tämän dimension ei tarvitse olla kokonaisluku. Lemma Olkoon A X ja s 0. (i) Jos H s (A) <, niin H t (A) = 0 kaikilla t > s. (ii) Jos H s (A) > 0, niin H t (A) = kaikilla 0 t < s.

26 26 Moderni reaalianalyysi Todistus. Riittää todistaa (i), sillä väite (ii) seuraa (i):stä. Olkoon δ > 0 ja{e j } A:n δ-peite s.e. d(e j ) s Hδ s (A)+1 Hs (A)+1 <. Silloin kaikilla t > s Hδ t (A) d(e j ) t δ t s d(e j ) s δ t s (H s (A)+1). Väite seuraa antamalla δ 0. Edellisen lemman nojalla funktiolla s H s (A) on yksinkertainen kuvaaja: on nimittäin olemassa yksikäsitteinen s 0 [0, ], jonka kohdalla kuvaaja tipahtaa äärettömyydestä nollaan. Määritelmä Osajoukon A X Hausdorff-dimensio on luku Tällöin siis pätee: 1. Jos t < dim H (A), niin H t (A) =. 2. Jos t > dim H (A), niin H t (A) = 0. dim H (A) = inf{s > 0: H s (A) = 0}. Yleisesti luvusta H s (A), kun s = dim H (A), ei voida sanoa mitään: se voi olla tapauksesta riippuen mikä tahansa luku väliltä [0, ]. Kuitenkin: (2.15) 0 < H s (A) < dim H (A) = s. Joukkoa A X, jolle (2.15) pätee, kutsutaan s-joukoksi. Lemma (i) Jos A B, niin dim H (A) dim H (B). (ii) Jos A k X, k N, niin Todistus. (HT) Siten esimerkiksi dim H (Q) = 0. dim H ( k=1 ) A k = sup dim H (A k ). k 2.17 Hausdorffin mitat R n :ssä Seuraavaksi laskemme(tai arvioimme) Cantor-tyyppisten fraktaalien Hausdorff-mittoja ja-dimensioita R n :ssä. Tätä varten tutkitaan Hausdorff-mittojen invarianssiominaisuuksia. Tehokkaampia tapoja Hausdorff-dimension määräämiseksi kehitämme myöhemmin. Muistutetaan aluksi, että kuvaus T : R n R n on isometria, jos Tx Ty = x y x,y R n.

27 Syyslk Tunnetusti jokainen R n :n isometria on affiini, ts. muotoa Tx = a 0 +Ux, missä a 0 R n ja U: R n R n on lineaarinen isometria. Vastaavasti, kuvaus R: R n R n on similariteetti, jos Rx Ry = c x y x,y R n, missä c > 0 on vakio (venytyskerroin, skaalauskerroin, jne.). Tällöin R on muotoa missä U on jälleen lineaarinen isometria. Rx = a 0 +cux, Lause Olkoon A R n. Ulkomitalle H s, s 0, pätee: (a) H s (A+x 0 ) = H s (A) x 0 R n, (b) H s( U(A) ) = H s (A) kaikilla lineaarisilla isometrioilla U: R n R n, (c) H s( R(A) ) = c s H s (A), jos R: R n R n on similariteetti, jonka skaalauskerroin on c > 0. Todistus. Väitteet seuraavat havainnosta, että d ( R(E) ) = cd(e) E R n, missä R on kuten (c)-kohdassa. Olkoot (X,d 1 ) ja (Y,d 2 ) metrisiä avaruuksia. Palautetaan seuraavaksi mieliin, että kuvaus f: X Y on L-Lipschitz (vakiolla L > 0), jos d 2 ( f(x),f(y) ) Ld1 (x,y) kaikilla x,y X. Vastaavasti, kuvaus g: X Y on L-bilipschitz, jos 1 L d 1(x,y) d 2 ( f(x),f(y) ) Ld1 (x,y) kaikilla x, y X. Havaitaan, että L-bilipschitz kuvaus on aina injektio vasemmanpuoleisen epäyhtälön nojalla. Lemma Olkoot (X,d 1 ) ja (Y,d 2 ) separoituvia metrisiä avaruuksia. (i) Jos f: X Y on L-Lipschitz, niin H s (fa) L s H s (A) A X. (ii) Jos g: X Y on L-bilipschitz, niin dim H (ga) = dim H (A) A X. Todistus.

