一、定义与比较下确界的总模板
对 E⊆Rd,定义
m∗(E):=inf{j=1∑∞∣Qj∣:E⊆j=1⋃∞Qj,Qj 为方体}.
二、四个基本性质
1. 单调性
若 E1⊆E2,则
m∗(E1)≤m∗(E2).
任取 E2 的方体覆盖 {Qj}。因为 E1⊆E2⊆⋃jQj,它也是 E1 的覆盖,所以
m∗(E1)≤j=1∑∞∣Qj∣.
该式对 E2 的任意覆盖成立,对这些覆盖成本取下确界便得结论。这里真正被比较的是可行覆盖族:集合越小,可行覆盖越多,下确界不会变大。
2. 次可数可加性
若 E=⋃j=1∞Ej,则
m∗(E)≤j=1∑∞m∗(Ej).
若右端为无穷大,结论自动成立。否则任取 ε>0,对每个 j 选择 Ej 的方体覆盖 {Qjk}k≥1,使
k=1∑∞∣Qjk∣≤m∗(Ej)+2jε.
双指标方体族覆盖 E;又因 N×N 可数,它仍可重排成定义允许的单序列。于是
m∗(E)≤j=1∑∞k=1∑∞∣Qjk∣≤j=1∑∞(m∗(Ej)+2jε)=j=1∑∞m∗(Ej)+ε.
令 ε↓0 即得结论。
3. 外正则性
对任意 E⊆Rd,
m∗(E)=inf{m∗(O):O⊇E,O 为开集}.
记右端为 L。由单调性,任意开集 O⊇E 都满足 m∗(E)≤m∗(O),故 m∗(E)≤L。
若 m∗(E)=∞,这个不等式已经迫使 L=∞。以下设 m∗(E)<∞。任取 ε>0,选取覆盖 {Qj} 使
j∑∣Qj∣≤m∗(E)+2ε.
把每个 Qj 轻微膨胀成开方体 Sj⊇Qj,满足
∣Sj∣≤∣Qj∣+2j+1ε.
令 O=⋃jSj,则 O 开且包含 E。由次可数可加性和方体外测度等于体积,
m∗(O)≤j∑m∗(Sj)≤j∑∣Sj∣≤j∑∣Qj∣+2ε≤m∗(E)+ε.
所以 L≤m∗(E)+ε;令误差归零得到反向不等式。
4. 正距离集合的可加性
若 E=E1∪E2 且
d(E1,E2):=inf{∣x−y∣:x∈E1,y∈E2}>0,
则
m∗(E)=m∗(E1)+m∗(E2).
次可加性给出“≤”。为证反向,取 0<δ<d(E1,E2),再取 E 的近优覆盖 {Qj}。把每个方体有限细分,使所有小方体满足 diam(Qj)<δ;细分不改变总体积,仍是可数覆盖。
若某个 Qj 同时碰到 E1,E2,可取 x∈Qj∩E1、y∈Qj∩E2,于是
diam(Qj)≥∣x−y∣≥d(E1,E2)>δ,
与小直径条件矛盾。因此小方体可以无重复地分流为 E1,E2 的两份覆盖。若原覆盖成本不超过 m∗(E)+ε,便有
m∗(E1)+m∗(E2)≤j∑∣Qj∣≤m∗(E)+ε.
令 ε↓0 得到反向不等式。
三、推论:有限个不交紧集
若 F1,…,FN 两两不交且均紧,则
m∗(j=1⨆NFj)=j=1∑Nm∗(Fj).
两个不交紧集必有正距离:连续函数 (x,y)↦∣x−y∣ 在紧集 F1×F2 上取得最小值;若最小值为零,就有某个公共点,矛盾。图片中的子列证明还能说明,条件可弱化为“一个集合紧,另一个集合闭”。
只证 N=2 就足够,因为可以归纳:有限个紧集的并仍紧。令 K=⋃j=1N−1Fj,则 K 与 FN 是两个不交紧集,先对它们使用正距离可加性,再代入归纳假设。
四、几何变换下的外测度
1. 平移不变性
对 a∈Rd,
m∗(E+a)=m∗(E).
把 E 的近优覆盖逐个平移,体积不变,得到 m∗(E+a)≤m∗(E);再对 E+a 平移 −a,得到反向不等式。这是可逆变换的常用套路:先用变换证一个方向,再用逆变换收回另一个方向。
2. 坐标伸缩
若 λi=0,则
m∗(λE)=∣λ1⋯λd∣m∗(E),
其中 λE={(λ1x1,…,λdxd):x∈E}。每个坐标方向的长度乘以 ∣λi∣,所以 d 维体积倍率为它们的乘积。
3. 一般可逆线性变换
若 A∈GLd(R),则
m∗(A(E))=∣detA∣m∗(E).
∣detA∣ 是单位方体经 A 变换所得平行多面体的体积,即 d 维体积倍率。符号只表示定向是否翻转,所以取绝对值。
五、方法提炼
题型识别
- 外测度与下确界:先判断需要任意覆盖还是近优覆盖;
- 可数拼接:准备 ε/2j 误差预算;
- 正距离:准备小直径化和覆盖分流;
- 不交紧集:先证距离为正;
- 可逆变换:一个方向加逆变换;
- 线性变换体积:想到 ∣detA∣,并检查变换后覆盖形状。
标准流程
- 把等式拆成两个不等式;
- 由目标方向决定“检查所有”或“构造近优”;
- 设计可求和误差;
- 必要时把覆盖细分到指定尺度;
- 最后检查无穷值、可数性、覆盖形状和逆变换。
六、变式练习