מידה (מתמטיקה)

(הופנה מהדף מידה רגולרית)

במתמטיקה, מידה היא פונקציה המתאימה מספר אי-שלילי (או אינסוף) לאוסף מסוים של תת-קבוצות של קבוצה נתונה, ומקיימת תכונות שימושיות מסוימות. מושג המידה מכליל את המושגים הטבעיים של אורך, נפח והסתברות, ולכן יש לו תפקיד מרכזי באנליזה מתמטית ובתורת ההסתברות.

תורת המידה היא ענף של אנליזה ממשית שחוקר סיגמא-אלגברות, פונקציות מידה, פונקציות מדידות ואינטגרלים.

הגדרה פורמלית עריכה

יהי   מרחב מדיד (כלומר   ו-  סיגמא-אלגברה). פונקציה   נקראת מידה אם יש קבוצות שמידתן סופית, והיא סיגמא-אדיטיבית:
יהיו   מספר בן מנייה של קבוצות זרות בזוגות, כלומר:  .
אזי מתקיים שמידת האיחוד היא סכום המידות, כלומר:
 .

פונקציה   בעלת שתי תכונות אלה נקראת מידה מרוכבת. לעיתים, על מנת להדגיש שטווחה של מידה מסוימת הוא   אומרים שהיא מידה חיובית (על אף שהיא יכולה להחזיר את 0 כערך).

שלשה   שרכיביה מרחב מדגם, סיגמא-אלגברה על המרחב ופונקציית מידה על האלגברה, נקראת מרחב מידה. במקרה כזה, קבוצה השייכת לסיגמא-אלגברה מכונה קבוצה מדידה (ביחס לאותה אלגברה).

פונקציה בין שני מרחבי מידה נקראת מדידה, אם התמונה ההפוכה של כל קבוצה מדידה היא קבוצה מדידה.

קיימות הכללות של פונקציית מידה גם לפונקציות המקבלות ערכים שליליים ואף לפונקציות המקבלות ערכים מרוכבים.

  ערכים מורחבים – מידה מסומנת, מידה מרוכבת

תכונות של מידה עריכה

מתכונת ההגדרה של הסיגמא האדטיבית לעיל נובעות התכונות השימושיות הבאות של מידה חיובית:

  • מונוטוניות ביחס להכלה:
    אם   אזי  .
  • סיגמא תת-אדיטיביות (או חצי אדיטיביות):
יהיו   מספר בן מנייה של קבוצות (לא בהכרח זרות), אזי
 
  • רציפות מלמטה:
תהי סדרת קבוצות  , אזי מתקיים:
 
  • רציפות מלמעלה:
תהי סדרת קבוצות   ונניח ש-  עבור   טבעי אחד לפחות, אזי מתקיים:
 

אריתמטיקה ובניה של מידות עריכה

בהנתן מרחב מדיד  , מתקיים כי:

  • לכל זוג מידות   על המרחב, הפונקציה   היא פונקציית מידה.
  • לכל זוג מידות   על המרחב המקיימות   לכל  , הפונקציה   היא פונקציית מידה.
  • לכל מידה   על המרחב ולכל  , הפונקציה   היא פונקציית מידה.
  • לכל מידה   ולכל  , הפונקציה   המקיימת   לכל   היא פונקציית מידה.

תכונות נוספות של מידה עריכה

יהי   מרחב מידה.

מידה סופית עריכה

  ערך מורחב – מידה סופית

מידה נקראת סופית אם היא אינה מקבלת את הערך   עבור כל קבוצה מדידה. תנאי זה שקול לכך ש-  (מידת מרחב המדגם עצמו סופית).

למידות מסוג זה חשיבות רבה בתורת ההסתברות, זאת כי ניתן לנרמל אותן כך ש- .

מידה סיגמא-סופית עריכה

  ערך מורחב – מידה סיגמא-סופית

מידה נקראת סיגמא-סופית אם ניתן להציג את X כאיחוד בן מנייה של קבוצות בעלות מידה סופית.

לדוגמה: מידת לבג על הישר הממשי היא סיגמא-סופית כי   ומידת כל קטע סגור   היא  .

מידה רגולרית עריכה

  ערך מורחב – מידה רגולרית

מידה המוגדרת מעל מרחב טופולוגי   נקראת רגולרית אם מתקיים

 

לדוגמה: מידת לבג היא מידה רגולרית, הדבר נובע מאופן בנייתה באמצעות מידה חיצונית.

מידה שלמה עריכה

  ערך מורחב – מידה שלמה

מידה חיובית היא שלמה אם לכל קבוצה בעלת מידה אפס  , כלומר המקיימת  , תת-הקבוצות שלה כולן מדידות (ומידתן, בהכרח, אפס).

לכל מידה קיימת השלמה/הרחבה סטנדרטית המגדירה אותה על הסיגמא-אלגברה המקסימלית של הקבוצות המדידות, שבה המידה המורחבת היא מידה שלמה. כדי להשלים מידה כזאת, מוסיפים לסיגמא-אלגברה המקורית את כל הסיגמא-אלגברה של כל הקבוצות הנבדלות מקבוצות בסיגמא-אלגברה המקורי בקבוצה בעלת מידה אפס (כלומר:   כאשר   הוא הפרש סימטרי של קבוצות.

לדוגמה: מידת לבג היא ההשלמה הסטנדרטית של מידת האורך על הישר הממשי.

מידה לא-אטומית עריכה

היחידון   הוא אטום של המידה   אם  . באופן כללי יותר, כל קבוצה בעלת מידה חיובית, שאין לה תת-קבוצות ממידה חיובית וקטנה משלה, נקראת אטום. לדוגמה: מידת דיראק היא מידת הסתברות בעלת האטום  .

מידה שאין לה אטומים נקראת מידה לא-אטומית. לדוגמה, מידת לבג היא מידה לא-אטומית. למידת האר של חבורה קומפקטית אינסופית אין אטומים. במידה לא אטומית, מידתה של כל קבוצה בת מניה היא 0.

ראו גם עריכה

מידות שימושיות:

מושגים באנליזה ממשית:

ידע נדרש:

קישורים חיצוניים עריכה

  מדיה וקבצים בנושא מידה בוויקישיתוף