28 28 Moderni reaalianalyysi (i) Voidaan olettaa, että H s (A) <. Kiinnitetään ε > 0, δ > 0 ja valitaan A:n δ-peite {E j } s.e. d(e j ) s Hδ s (A)+ε. Silloin {f(e j )} on fa:n Lδ-peite, joten Väite seuraa antamalla ε 0 ja δ 0. HLδ s (fa) d ( f(e j ) ) s L s d(e j ) s L s (H s δ (A)+ε). (ii) Soveltamalla (i)-kohtaa kuvaukseen g 1 : g(a) X saadaan Siten mistä väite seuraa. L s H s (A) H s (ga). L s H s (A) H s (ga) L s H s (A), Seuraavaksi tutkimme Lebesguen mitan m n ja Hausdorff-mitan H n yhteyttä R n :ssä. Lause Kaikilla A Bor(R n ) pätee H n (A) = c n m n (A), missä c n (0, ) on vakio. Todistus. Olkoon Q = [0,1) n. Osoitetaan ensin, että (2.21) 0 < H n (Q) <. Selvästi Q voidaan peittää j n :llä yhtäsuurella osakuutioilla {Q i } jn, joiden sivunpituus on 1/j ja halkaisija d(q i ) = n/j. Jos siis δ j = n/j, niin j n ( ) n n Hδ n j (Q) = n n/2. j Antamalla δ j = n/j 0, saadaan H n (Q) n n/2. Olkoon sitten δ > 0 ja oletetaan, että {E i } on Q:n δ-peite. Selvästi E i I i, missä I i on sopivasti valittu kuutio, jonka sivunpituus on 2d(E i ). Silloin d(e i ) n = 2 n ( 2d(Ei ) ) n = 2 n m n (I i ) 2 n ( ) m n I i 2 n m n (Q) = 2 n,

29 Syyslk joten Näin ollen H n δ (Q) 2 n. H n (Q) 2 n ja väite (2.21) pätee. Merkitään c n = H n (Q) ja osoitetaan, että (2.22) H n (A) = c n m n (A) kaikilla Borel-joukoilla A R n. Väite (2.22) pätee, kun A = [0,1) n. Lauseen 2.18 (c)-kohdan nojalla (2.22) pätee, jos A on mielivaltainen R n :n oikealle puoliavoin kuutio, ts. muotoa A = [a 1,b 1 ) [a n,b n ), 0 < b 1 a 1 = = b n a n <. Seuraavaksi todetaan, että jokainen R n :n oikealle puoliavoin n-väli voidaan esittää erillisten oikealle puoliavoimien kuutioiden numeroituvana yhdisteenä. Siten (2.22) pätee kaikille R n :n oikealle puoliavoimille n-väleille. Jos Q m = [ m,m) n, m N, niin oikealle puoliavoimien n-välien ja Q m :n leikkaukset muodostavat π-systeemin ja virittävät Q m :n Borelin joukot. Lauseen 1.34 mukaan H n (A) = c n m n (A) kaikilla A Bor([ m,m) n ). Koska tämä pätee kaikilla m N, niin (2.22) pätee kaikilla A Bor(R n ). Sekä H n että m n ovat molemmat R n :n Borel-säännöllisiä ulkomittoja, joten pätee: Korollari H n (A) = c n m n (A) A Rn. Todistus. (HT) Esitetään Lauseelle 2.20 myös toinen todistus, joka perustuu tasaisesti jakautuneisiin mittoihin. Määritelmä Sanomme, että metrisen avaruuden X Borel-mitta µ on tasaisesti jakautunut, jos 0 < µ ( B(x,r) ) = µ ( B(y,r) ) < kaikilla x,y X ja kaikilla 0 < r <. Lebesguen mitta m n on tasaisesti jakautunut R n :ssä. Lauseen 2.18 perustella H s( B(x,r) ) = H s( B(y,r) ) kaikilla x,y R n, r > 0 ja s 0. Toisaalta R n kuulien H s -mitat ovat positiivisia ja äärellisiä vain, jos s = n (vrt. Lemma 2.13 ja (2.21)). Siten H n on tasaisesti jakautunut R n :ssä. Lause 2.20 saadaan nyt seuraavasta yleisestä tuloksesta. Lause Jos µ ja ν ovat tasaisesti jakautuneita Borel-mittoja separoituvassa metrisessä avaruudessa X, niin on olemassa vakio c 0 R s.e. kaikilla A Bor(X). µ(a) = c 0 ν(a) Todistus. Merkitään g(r) = µ ( B(x,r) ) ja h(r) = ν ( B(x,r) ), kun 0 < r < ja x X. Jos U X on rajoitettu, avoin joukko ja x U, niin on olemassa raja-arvo ν ( B(x,r) U ) lim = 1. r 0+ h(r)

