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Borel集知多少?

已有 44736 次阅读 2014-6-3 13:49 |个人分类:数学常识|系统分类:科普集锦

一位网友问了我一个问题,本想直接搜个答案给他,可网上的解答没一个靠谱的,只好自己写一个。

所谓Borel集是指拓扑空间中的开集经过至多可数次的交、并、差运算得到的σ-域中的元素,也可以说成拓扑空间中含开集的最小σ-域中的元素,两者是一回事,这里仅限于欧氏空间进行讨论。有人问:为什么Borel集全体的势与实数集一样?通俗点说:为什么Borel集合的个数与实数的个数一样多?

我以通俗的方式解释这个问题,叙述未必很严谨。要回答这个问题,先要了解这样的结论:“由两个元素组成的所有可能的序列构成的集合与实数一样多。”这个结论在任何一本集合论或实变函数书籍中都可以找到,只要利用二进制便很容易完成证明。这个结论可以推而广之:k个元素组成的所有可能的序列构成的集合与实数一样多。其证明可以模仿k=2情形如法炮制,只要把二进制改成k进制即可。有了这个结论后,剩下的问题就简单了。

交、并、差这三个运算可以看着三个元素,由这三个元素组成的所有可能的序列与实数一样多。一个Borel集可以与一列开集及交、并、差组成的一个序列相对应。而开集的个数与实数的个数一样多,换句话说,可以在Borel集与一列和实数一样多的集合之间做一个对应关系。稍微数学化点说就是:可以在Borel集全体与可数个实数集的笛卡尔积之间做一个一一对应。我们知道,后者与实数一样多,所以Borel集与实数一样多。用数学语言表达即:Borel集全体具有连续势。

与之相关的另一个问题是:Lebesgue可测集有多少?为了说清楚这个问题,我们先看有限集,众所周知,如果一个集合含N个元素,那么由这个集合的任意子集构成的集合全体有2N 个元素,当N1时,2N>N。对于无穷集而言,有没有类似的结论?具体地说,如果Ac个元素(这里的c不是有限数,而是无穷大),那么A的所有子集构成的集合有多大?我们可以把它的元素个数记着2c,你可能会猜测2c应该严格大于c。善哉,你猜对了,证明却远比有限集情形复杂。

我们知道,任何零测集都是Lebegue可测集,Cantor三分集是个零测集(好比区间的长度为0),然而它与实数一样多,这是个有点令人不可思议的现象,可事实的确如此。假如我们把Cantor集所含元素的个数记着c,那么Cantor集的所有子集构成的集合所含元素个数就是2c。而零测集的任何子集还是零测集从而可测,可见可测集的个数不小于2c,它会不会大于这个数呢?你只要知道Lebesgue可测集是欧氏空间的一个子集,而欧氏空间中的点与实数一样多,便不难得知可测集全体不会大于2c了。

由此可见,Lebesgue可测集远比Borel集多。




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