Мера множества
Ме́ра мно́жества, понятие, обобщающее длину отрезка, площадь плоской фигуры и объём тела на множества более общей природы. Примером меры множества является мера Лебега (введённая А. Лебегом, 1902) для ограниченных множеств, лежащих на плоскости. При определении меры Лебега, так же как и при определении площади плоских фигур в геометрии, исходят из сравнения части плоскости, занимаемой множеством, с выбранной единицей измерения. При этом способ сравнения напоминает обычный процесс измерения площади. Меру Лебега любого квадрата полагают равной его площади в тех или иных единицах измерения. Затем заданное множество покрывают конечным или бесконечным набором квадратов нижнюю грань чисел , взятую по всевозможным покрытиям множества , называют верхней (внешней) мерой множества . Нижняя (внутренняя) мера множества определяется как разность , где – какой-либо квадрат, содержащий множество , и – множество всех точек квадрата , не содержащихся в . Множества , для которых верхняя мера равна нижней, называют измеримыми по Лебегу, а общее значение верхней и нижней мер – мерой Лебега множества . Геометрические фигуры, имеющие площадь в элементарном смысле, измеримы, и их мера Лебега совпадает с их площадью. Однако существуют неквадрируемые измеримые множества. Аналогично можно определить меру Лебега на прямой. При этом верхнюю меру определяют, рассматривая покрытия множества интервалами.
Основные свойства меры Лебега состоят в том, что мера любого множества неотрицательна и мера объединения конечной или счётной системы попарно непересекающихся множеств равна сумме их мер, т. е. .
Класс множеств, измеримых по Лебегу, достаточно широк; в частности, измеримыми по Лебегу являются множество рациональных точек интервала и множество В иррациональных точек того же интервала. Эти множества сходны в том смысле, что каждое из них плотно на интервале , т. е. между любыми двумя точками указанного интервала найдутся как точки множества , так и точки множества ; в то же время они резко различаются по мере, т. к. , а . Для более узких классов множеств мера, совпадающая с лебеговской, была ранее определена М. Э. К. Жорданом (1893) и Э. Борелем (1898).
Развитие ряда разделов современной математики привело к дальнейшим обобщениям понятия меры множества – созданию т. н. абстрактной теории меры. При этом меру множества определяют аксиоматически. Пусть – произвольное множество и – некоторое семейство его подмножеств. Неотрицательную функцию , определённую для всех , входящих в , называют мерой, если она вполне аддитивна, т. е. если для любой последовательности непересекающихся множеств входящих в , сумма которых также входит в , имеет место равенство , и, кроме того, система удовлетворяет определённым дополнительным условиям. Множества, входящие в , называют измеримыми. После того как определена мера , вводят понятие измеримых (по отношению к ) функций и операцию интегрирования.
Многие основные утверждения теории меры Лебега, теории измеримых функций и интеграла Лебега сохраняются с соответствующими изменениями и в абстрактной теории меры и интеграла. Последняя составляет математическое основание современной теории вероятностей, данное А. Н. Колмогоровым (1933). Специальный интерес для ряда областей математики представляют меры, инвариантные по отношению к той или иной группе преобразований множества в себя.