30 30 Moderni reaalianalyysi Fatoun lemman nojalla pätee tällöin µ(u) = U liminf r 0+ ν ( B(x,r) U ) lim r 0+ h(r) 1 h(r) U dµ(x) ν ( B(x,r) U ) dµ(x). Fubinin lauseesta (ks. Huomautus 2.26) seuraa nyt, että ν ( B(x,r) U ) ( ) dµ(x) = χ B(x,r) (y)dν(y) dµ(x) U U U ( ) = χ B(y,r) (x)dµ(x) dν(y) U U µ ( B(y,r) ) dν(y) Siten Samalla tavalla saadaan Nähdään, että on olemassa raja-arvo U = g(r)ν(u). 0 < µ(u) liminf r 0+ 0 < ν(u) liminf r 0+ g(r) lim r 0+ h(r) = c 0 g(r) h(r) ν(u). h(r) g(r) µ(u). ja että µ(u) = c 0 ν(u) kaikilla avoimilla U X ja siten myös kaikilla U Bor(X). Huomautus Perustellaan Fubinin lauseen käyttö edellisessä todistuksessa. Ensiksikin sekä µ että ν ovat σ-äärellisiä. Toiseksi pätee yleinen tulos: Jos Y ja Z ovat topologisia avaruuksia, joilla on numeroituva kanta (ts. ovat N 2 ), niin silloin (2.27) Bor(Y Z) = σ ( Bor(Y) Bor(Z) ). Edellisessä lauseessa Y = Z = X on separoituva metrinen avaruus, joten se on N 2 ja siten (2.27) pätee. Näin ollen avoin joukko r = {(x,y) X X: d(x,y) < r} on X X:n Borel-joukkona µ ν-mitallinen. Tästä seuraa edelleen, että kuvaus f: X X R, f(x,y) = χ B(x,r) (y) = χ B(y,r) (x) = χ r (x,y) on µ ν-mitallinen ja siksi Fubinia voi käyttää. Osoitetaan vielä (2.27):n inkluusio Bor(Y Z) σ ( Bor(Y) Bor(Z) ), jota käytettiin edellä. Toinen suunta jää harjoitustehtäväksi. Olkoon A Y Z avoin. Koska Y ja Z ovat N 2 :ia, niin A voidaan esittää numeroituvana yhdisteenä A = A i B j, i,j N missä A i Y, B j Z ovat avoimia. Tällöin A i B j Bor(Y) Bor(Z), joten A σ ( Bor(Y) Bor(Z) ). Näin ollen Bor(Y Z) σ ( Bor(Y) Bor(Z) ).

