르베그 측도

집합의 크기를 재는 가장 싼 덮개 값을 봅니다. 한 점은 물론 유리수 전체도 비용이 0으로 떨어집니다.

길이를 재는 규칙을 점이나 유리수 같은 집합까지 넓힙니다. 덮개들의 총 길이가 가장 작은 값을 찾습니다. 그 값이 집합의 크기 후보가 됩니다.

예를 들면, 🧵 줄 조각으로 어떤 집합을 덮을 때, 줄의 총 길이가 가장 짧은 덮개가 그 집합의 크기예요. 점 하나는 줄이 거의 없어도 덮여요.

m∗(A)=inf⁡∑ℓ(In)m^*(A) = \inf \sum \ell(I_n)
m∗(Q∩[0,1])=0m^*(\mathbb{Q}\cap[0,1]) = 0

이 씬이 포함된 학습 경로

예제

외측도 m∗({x})=0m^*(\{x\}) = 0임을 증명하세요.

m∗({x})≤εm^*(\{x\}) \leq \varepsilon
{0.5}\{0.5\} — 길이 ε=0.1\varepsilon = 0.1인 구간 하나로 덮습니다.
증명 보기
  1. 임의의 ε>0\varepsilon > 0에 대해 구간 (x−ε/2, x+ε/2)(x - \varepsilon/2,\, x + \varepsilon/2)는 {x}\{x\}의 가산 구간 덮개이며 총길이는 ε\varepsilon이다.

  2. m∗m^*는 모든 덮개의 총길이에 대한 하한(infimum)이므로 m∗({x})≤εm^*(\{x\}) \le \varepsilon이다.

  3. ε>0\varepsilon > 0이 임의였으므로 m∗({x})=0m^*(\{x\}) = 0이다. 한 점은 외측도가 0이다.

m∗(Q∩[0,1])=0m^*(\mathbb{Q}\cap[0,1]) = 0임을 증명하세요.

∑n=1∞ε2n=ε\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\varepsilon}{2^n} = \varepsilon
Q∩[0,1]\mathbb{Q}\cap[0,1] — kk번째 유리수를 길이 ε/2k+1\varepsilon/2^{k+1}인 구간으로 덮습니다 (총길이 <ε<\varepsilon).
증명 보기
  1. Q∩[0,1]\mathbb{Q}\cap[0,1]은 가산집합이므로 {q1,q2,… }\{q_1, q_2, \dots\}로 열거할 수 있다. 임의의 ε>0\varepsilon > 0을 잡자.

  2. 각 qnq_n을 중심으로 길이가 ε/2n\varepsilon/2^n인 구간 InI_n으로 덮자. {In}\{I_n\}은 Q∩[0,1]\mathbb{Q}\cap[0,1]의 가산 구간 덮개이며, 총길이는 ∑n=1∞ε/2n=ε\sum_{n=1}^{\infty} \varepsilon/2^n = \varepsilon이다.

  3. 따라서 m∗(Q∩[0,1])≤εm^*(\mathbb{Q}\cap[0,1]) \le \varepsilon이고, ε\varepsilon이 임의이므로 m∗(Q∩[0,1])=0m^*(\mathbb{Q}\cap[0,1]) = 0이다. 가산집합은 외측도가 0이다.

A⊆B  ⟹  m∗(A)≤m∗(B)A \subseteq B \implies m^*(A) \leq m^*(B)임을 증명하세요.

Q∩[0,1]⊆[0,1]\mathbb{Q}\cap[0,1] \subseteq [0,1] — 작은 집합의 덮개 총길이는 ε=0.05\varepsilon = 0.05 아래로 떨어집니다.
증명 보기
  1. A⊆BA \subseteq B라 하자. BB의 가산 구간 덮개 {In}\{I_n\}는 AA도 덮는다: 각 InI_n은 구간이므로 합집합 ⋃nIn\bigcup_n I_n은 BB를 포함하고, 따라서 AA도 포함한다.

  2. 따라서 BB의 덮개들의 모임은 AA의 덮개들의 모임에 포함된다. 하한(infimum)은 더 큰 모임에서 더 작아지므로 m∗(A)≤m∗(B)m^*(A) \le m^*(B)이다.

  3. 특히 Q∩[0,1]⊆[0,1]\mathbb{Q}\cap[0,1] \subseteq [0,1]이므로 m∗(Q∩[0,1])=0≤1=m∗([0,1])m^*(\mathbb{Q}\cap[0,1]) = 0 \le 1 = m^*([0,1])이다. 외측도는 단조적이다.

11. 적분