一、定义与比较下确界的总模板

ERdE\subseteq\mathbb R^d,定义

m(E):=inf{j=1Qj:Ej=1Qj,Qj 为方体}.m_*(E):=\inf\left\{\sum_{j=1}^{\infty}|Q_j|: E\subseteq\bigcup_{j=1}^{\infty}Q_j, Q_j\text{ 为方体}\right\}.

二、四个基本性质

1. 单调性

E1E2E_1\subseteq E_2,则

m(E1)m(E2).m_*(E_1)\le m_*(E_2).

任取 E2E_2 的方体覆盖 {Qj}\{Q_j\}。因为 E1E2jQjE_1\subseteq E_2\subseteq\bigcup_jQ_j,它也是 E1E_1 的覆盖,所以

m(E1)j=1Qj.m_*(E_1)\le\sum_{j=1}^{\infty}|Q_j|.

该式对 E2E_2 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

E=j=1EjE=\bigcup_{j=1}^{\infty}E_j,则

m(E)j=1m(Ej).m_*(E)\le\sum_{j=1}^{\infty}m_*(E_j).

若右端为无穷大,结论自动成立。否则任取 ε>0\varepsilon>0,对每个 jj 选择 EjE_j 的方体覆盖 {Qjk}k1\{Q_{jk}\}_{k\ge1},使

k=1Qjkm(Ej)+ε2j.\sum_{k=1}^{\infty}|Q_{jk}| \le m_*(E_j)+\frac{\varepsilon}{2^j}.

双指标方体族覆盖 EE;又因 N×N\mathbb N\times\mathbb N 可数,它仍可重排成定义允许的单序列。于是

m(E)j=1k=1Qjkj=1(m(Ej)+ε2j)=j=1m(Ej)+ε.\begin{aligned} m_*(E) &\le\sum_{j=1}^{\infty}\sum_{k=1}^{\infty}|Q_{jk}|\\ &\le\sum_{j=1}^{\infty}\left(m_*(E_j)+\frac{\varepsilon}{2^j}\right)\\ &=\sum_{j=1}^{\infty}m_*(E_j)+\varepsilon. \end{aligned}

ε0\varepsilon\downarrow0 即得结论。

3. 外正则性

对任意 ERdE\subseteq\mathbb R^d

m(E)=inf{m(O):OE,O 为开集}.m_*(E)=\inf\{m_*(O):O\supseteq E, O\text{ 为开集}\}.

记右端为 LL。由单调性,任意开集 OEO\supseteq E 都满足 m(E)m(O)m_*(E)\le m_*(O),故 m(E)Lm_*(E)\le L

m(E)=m_*(E)=\infty,这个不等式已经迫使 L=L=\infty。以下设 m(E)<m_*(E)<\infty。任取 ε>0\varepsilon>0,选取覆盖 {Qj}\{Q_j\} 使

jQjm(E)+ε2.\sum_j|Q_j|\le m_*(E)+\frac\varepsilon2.

把每个 QjQ_j 轻微膨胀成开方体 SjQjS_j\supseteq Q_j,满足

SjQj+ε2j+1.|S_j|\le |Q_j|+\frac{\varepsilon}{2^{j+1}}.

O=jSjO=\bigcup_jS_j,则 OO 开且包含 EE。由次可数可加性和方体外测度等于体积,

m(O)jm(Sj)jSjjQj+ε2m(E)+ε.\begin{aligned} m_*(O) &\le\sum_jm_*(S_j) \le\sum_j|S_j|\\ &\le\sum_j|Q_j|+\frac\varepsilon2 \le m_*(E)+\varepsilon. \end{aligned}

所以 Lm(E)+εL\le m_*(E)+\varepsilon;令误差归零得到反向不等式。

4. 正距离集合的可加性

E=E1E2E=E_1\cup E_2

d(E1,E2):=inf{xy:xE1,yE2}>0,d(E_1,E_2):=\inf\{|x-y|:x\in E_1, y\in E_2\}>0,

m(E)=m(E1)+m(E2).m_*(E)=m_*(E_1)+m_*(E_2).

次可加性给出“\le”。为证反向,取 0<δ<d(E1,E2)0<\delta<d(E_1,E_2),再取 EE 的近优覆盖 {Qj}\{Q_j\}。把每个方体有限细分,使所有小方体满足 diam(Qj)<δ\operatorname{diam}(Q_j)<\delta;细分不改变总体积,仍是可数覆盖。

若某个 QjQ_j 同时碰到 E1,E2E_1,E_2,可取 xQjE1x\in Q_j\cap E_1yQjE2y\in Q_j\cap E_2,于是

diam(Qj)xyd(E1,E2)>δ,\operatorname{diam}(Q_j)\ge |x-y| \ge d(E_1,E_2)>\delta,

与小直径条件矛盾。因此小方体可以无重复地分流为 E1,E2E_1,E_2 的两份覆盖。若原覆盖成本不超过 m(E)+εm_*(E)+\varepsilon,便有

m(E1)+m(E2)jQjm(E)+ε.m_*(E_1)+m_*(E_2) \le\sum_j|Q_j| \le m_*(E)+\varepsilon.

ε0\varepsilon\downarrow0 得到反向不等式。

三、推论:有限个不交紧集

F1,,FNF_1,\ldots,F_N 两两不交且均紧,则

m(j=1NFj)=j=1Nm(Fj).m_*\left(\bigsqcup_{j=1}^{N}F_j\right) =\sum_{j=1}^{N}m_*(F_j).

两个不交紧集必有正距离:连续函数 (x,y)xy(x,y)\mapsto|x-y| 在紧集 F1×F2F_1\times F_2 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=2N=2 就足够,因为可以归纳:有限个紧集的并仍紧。令 K=j=1N1FjK=\bigcup_{j=1}^{N-1}F_j,则 KKFNF_N 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

aRda\in\mathbb R^d

m(E+a)=m(E).m_*(E+a)=m_*(E).

EE 的近优覆盖逐个平移,体积不变,得到 m(E+a)m(E)m_*(E+a)\le m_*(E);再对 E+aE+a 平移 a-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

λi0\lambda_i\ne0,则

m(λE)=λ1λdm(E),m_*(\lambda E)=|\lambda_1\cdots\lambda_d|m_*(E),

其中 λE={(λ1x1,,λdxd):xE}\lambda E=\{(\lambda_1x_1,\ldots,\lambda_dx_d):x\in E\}。每个坐标方向的长度乘以 λi|\lambda_i|,所以 dd 维体积倍率为它们的乘积。

3. 一般可逆线性变换

AGLd(R)A\in GL_d(\mathbb R),则

m(A(E))=detAm(E).m_*(A(E))=|\det A|m_*(E).

detA|\det A| 是单位方体经 AA 变换所得平行多面体的体积,即 dd 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\varepsilon/2^j 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|\det A|,并检查变换后覆盖形状。

标准流程

  1. 把等式拆成两个不等式;
  2. 由目标方向决定“检查所有”或“构造近优”;
  3. 设计可求和误差;
  4. 必要时把覆盖细分到指定尺度;
  5. 最后检查无穷值、可数性、覆盖形状和逆变换。

六、变式练习