31 Syyslk Seuraavaksi konstruoimme joukkoja, joiden Hausdorff-dimensio ei ole kokonaisluku. Palautetaan mieliin Cantor-joukon konstruktio Reaalianalyysi I:stä. (Käytämme hieman eri merkintöjä ja käsittelemme vain erikoistapauksen.) Olkoon 0 < λ < 1/2. Merkitään I 0,1 = [0,1], I 1,1 = [0,λ] ja I 1,2 = [1 λ,1]. Toisin sanoen, I 1,1 ja I 1,2 on saatu I 0,1 :stä poistamalla sen keskeltä avoin väli, jonka pituus on 1 2λ. Seuraavaksi poistetaan suljettujen välien I 1,i keskeltä avoimet välit, joiden pituus on (1 2λ)λ ja jatketaan prosessia induktiivisesti. Oletetaan, että n:n vaiheen välit I n,i, i = 1,...,2 n, on määritelty. Tällöin (n+1):n vaiheen välit I n+1,j, j = 1,...,2 n+1 saadaan poistamalla n:n vaiheen välien keskeltä avoin väli, jonka pituus on (1 2λ)λ n. Siten Merkitään ( n:n vaiheen approksimaatio ) ja d(i n,i ) = λ n, n ja i = 1,...,2 n. C n (λ) = C(λ) = 2 n I n,i C n (λ). n=1 Tällöin C(λ) on kompakti, ylinumeroituva joukko, jolla ei ole sisäpisteitä. Lisäksi C(λ) on itsesimilaari ja m 1 ( C(λ) ) = 0. Cantorin 1/3-joukko C(1/3) on usein käytetty erikoistapaus. C 0 I 0,1 C 1 I 1,1 I1,2 I 2,1 I 2,4 Lause Kaikilla 0 < λ < 1/2 C 2.. dim H C(λ) = log2 log(1/λ). Erityisesti dim H C(λ) voi saada kaikki arvot väliltä (0,1). Todistus. Riittää osoittaa, että (2.29) 1/2 H s( C(λ) ) 1, jos s = log2 log(1/λ). (i) Esitetään ensin heuristinen argumentti eksponentin s löytämiseksi: Selvästi C(λ) = C 1 C 2,

32 32 Moderni reaalianalyysi missä C 1 ja C 2 ovat erillisiä ja similaarisia C(λ):n kanssa skaalauskertoimella λ. Jos C(λ) olisi s-joukko, niin Lauseen 2.18 (c)-kohdan nojalla H s( C(λ) ) = H s (C 1 )+H s (C 2 ) = 2λ s H s( C(λ) ). Siten josta ratkaisemalla saadaan 1 = 2λ s, s = log2 log(1/λ). (ii) Arvion (2.29) tarkka todistus: Jos δ > 0 on annettu, niin valitaan n N niin suureksi, että λ n < δ. Tällöin {I n,i } 2n on C(λ):n δ-peite, joten H s δ ( ) 2 n C(λ) (λ n ) s = 2 n (1/2) n = 1. Siis H s( C(λ) ) 1. Esitämme todistuksen alarajalle (2.29) vain erikoistapauksessa λ = 1/3, sillä myöhemmin tulemme käsittelemään tehokkaimpia keinoja Hausdorff-dimension määräämiseksi. Yleinen tapaus λ (0,1/2) ei toisi olennaisia muutoksia todistukseen. Oletetaan, että {E j } on sellainen C(1/3):n δ-peite, että d(e j ) s H s( C(1/3) ) +δ, s = log2 log3 Jokaisella j valitaan suljettu väli I j (= [a,b]) s.e. E j inti j (=]a,b[) ja d(i j ) < (1+δ)d(E j ). Tällöin {inti j } muodostaa C(1/3):n avoimen peitteen, joten C(1/3):n kompaktisuuden nojalla voimme valita äärellisen osapeitteen. Indeksöimällä välit I j uudelleen voimme olettaa, että m C(1/3) ja H s( C(1/3) ) +δ I j d(e j ) s m (1+δ) s d(i j ) s. Alarajan (2.29) todistamiseksi riittää siis osoittaa, että (2.30) m d(i j ) s 1 2,

