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Die Maßtheorie ist ein Teilgebiet der Mathematik, das die elementargeometrischen Begriffe Streckenlänge, Flächeninhalt und Volumen verallgemeinert und es dadurch ermöglicht, auch komplizierteren Mengen ein Maß zuzuordnen. Sie bildet das Fundament der modernen Integrations- und Wahrscheinlichkeitstheorie.
Als Maß versteht man in der Maßtheorie eine Zuordnung von reellen Zahlen zu einem Teilmengensystem über einer Grundmenge. Die Zuordnung und das Teilmengensystem sollen dabei bestimmte Eigenschaften besitzen. In der Praxis ist häufig nur eine partielle Zuordnung von vornherein bekannt. Zum Beispiel ordnet man in der Ebene Rechtecken das Produkt ihrer Kantenlängen als Flächeninhalt zu. Die Maßtheorie untersucht nun einerseits, ob sich in konsistenter Weise und eindeutig diese Zuordnung auf größere Teilmengensysteme erweitern lässt, und andererseits, ob dabei zusätzliche gewünschte Eigenschaften erhalten bleiben. Im Beispiel der Ebene möchte man natürlich auch Kreisscheiben einen sinnvollen Flächeninhalt zuordnen und man wird gleichzeitig neben den Eigenschaften, die man von Maßen ganz allgemein verlangt, auch Translationsinvarianz fordern, das heißt, der Inhalt einer Teilmenge der Ebene ist unabhängig von ihrer Position.
Inhaltsverzeichnis |
Der komplizierte Aufbau der Maßtheorie wird dadurch verursacht, dass es nicht möglich ist, eine Maßfunktion zu finden, die jeder beliebigen Teilmenge der reellen Zahlenebene ein Maß zuzuordnet, das dem klassischen Flächeninhalt sinnvoll entspricht. Schon bei eindimensionalen Zahlengeraden scheitert dieser Versuch und auch bei höheren Dimensionen gelingt dies nicht. Die Frage, ob dies möglich ist, wurde erstmals 1902 von Henri Lebesgue in seiner Pariser Thèse als Maßproblem formuliert.
An eine sinnvolle Entsprechung des Flächeninhalts (um vom 2-dimensionalen Fall auszugehen) werden dabei die folgenden Forderungen gestellt:
1905 konnte Giuseppe Vitali zeigen, dass dieses Problem für beliebige Teilmengen nicht lösbar ist. Schränkt man jedoch die zu messenden Mengen ein und betrachtet anstatt beliebiger Teilmengen nur ein bestimmtes Mengensystem, so kann man das Maßproblem lösen und auf diesem Mengensystem ein Maß mit den gewünschten Eigenschaften definieren (siehe Definition Maß).
Einen anderen Weg wählte Felix Hausdorff, der das Inhaltsproblem formulierte, indem er die dritte Forderung abschwächte und sich auf endliche Vereinigungen beschränkte. Er konnte 1914 zeigen, dass dieses im Allgemeinen (Dimension <math>p \geq 3</math>) auch nicht lösbar ist. Ausnahmen bilden die reellen Zahlen und die reelle Ebene, für die es eine sogenannte Inhaltsfunktion gibt (siehe Definition Inhalt).
Die Maßtheorie beschäftigt sich also mit verschiedenen Mengensystemen und den Inhaltsfunktionen, die man darauf definieren kann. Dabei werden nicht nur reelle Mengensysteme betrachtet, sondern abstrakte Mengensysteme erzeugt durch beliebige Grundmengen; womit sich, bei geringem Mehraufwand, die Ergebnisse besser in Funktionalanalysis und Wahrscheinlichkeitstheorie anwenden lassen.[1]
Die für den modernen Maßbegriff zentrale Eigenschaft der <math>\sigma</math>-Additivität wurde von E. Borel 1909 eingeführt und wurde anfangs nicht unkritisch gesehen. Die jordansche Konstruktion führt zu lediglich endlich additiven Inhalten, die endliche Additivität (eine schwächere Eigenschaft als <math>\sigma</math>-Additivität) ist hier eine Folgerung aus der Definition des Inhalts. Borel postuliert dagegen die <math>\sigma</math>-Additivität des Maßes und bestimmt so die Maße von Mengen, welche in einer unter abzählbaren Anwendungen von bestimmten Mengenoperationen vollständingen <math>\sigma</math>-Algebra enthalten sind. Henry Lebesgues Definition des Integrals 1902 erhält jedoch die <math>\sigma</math>-Additivität. Die Einschränkung der Additivität auf endlich oder abzählbar viele Mengen kann als Ausweg aus dem (stilisierten) Maßparadoxon von Zenon angesehen werden.[2]
Maßtheorie als Grundlage der Wahrscheinlichkeitsrechnung, wie von Kolmogorow etabliert, verwendet im Allgemeinen auf 1 normierte Maße als Wahrscheinlichkeiten. Gemeinhin wird dies mit den großen technischen Vorteilen begründet, so auch bei Kolmogorow. Hiervon abgewichen wird gelegentlich in subjektivistischen Wahrscheinlichkeitsinterpretationen, besonders prominent bei Bruno de Finetti. Andererseits existieren Dutch-Book-Argumente für die <math>\sigma</math>-Additivität von Graden persönlicher Überzeugung (engl. "degree of belief"). [3] [4] [5]
Die zu messenden Mengen fasst man in Mengensysteme zusammen, die unterschiedlich stark gegenüber Mengenoperationen abgeschlossen sind. Bedeutende maßtheoretische Beispiele von Mengensystemen sind:
Potenzmenge, σ-Algebra, Halbring, Ring, Algebra, Dynkin-System oder durchschnittstabiles Mengensystem.
