Kurs:Mathematik (Osnabrück 2009-2011)/Teil III/Vorlesung 66

Es ist unser Ziel zu zeigen, dass auf der Produktmenge von Maßräumen unter recht allgemeinen Voraussetzungen ein Maß definiert ist, das durch die Produktwerte auf den Quadern festgelegt ist. Dafür gehen wir den Weg über den Produkt-Präring.

Produkt-Präringe

Definition

Es seien ${}(M_{1},{\mathcal {P}}_{1}),\ldots ,(M_{n},{\mathcal {P}}_{n})$ Mengen mit darauf erklärten Präringen. Dann nennt man den von allen Quadern

$S_{1}\times \cdots \times S_{n}{\text{ mit }}S_{i}\in {\mathcal {P}}_{i}{\text{ für alle }}i=1,\ldots ,n$

erzeugten Präring den Produkt-Präring der ${}(M_{i},{\mathcal {P}}_{i})$, ${}i=1,\ldots ,n$.

Lemma

Es seien ${}(M_{1},{\mathcal {P}}_{1}),\ldots ,(M_{n},{\mathcal {P}}_{n})$ Mengen mit darauf erklärten Präringen.

Dann besteht der Produkt-Präring aus allen endlichen disjunkten Vereinigungen von Quadern.

Beweis

Die Quader ${}S_{1}\times \cdots \times S_{n}$ mit ${}S_{i}\in {{\mathcal {P}}_{i}}$ gehören zum Produkt-Präring, und damit auch endliche Vereinigungen davon. Wir müssen also zeigen, dass das angegebene Mengensystem ${}{\mathcal {H}}$ (das aus den endlichen disjunkten Vereinigungen von Quadern besteht) ein Präring ist.  Wir beschränken uns dabei auf den Fall von zwei Mengen ${}(M,{\mathcal {P}})$ und ${}(N,{\mathcal {R}})$, der allgemeine Fall folgt daraus durch Induktion. Die leere Menge ist als leerer Quader in ${}{\mathcal {H}}$ enthalten. Wir diskutieren zunächst die Mengenoperationen für zwei Quader ${}S_{1}\times T_{1}$ und ${}S_{2}\times T_{2}$. Der Durchschnitt davon ist gleich ${}(S_{1}\times T_{1})\cap (S_{2}\times T_{2})=(S_{1}\cap S_{2})\times (T_{1}\cap T_{2})$, also wieder ein Quader. Für die Vereinigung gilt

${}{\begin{aligned}(S_{1}\times T_{1})\cup (S_{2}\times T_{2})&=((S_{1}\setminus S_{2})\times T_{1})\uplus ((S_{1}\cap S_{2})\times (T_{1}\cup T_{2}))\uplus ((S_{2}\setminus S_{1})\times T_{2})\\\end{aligned}}$

was eine endliche disjunkte Vereinigung aus Quadern ist. Für die Differenzmenge ist

$(S_{1}\times T_{1})\setminus (S_{2}\times T_{2})=((S_{1}\setminus S_{2})\times T_{1})\uplus ((S_{1}\cap S_{2})\times (T_{1}\setminus T_{2}))\,$

ebenfalls eine endliche disjunkte Vereinigung von Quadern.
Es seien nun zwei disjunkte endliche Vereinigungen von Quadern, ${}V_{1}=\biguplus _{i\in I}Q_{i}$ und ${}V_{2}=\biguplus _{j\in J}L_{j}$, gegeben. Dann ist

${}{\begin{aligned}V_{1}\setminus V_{2}&={\left(\biguplus _{i\in I}Q_{i}\right)}\setminus {\left(\biguplus _{j\in J}L_{j}\right)}\\&=\biguplus _{i\in I}{\left(Q_{i}\setminus {\left(\biguplus _{j\in J}L_{j}\right)}\right)}\\&=\biguplus _{i\in I}{\left({\left(Q_{i}\setminus L_{j_{0}}\right)}\setminus {\left(\biguplus _{j\in J,\,j\neq j_{0}}L_{j}\right)}\right)}.\end{aligned}}$

Nach der obigen Überlegung ist ${}Q_{i}\setminus L_{j_{0}}$ für jedes ${}i$ eine endliche disjunkte Vereinigung von Quadern. Diese kann man zu einer disjunkten Vereinigung von kleineren Quadern über eine größere Indexmenge ${}I'$ zusammenfassen. Die Behauptung folgt somit durch Induktion über die Anzahl von ${}J$. Für die Vereinigung ist

${}{\begin{aligned}V_{1}\cup V_{2}&={\left(\biguplus _{i\in I}Q_{i}\right)}\cup {\left(\biguplus _{j\in J}L_{j}\right)}\\\end{aligned}}$

eine endliche Vereinigung von Quadern. Durch Induktion über die Anzahl der Quader kann man unter Verwendung der obigen Überlegung für zwei Quader zeigen, dass man dies auch als eine endliche disjunkte Vereinigung von Quadern darstellen kann.