33 Syyslk jos {I j } m on C(1/3):n peite äärellisen monella suljetulla välillä I j. Jokaisella j valitaan k = k(j) N, jolle (2.31) 3 (k+1) d(i j ) < 3 k. Olkoon k 0 suurin luvuista k(j),j = 1,...,m. Konstruktion ja luvun k = k(j) valinnan perusteella jokainen I j voi leikata ainoastaan yhtä k:n vaiheen väliä I k,i. Siis I j leikkaa korkeintaan 2 k 0 k(j) :tävaiheen k 0 väliäi k0,i.siten tällaisten k 0 :nvaiheen välien lukumääräon korkeintaan m 2 k0 k(j). Toisaalta k 0 :n vaiheen välejä on 2 k 0 kappaletta. Näistä jokainen sisältää C(1/3):n pisteitä ja C(1/3) m I j, joten on oltava Nyt voimme laskea 2 k 0 2 k 0 m 2 k0 k(j). m 2 k0 k(j) = 2 k 0 = 2 k 0 2 k 0 m (3 k(j) ) s m ( 3d(Ij ) ) s, m 2 k(j) josta sieventämällä saadaan m d(i j ) s 3 s = 1/2. Huomautus Edellistä todistusta tarkentamalla voidaan osoittaa, että (ks. [Fa1, s ]). H s( C(λ) ) = 1, s = log2 log(1/λ), 2.33 Suoristuvat ja epäsuoristuvat 1-joukot Tarkastellaan aluksi suoristuvia kaaria R n :ssä. Olkoon ψ: [a,b] R n, a < b, jatkuva injektio, jolloin ψ[a,b] = Γ on kaari. Määrittelemme, että Γ:n pituus on m L(Γ) = sup{ ψ(t i ) ψ(t i 1 ) : a = t 0 < t 1 < < t m = b}, missä supremum otetaan yli kaikkien [a, b]:n äärellisten jakojen.

34 34 Moderni reaalianalyysi ψ(a) ψ(t i 1 ) ψ(t i ) ψ(b) Sanomme, että Γ on suoristuva, jos L(Γ) <. Lause Olkoon Γ R n suoristuva kaari. Silloin L(Γ) = H 1 (Γ). Todistus. Jokainen suoristuva kaari Γ voidaan parametrisoida kaarenpituuden suhteen (HT). Toisin sanoen, on olemassa homeomorfismi ψ 0 : [0,L(γ)] Γ, jolle L(ψ 0 [s,t]) = t s kaikilla 0 s t L(Γ). Kaarenpituuden määritelmän nojalla joten ψ 0 on 1-Lipschitz. Siten ψ 0 (t) ψ 0 (s) L(ψ 0 [a,b]) = t s, 0 s t L(Γ), H 1 (Γ) = H 1 (ψ 0 [0,L(Γ)]) H 1 ([0,L(Γ)]) = L(Γ), missä viimeinen yhtälö seuraa faktasta, että H 1 = m 1 R:ssä. Käänteisen epäyhtälön todistamiseen riittää näyttää (L(Γ):n määritelmän nojalla), että H 1 (ψ 0 [s,t]) ψ 0 (s) ψ 0 (t) kaikilla 0 s t L(Γ). Voidaan olettaa, että ψ 0 (s) ψ 0 (t). Olkoon P ortogonaaliprojektio pisteiden ψ 0 (s) ja ψ 0 (t) kautta kulkevalle suoralle S. Silloin P on 1-Lipschitz ja P(ψ 0 [s,t]) J, missä J S on pisteiden ψ 0 (s) ja ψ 0 (t) väliin jäävä jana S:llä. Siten H 1( ψ 0 [s,t] ) H 1( P(ψ 0 [s,t]) ) H 1 (J) = ψ 0 (s) ψ 0 (t). Viimeisessä yhtälössä käytettiin Lausetta 2.18 ja faktaa, että H 1 = m 1 R:ssä. Korollari Olkoon Γ R n suoristuva kaari ja ψ: [0,L(Γ)] R n sen parametrisointi kaarenpituuden suhteen. Jos E [0,L(Γ)] on Lebesgue-mitallinen, niin ψe R n on H 1 -mitallinen ja H 1 (ψe) = m 1 (E). Huomautus Jos Γ R n on suoristuva kaari ja ψ: [0,L(Γ)] R n sen parametrisointi kaarenpituuden suhteen. Silloin ψ = (ψ 1,...,ψ n ), missä jokainen ψ i, i = 1,...,n, on 1-Lipschitz ja siten absoluuttisesti jatkuva. Näin ollen ψ i (t) on olemassa m.k. t [0,L(Γ)] ja edelleen derivaatta on olemassa melkein kaikilla t [0, L(Γ)]. ψ (t) = (ψ 1 (t),...,ψ n (t)) Rn