Dabei ist die Potenzmenge das umfassendste aller Mengensysteme und enthält jede beliebige Teilmenge der Grundmenge. Die σ-Algebra, die das wichtigste Mengensystem der Maßtheorie ist, enthält im Allgemeinen weniger Mengen als die Potenzmenge.
Für die Maßtheorie wichtige Inklusionen:
Auf diesen Mengensystemen definiert man Mengenfunktionen wie beispielsweise Inhalt, Prämaß, Maß oder Äußeres Maß, die jeder Menge des Mengensystem einen Wert in <math>[0,\infty]</math> (der erweiterten, positiven, reellen Achse) zuordnen. Insbesondere übertragen sich alle Eigenschaften von Mengenfunktionen auf Inhalte, Prämaße, Maße und Äußere Maße.
Es ist zu beachten, dass die genannten Begriffe (Inhalt, Prämaß, Maß) in der Literatur uneinheitlich definiert werden, insbesondere in Bezug auf das zugrundeliegende Mengensystem. So wird zum Beispiel der Begriff Inhalt teilweise auf einem Ring,[6] Halbring[7] oder für beliebige Mengensysteme,[8] die die leere Menge enthalten, definiert. Im folgenden sei deshalb die allgemeine Variante angegeben mit Verweis auf die Folgerungen für die Wahl spezieller Mengensysteme.
Eine Funktion <math>\mu</math>, die jeder Menge <math>A</math> aus dem Mengensystem <math>\mathcal{C}</math> mit <math>\emptyset\in\mathcal{C}</math> über <math>\Omega</math> einen Wert <math>\mu ( A )</math> zuordnet, der in <math>[0,\infty]</math> ist, heißt Inhalt, falls für diese Abbildung <math>\mu \colon \mathcal{C} \rightarrow [0,\infty]</math> gilt:
Falls <math>\mathcal{C}=\mathcal{H}</math> ein Halbring ist, dann gilt:
Falls <math>\mathcal{C}=\mathcal{R}</math> ein Ring ist, dann gilt:
mit <math>A_i\in \mathcal{C}</math> für <math>i\in\{1,\dotsc,n\}</math>.
Eine Menge <math>A</math> aus <math>\mathcal{C}</math> heißt Nullmenge, wenn <math>\mu ( A ) = 0</math> gilt.
Ein σ-additiver (oder abzählbar additiver) Inhalt heißt Prämaß. Sei <math>\mu \colon \mathcal{C} \rightarrow [0,\infty]</math> ein Inhalt, dann ist <math>\mu</math> ein Prämaß, wenn für jede Folge <math>(A_i)_{i\in\mathbb{N}}</math> abzählbar vieler paarweise disjunkter Mengen aus <math>\mathcal{C}</math> mit <math>\textstyle \bigcup_{i=1}^\infty A_i \in \mathcal{C}</math> gilt:
Falls <math>\mathcal{C}=\mathcal{H}</math> ein Halbring ist, dann gilt:
Auch hier ist die Fortsetzung <math>\mu'</math>, wie bei der Fortsetzung von einem Inhalt, eindeutig.
Falls <math>\mathcal{C}=\mathcal{R}</math> ein Ring ist, dann gilt:
Sei <math>\mu \colon \mathcal{A} \rightarrow \overline {\R}</math> eine Funktion, die jeder Menge <math>A</math> aus der σ-Algebra <math>\mathcal{A}</math> über <math>\Omega</math> einen Wert <math>\mu(A)</math> in der Menge <math>\overline {\R}</math> der erweiterten reellen Zahlen zuordnet (siehe unten wegen möglicher Verallgemeinerungen). Man nennt <math>\mu</math> ein Maß, falls folgende Bedingungen erfüllt sind:
Somit ist jedes Maß ein Prämaß über einer σ-Algebra, insbesondere gelten alle Eigenschaften für Inhalte und Prämaße. Man beachte, dass in Teilen der Literatur ein Maß wie das Prämaß definiert wird und das zugrunde liegende Mengensystem <math>\mathcal{C}</math> mit <math>\emptyset\in\mathcal{C}</math> über <math>\Omega</math> beliebig ist.
