波萊爾域

在數學中,一個波萊爾域是指在一個指定的拓撲空間中,可由其開集(或者等價地,可由其閉集)的可數次並運算、可數次交運算和(或)差運算得到的一個集合。波萊爾域是由Émile Borel的名字命名的。

對於一個拓撲空間X,其所有波萊爾域的全體構成一個σ-代數,稱為波萊爾代數。拓撲空間X上的波萊爾代數是X上包含其所有開集(或者等價地,所有閉集)的最小的σ-代數。

波萊爾域在測度論中有著重要的意義,因為任何空間上的開集(或者閉集)上定義的測度,必然可以將定義延拓到空間所有的波萊爾域上。定義在波萊爾域上的測度被稱為波萊爾測度。波萊爾域和相關的波萊爾分層在描述集合論中也起著基礎性的作用。

在某些語境下,波萊爾域被定義為是由拓撲空間中的緊集而不是開集生成的。兩個定義在很多良態的空間中是等價的,包括所有σ-緊的豪斯多夫空間,但是在具有病態性質的空間中兩者可能不同。

數學定義

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域

設 是 的子集的一個非空類,若且唯若滿足

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域

時, 稱為域。

若且唯若滿足

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域

時, 稱為單調類。

若且唯若滿足

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域

時, 稱為波萊爾域。

數學性質

1 一個域為波萊爾域的充分必要條件是它也是一個單調類

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域

的所有子集的類 是一波萊爾域,稱為全波萊爾域,兩個集 的類是一波萊爾域,稱為平凡波萊爾域,設 是任一個指標集,且對每個 是一波萊爾域(或者單調類),則所有這些波萊爾域的交,即屬於所有的 的集所成的類,也是一個波萊爾域。對於任給的非空集類 ,存在一個包含它的一個最小的波萊爾域,它正好就是包含 的所有波萊爾域的交,易知,這種波萊爾域至少存在一個,即上面提到的 。這個最小的波萊爾域也稱為是由 產生的。特別是,如果 是一個域,則存在包含 的一個最小的波萊爾域。

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域
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2 設 是一個域, 是包含 的最小單調類, 是包含 的最小波萊爾域,則 .

生成

當X是一個度量空間時,博雷爾代數可以用如下生成的方法描述。

對於X的一族子集T(即X的冪集P(X)的任何子集),令

1 T為T中元素的可數並的全體

2 T為T中元素的可數交的全體

3 T=(T).

波萊爾域 波萊爾域

現在利用超限歸納法定義如下的序列 ,其中m是一個序數:

1 對於初始的情況,定義

波萊爾域 波萊爾域

的所有開子集全體。

2 如果i不是極限序數,那么i是i-1的後繼序數。令

波萊爾域 波萊爾域

3 如果i是極限序數,令

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域

我們現在可以說博雷爾代數是 ,其中ω是第一不可數序數,即勢為 ℵ₁的序數集。這意味著博雷爾代數可以通過開集全體的疊代運算

波萊爾域 波萊爾域

至第一不可數序而生成。

波萊爾域 波萊爾域
波萊爾域 波萊爾域

為了證明這一點,首先注意到度量空間中的任何開集都是一列遞增緊集的並。特別地,易知對於任何極限序數m,集合的差運算將 映射到自身;而且,當m是不可數的極限序數時, 在可數並運算下是封閉的。

注意到對於每一個博雷爾集B,存在一個可數序數α使得B可以通過α多次疊代後得到。但是隨著B取遍所有博雷爾集,α也會相應地取遍所有可數序數,故而要得到所有博雷爾集所需的最靠前的序數是ω,即第一不可數序數。

非波萊爾域

下面描述了盧津給出的一個實數集上的子集不是波萊爾域的例子。與之形成對比的是,不可測集的例子是無法給出的,不過其存在性是可以證明的。

每一個無理數都有一個唯一的連分數表示

波萊爾域 波萊爾域
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波萊爾域 波萊爾域
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其中 是一個整數,其餘的 都是正整數。令A為對應序列 的無理數組成的集合,而且其中的元素滿足下列性質:存在一個無限子序列 使得序列中每一個元素都是下一個元素的因子。這個集合A不是波萊爾域。

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