35 Syyslk Lauseen 2.34 mukaan jokainen suoristuva kaari on 1-joukko, ts. 0 < H 1 (Γ) <. Tällaisia joukkojaovat myössuoristuvienkaarienäärelliset jamyösnumeroituvatyhdisteet i Γ i,jos i H1 (Γ i ) <. Onko olemassa olennaisesti muunlaisia 1-joukkoja? Lähestytään kysymystä esimerkkien valossa. Esimerkki Aloitetaan tason suljetusta yksikköneliöstä J 0 = Q 0 1 = [0,1]2. Olkoon J 1 yhdiste neljästä suljetusta nurkkaneliöstä Q 1 i, i = 1,...,4, joiden jokaisen sivunpituus on 1/4. Sen jälkeen kukin J 1 :n neliöstä Q 1 i, i = 1,...,4, korvataan neljällä nurkkaneliöllä Q2 j, j = 1,...,16, joiden sivunpituudetovat 1/16. Näinjatketaan, jolloin n:nnessävaiheessameilläon4 n kplneliöitä Q n j, j = 1,...,4 n, joiden kunkin sivunpituus on 4 n. Olkoon ja J n = J = 4 n Q n j J n. Tällöin J on Cantor-tyyppinen joukko. Itseasiassa J = C(1/4) C(1/4). n=0 J 0 J 1 J 2 Q 0 1 Q 1 1 Q 1 2 Q 1 3 Q 1 4 Q 2 j J 3 Q 3 i Mikä on J:n Hausdorff-dimensio dim H J? Päätellään sopiva ehdokas ensin similariteettien avulla. Havaitaan, että 4 J = J i, missä J i on similaarinen J:n kanssa skaalauskertoimella 1/4, joten H s ( J i ) = (1/4) s H s (J) ja Jos J on s-joukko, saadaan ylläolevasta ehto H s (J) = 4(1/4) s H s (J). 4(1/4) s = 1 eli s = 1. Perustellaan asiaa hieman tarkemmin. Kiinnitetään δ > 0. Todetaan ensin, että d(q n j ) = 2/4 n. Jos n N on niin suuri, että 2/4 n δ, niin {Q n j }4n on J:n δ-peite ja siten H 1 δ 4n (J) d(q n j ) 4n 2/4 n = 2.

36 36 Moderni reaalianalyysi SitenH 1 (J) 2 <.SamanlaisellapäättelylläkuinLauseen2.28todistuksessavoidaanosoittaa, että H 1 (J) > 0. Siten dim H (J) = 1 ja 0 < H 1 (J) <, eli J on 1-joukko. Geometrialtaan se näyttää kuitenkin hyvin erilaiselta kuin suoristuva käyrä. Huom.:Positiivinenalarajavoidaan myöslöytääkäyttämällä ortogonaalista projektiotap: R 2 S suoralle S, jonka kulmakerroin on 2. Tällöin kuvajoukko P(J) on jana, jonka pituus on 3/ 5. Koska projektio P on 1-Lipschitz, niin H 1 (J) H 1 (P(J)) = 3/ 5. Itseasiassa voidaan osoittaa, että H 1 (J) = 2. P(J) Edellä huomautettiin, että J = C(1/4) C(1/4). Havaitaan, että dim H (J) = 1 = 2log2/log4 = dim H C(1/4)+dim H C(1/4). Esimerkki Olkoot q 1,q 2,... suljetun yksikkökiekon D = {x R 2 : x 1} ne pisteet, joiden molemmat koordinaatit ovat rationaalilukuja. Nämä pisteet muodostavat D:n tiheän numeroituvan osajoukon. Olkoon E = S j, missä Nyt S j = {x R 2 : x q j = 2 j }. 0 < H 1 (E) 2π2 j = 2π <. Siten E on 1-joukko ja dim H E = 1. Kuitenkin E on tiheä D:ssä, Ē D = D, joten E on hyvin suuri. Missä mielessä E muistuttaa geometrisilta ominaisuuksiltaan suoristuvaa kaarta? Nämä ja vastaavat esimerkit herättävät useita kysymyksiä: Millä tavalla Esimerkin 2.37 Cantor-joukko on erilainen kuin suoristuva kaari? Millainen on yleinen 1-joukko? Miten siitä voi erottaa Cantor-tyyppiset ja suoristuvat osat ja miten ko. osat voi määritellä? Miten suoristuvien kaarien geometriset ominaisuudet, kuten esim. tangenttien olemassaolo, yleistyvät Esimerkin 2.38 kaltaisiin joukkoihin?