Sei <math>\mathcal{A}</math> eine σ-Algebra aus Teilmengen von <math>\Omega</math>. Dann nennt man das Paar <math>(\Omega, \mathcal{A})</math> Messraum oder messbarer Raum. Eine Funktion, die die Struktur eines Messraums erhält, heißt messbare Funktion. Analog zu stetigen Funktionen zwischen topologischen Räumen fordert man die Messbarkeit von Urbildern messbarer Mengen.
Jedes Element <math>A</math> von <math>\mathcal{A}</math> heißt messbar, da die charakteristische Funktion <math>\chi_A</math> messbar ist. Dabei ist zu beachten, dass man in der Maßtheorie zum einen von der Messbarkeit bezüglich eines Messraumes und zum anderen von der Messbarkeit nach Carathéodory bezüglich eines äußeren Maßes spricht. Letztere kann man aber äquivalent als Messbarkeit bezüglich des durch das äußere Maß induzierten Messraumes betrachten.
Beispiele für Messräume:
Eine Struktur <math>(\Omega, \mathcal{A}, \mu)</math> heißt Maßraum, wenn <math>(\Omega, \mathcal{A})</math> ein Messraum und <math>\mu</math> ein auf diesem Messraum definiertes Maß ist. Ein Beispiel für einen Maßraum ist der Wahrscheinlichkeitsraum <math>(\Omega,\mathcal{A},P)</math> aus der Wahrscheinlichkeitstheorie. Er besteht aus der Ergebnismenge <math>\Omega</math>, der Ereignisalgebra <math>\mathcal{A}</math> und dem Wahrscheinlichkeitsmaß <math>P</math>.
Eine Eigenschaft gilt fast überall (oder <math>\mu</math>-fast überall oder für <math>\mu</math>-fast alle Elemente) in <math>(\Omega, \mathcal{A} , \mu )</math>, wenn es eine Nullmenge gibt, sodass alle Elemente im Komplement die Eigenschaft haben.
Also Eigenschaft <math>A</math> gilt fast überall in <math>\Omega \ \Leftrightarrow \ \exists \ N \in \mathcal{A}</math> mit <math>\mu ( N )=0</math> und <math>A</math> gilt für alle <math>\omega \in \Omega \setminus N</math>.
Beachte, dass die Menge, wo sie nicht gilt, nicht unbedingt messbar ist. In der Stochastik wird auf dem Wahrscheinlichkeitsraum <math>(\Omega,\mathcal{A},P)</math> die Eigenschaft fast überall auch als fast sichere (oder <math>P</math>-fast sichere) Eigenschaft bezeichnet.
Teilmengen von Nullmengen nennt man vernachlässigbar. Ein Maßraum heißt vollständig, wenn alle vernachlässigbaren Mengen messbar sind. Es bezeichne <math>\mathcal{N}</math> die Menge aller vernachlässigbaren Mengen.
Das Tripel <math>(\Omega, \mathcal{A}', \mu')</math> nennt man Vervollständigung von <math>(\Omega, \mathcal{A}, \mu)</math>, wenn man setzt: <math>\mathcal{A}':= \{A\Delta N:A\in\mathcal{A},N\in \mathcal{N}\}</math> (wobei <math>\Delta</math> die symmetrische Differenz ist) und <math>\mu'(A\Delta N):=\mu(A)</math>.
Diese Definition ist sinnvoll, denn wenn <math>A\Delta N = A'\Delta N'</math> (mit <math>A, A'\in\mathcal{A}, N, N'\in \mathcal{N})</math>, dann ist <math>A\Delta A' = N\Delta N'\in \mathcal{N}</math>, somit <math>\mu(A)=\mu(A')</math>.
Es ist <math>\mathcal{A}'\supseteq\mathcal{A}, \mu'|_\mathcal{A} = \mu,</math> und <math>\mathcal{A}'</math> ist vollständig; daher der Name Vervollständigung.
Eine äquivalente Definition der Vervollständigung ist:
Eine mögliche Verallgemeinerung betrifft den Wertebereich der Funktion μ.
Eine andere Möglichkeit der Verallgemeinerung ist die Definition eines Maßes auf der Potenzmenge.
Historisch wurden zuerst endlich additive Maße eingeführt, die heute auch als Inhalte bezeichnet werden. Die moderne Definition, derzufolge ein Maß abzählbar additiv ist, erwies sich jedoch als nützlicher.
Der Satz von Hadwiger klassifiziert alle möglichen translationsinvarianten Maße im <math>\R^n</math>: das Lebesgue-Maß ist ebenso ein Spezialfall wie die Euler-Charakteristik. Verbindungen ergeben sich ferner zu den Minkowski-Funktionalen und den Quermaßen.