在测度论中,零测集是指测度为零的可测集。对于勒贝格测度,这意味着集合在实数轴上的长度为零、在平面上的面积为零,或在更高维空间中的体积为零。一个集合是否为零测集,取决于所采用的测度:它相对于一种测度可能是零测集,相对于另一种测度则未必。与空集不同,零测集可以包含无穷多个点。这一概念是积分论和概率论中处理例外集合的基础。(math.ucdavis.edu)
定义与基本性质
设 为测度空间,其中 是由 的可测子集组成的σ代数。如果集合 满足
则称 为相对于 的零测集。 空集总是零测集。根据测度的单调性,零测集的每个可测子集也都是零测集。此外,可测零测集的可数并仍是零测集,因为由可数次可加性可得
这里不需要假定各集合互不相交。(math.ucdavis.edu)
将并集限定为可数并至关重要。实数轴上的每个单点集的勒贝格测度都为零,但它们的不可数并却是整条实数轴。在其他测度空间中,甚至单点集也未必是零测集:在计数测度下,每个单点集的测度均为一,因此只有空集是零测集。所以,这里的“小”是指相对于所选测度而言可忽略不计,并不一定意味着基数小。(math.ucdavis.edu)
勒贝格零测集与覆盖
对于欧几里得空间 的子集 ,其是否为勒贝格零测集可以用几何方式刻画:对任意 ,都存在可数个矩形 ,使得
也就是说,可以用总体积任意小的矩形覆盖这个集合。这并不要求集合本身有界,也不要求它具有简单的形状。这一判据表明该集合的勒贝格外测度为零;所有这样的集合都是勒贝格可测的。(math.ucdavis.edu)
每个由实数组成的可数集都是零测集。将集合列为 ,并用长度为 的区间覆盖 ,这些区间的总长度就小于 。特别地,有理数集是零测集,尽管它在实数轴上是稠密集。因此,稠密性并不意味着测度为正。(math.ucdavis.edu)
标准的三分康托尔集是不可数的零测集。经过 次构造后,它包含在 个区间的并集中,每个区间的长度均为 。这些区间的总长度为 ,趋于零。这个例子说明,测度为零与可数性是不同的概念。同样,平面上的一条线段,其二维勒贝格测度为零,尽管沿线段测量时它的长度为正。(maths-people.anu.edu.au)
完备性与可测性
如果每个可测零测集的任意子集都是可测的,就称该测度空间是完备的。在不完备的空间中,零测集的某个子集可能不属于所给的σ代数;此时它的测度没有定义,而不是自动为零。有些作者在更宽泛的意义上使用“零测集”,将包含于可测零测度集合中的子集也称为零测集,因此需要留意所采用的约定。(math.ucdavis.edu)
定义在博雷尔σ代数上的勒贝格测度并不完备:康托尔集本身是博雷尔集且测度为零,但它有些子集不是博雷尔集。将这一测度完备化,会加入所有博雷尔零测集的子集,从而得到勒贝格σ代数。这也解释了为什么博雷尔可测性与勒贝格可测性并不相同。(math.ucdavis.edu)
几乎处处相等与积分
如果某个性质不成立的点全部包含在一个零测集中,就称该性质几乎处处成立。如果两个可测函数 和 在某个零测集之外取值相同,就称它们几乎处处相等。对于勒贝格测度,在零测集上任意修改可测函数的值,所得函数仍然可测。在一般情形下,这一结论要求测度空间具有完备性。(ocw.mit.edu)
零测集对勒贝格积分没有贡献。对于可测集 ,有
其中 是 的示性函数。因此,几乎处处相等的可测函数,只要积分有定义,其积分就相同。在Lp空间中,函数按照几乎处处相等的关系归入等价类,而不会仅仅因为它们在零测集上的逐点取值不同,就将其视为不同的元素。(ocw.mit.edu)
概率论中的零概率事件
在概率空间 中,如果可测事件 满足 ,就称其为零概率事件。如果某个性质不成立的例外事件是零概率事件,就称该性质几乎必然成立。这是“几乎处处成立”在概率论中的对应概念。(statlect.com)
概率为零并不意味着事件为空。对于服从 上均匀分布的随机变量 ,每个事件 (其中 )的概率都为零,尽管这些事件合起来覆盖了所有可能的结果。概率测度具有可数可加性,而不是任意可加性;不能对不可数多个单点事件的概率求和,并认为通常的可数可加性规则仍然适用。(statlect.com)