题目
外测度1.设E是直线上的有理点全体,则E的外测度为0.2.平面上的x轴的外测度为0.3.Cantor集的外测度为0.4.设Esubset R^n是有界集,则m^*E<+infty.5.设A,Bsubset R^n,且m*A,m*B至少有一个为有限实数,则m*(B-A)geq m*B-m*A.
外测度
1.设E是直线上的有理点全体,则E的外测度为0.
2.平面上的x轴的外测度为0.
3.Cantor集的外测度为0.
4.设$E\subset R^{n}$是有界集,则$m^{*}E<+\infty$.
5.设A,B$\subset R^{n}$,且m*A,m*B至少有一个为有限实数,
则$m*(B-A)\geq m*B-m*A$.
题目解答
答案
为了确定给定集合的外测度,我们需要使用外测度的定义和性质。一个集合 $ E $ 的外测度,记为 $ m^*(E) $,是所有覆盖 $ E $ 的开区间(或 $ \mathbb{R}^n $ 中的开集)的长度(或体积)之和的下确界。
让我们逐步解决每个问题:
1. **直线上的有理点全体的外测度:**
- 设 $ E $ 是直线上的有理点全体。有理数是可数的,因此我们可以将 $ E $ 写为 $ \{q_1, q_2, q_3, \ldots\} $。
- 对于任何 $ \epsilon > 0 $,我们可以将每个有理点 $ q_i $ 覆盖在一个长度为 $ \frac{\epsilon}{2^i} $ 的开区间内。所有这些区间的并集覆盖了 $ E $。
- 这些区间的总长度为 $ \sum_{i=1}^{\infty} \frac{\epsilon}{2^i} = \epsilon $。
- 由于 $ \epsilon $ 可以任意小,$ E $ 的外测度为 $ 0 $。
- 因此,$ m^*(E) = 0 $。
2. **平面上的x轴的外测度:**
- 平面上的x轴是集合 $ \{(x, 0) : x \in \mathbb{R}\} $。
- 对于任何 $ \epsilon > 0 $,我们可以将x轴覆盖在宽度为 $ \epsilon $ 的带状区域内。这个带状区域可以看作是可数多个长度为1、宽度为 $ \epsilon $ 的矩形的并集。
- 这些矩形的总面积为 $ \sum_{i=-\infty}^{\infty} 1 \cdot \epsilon = \infty \cdot \epsilon $。然而,由于 $ \epsilon $ 可以任意小,x轴的外测度为 $ 0 $。
- 因此,$ m^*(\text{x轴}) = 0 $。
3. **Cantor集的外测度:**
- Cantor集是通过从区间 $[0, 1]$ 中反复移除中间三分之一构造的。
- 在第一步,移除中间三分之一后,剩余的长度为 $ \frac{2}{3} $。
- 在第二步,从剩余的两个区间中各移除中间三分之一,剩余的长度为 $ \left(\frac{2}{3}\right)^2 $。
- 继续这个过程,经过 $ n $ 步后,剩余的长度为 $ \left(\frac{2}{3}\right)^n $。
- 当 $ n $ 趋向于无穷大时,剩余的长度为 $ \lim_{n \to \infty} \left(\frac{2}{3}\right)^n = 0 $。
- 因此,Cantor集的外测度为 $ 0 $。
- 因此,$ m^*(\text{Cantor集}) = 0 $。
4. **有界集的外测度:**
- 设 $ E \subset \mathbb{R}^n $ 是有界集。那么存在一个边长为 $ L $ 的超立方体,它包含 $ E $。
- 这个超立方体的体积为 $ L^n $。
- 由于超立方体覆盖了 $ E $,$ E $ 的外测度最多为 $ L^n $。
- 因此,$ m^*(E) < +\infty $。
5. **集合差的外测度:**
- 设 $ A, B \subset \mathbb{R}^n $,且 $ m^*A $ 和 $ m^*B $ 至少有一个为有限实数。
- 我们需要证明 $ m^*(B - A) \geq m^*B - m^*A $。
- 由于 $ B \subset (B - A) \cup A $,根据外测度的次可加性,我们有 $ m^*B \leq m^*(B - A) + m^*A $。
- 重新排列这个不等式,我们得到 $ m^*(B - A) \geq m^*B - m^*A $。
- 因此,不等式成立。
最终答案是:
1. $ m^*(E) = 0 $
2. $ m^*(\text{x轴}) = 0 $
3. $ m^*(\text{Cantor集}) = 0 $
4. $ m^*(E) < +\infty $
5. $ m^*(B - A) \geq m^*B - m^*A $
\[
\boxed{1, 2, 3, 4, 5}
\]
解析
- 直线上的有理点全体:考查可数集的外测度性质,关键点在于有理数可数,可用可数个小区间覆盖,总长度可任意小。
- 平面上的x轴:考查低维子集在高维空间中的外测度,关键点是用狭窄带状区域覆盖x轴,总面积趋近于0。
- Cantor集:考查构造法求外测度,关键点是每次移除中间三分之一,剩余测度趋于0。
- 有界集的外测度:考查有界集的覆盖性质,关键点是有界集可被有限体积的超立方体覆盖。
- 集合差的外测度不等式:考查外测度的次可加性,关键点是通过集合包含关系推导不等式。
1. 直线上的有理点全体的外测度
可数集的覆盖方法
有理数集可数,记为$\{q_1, q_2, \ldots\}$。对任意$\epsilon > 0$,用开区间$(q_i - \frac{\epsilon}{2^{i+1}}, q_i + \frac{\epsilon}{2^{i+1}})$覆盖每个$q_i$,总长度为$\sum_{i=1}^\infty \frac{\epsilon}{2^i} = \epsilon$。因$\epsilon$可任意小,故外测度为0。
2. 平面上的x轴的外测度
带状区域覆盖
x轴可被覆盖为宽度$\epsilon$的带状区域$\bigcup_{k=-\infty}^\infty (k, k+1) \times (-\epsilon/2, \epsilon/2)$,总面积为$\sum_{k} \epsilon = \infty \cdot \epsilon$。但$\epsilon$趋近于0时,总测度仍为0。
3. Cantor集的外测度
构造过程中的测度变化
第$n$步剩余区间总长度为$\left(\frac{2}{3}\right)^n$,当$n \to \infty$时,极限为0。因此Cantor集的外测度为0。
4. 有界集的外测度
有限体积覆盖
有界集$E$可被边长$L$的超立方体覆盖,体积$L^n$有限,故$m^*(E) \leq L^n < +\infty$。
5. 集合差的外测度不等式
次可加性的应用
由$B \subset (B - A) \cup A$,根据外测度次可加性:
$m^*B \leq m^*(B - A) + m^*A \implies m^*(B - A) \geq m^*B - m^*A.$