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Der obige Beweis beeinhaltet insbesondere, dass man jede endliche Vereinigung von Quadern als eine endliche disjunkte Vereinigung schreiben kann.

Produktmaße

Lemma

Es seien ${}(M_{1},{\mathcal {P}}_{1},\mu _{1}),\ldots ,(M_{n},{\mathcal {P}}_{n},\mu _{n})$ Mengen mit darauf erklärten Präringen und Prämaßen. Dann gelten folgende Aussagen.

1. Die für eine endliche disjunkte Vereinigung

   ${}V=\biguplus _{i\in I}Q_{i}\,$

   von Quadern ${}Q_{i}=S_{i1}\times \cdots \times S_{in}$ (wobei die Seiten endliches Maß haben) durch

   ${}\mu (V)=\sum _{i\in I}\mu (Q_{i})\,$

   mit ${}\mu (Q_{i})=\mu _{1}(S_{i1}){\cdots }\mu _{n}(S_{in})$ definierte Zahl ist unabhängig von der gewählten Zerlegung.

2. Es seien ${}\mu _{i}(M_{i})<\infty$ (insbesondere sei dies definiert). Dann ist die Zuordnung ${}V\mapsto \mu (V)$ ein Prämaß auf dem Produkt-Präring.

Beweis

Wir beschränken uns im Beweis auf zwei Mengen

${}(M,{\mathcal {P}},\pi )$ und ${}(N,{\mathcal {R}},\rho )$, die allgemeine Aussage folgt daraus durch Induktion. Seien

${}V=\biguplus _{i\in I}Q_{i}=\biguplus _{j\in J}L_{j}\,$

zwei Darstellungen einer Menge ${}V$ als endliche disjunkte Vereinigung von Quadern. Wir müssen ${}\sum _{i\in I}\mu (Q_{i})=\sum _{j\in J}\mu (L_{j})$ zeigen. Für jeden Quader ${}Q_{i}$ ist insbesondere ${}Q_{i}\subseteq \bigcup _{j\in J}L_{j}$. Damit ist auch

${}Q_{i}=Q_{i}\cap (\biguplus _{j\in J}L_{j})=\biguplus _{j\in J}(Q_{i}\cap L_{j})\,.$

Wir können nach

Lemma 66.2 die Durchschnitte rechts als endliche disjunkte Vereinigung von Quadern schreiben. Damit erhalten wir eine dritte Darstellung von ${}V$, die beide Darstellungen verfeinert. Daher können wir gleich annehmen, dass jedes ${}L_{j}$ Teilmenge eines ${}Q_{i}$ ist. Dann ist insbesondere ${}Q_{i}=\biguplus _{j\in J_{i}}L_{j}$ mit einer gewissen Teilmenge ${}J_{i}\subseteq J$, wobei die ${}J_{i}$ für verschiedene ${}i$ disjunkt sind. Es genügt also, für einen Quader

${}Q=A\times B=\biguplus _{j\in J}L_{j}\,$

die Gleichheit ${}\mu (Q)=\sum _{j\in J}\mu (L_{j})$ zu zeigen. Da ${}J$ endlich ist, sind überhaupt nur endlich viele Seiten ${}S_{j}$ aus ${}{\mathcal {P}}$ und ${}T_{j}$ aus ${}{\mathcal {R}}$ an diesen überdeckenden Quadern beteiligt. Aus diesen Seiten kann man ein Mengensystem ${}{\mathcal {S}}$ bilden, das aus allen möglichen Durchschnitten der ${}S_{j}$ und ihrer Komplemente ${}A\setminus S_{j}$ besteht, und ein Mengensystem ${}{\mathcal {T}}$ bilden, das aus allen möglichen Durchschnitten der ${}T_{j}$ und ihrer Komplemente ${}B\setminus T_{j}$ besteht. Diese Mengen seien mit ${}S_{\lambda }$, ${}\lambda \in \Lambda$, und ${}T_{\gamma }$, ${}\gamma \in \Gamma$, bezeichnet. Damit kann man jeden Quader ${}L_{j}$ als eine endliche disjunkte Vereinigung aus Quadern der Form ${}S_{\lambda }\times T_{\gamma }$ schreiben (das bedeutet, dass wir ein „Raster“ einführen), und jeder dieser Quader kommt in genau einem ${}L_{j}$ vor. Insgesamt ergibt sich

${}{\begin{aligned}\mu (Q)&=\pi (A)\cdot \rho (B)\\&=\pi (\biguplus _{\lambda \in \Lambda }S_{\lambda })\cdot \rho (\biguplus _{\gamma \in \Gamma }T_{\gamma })\\&=(\sum _{\lambda \in \Lambda }\pi (S_{\lambda }))\cdot (\sum _{\gamma \in \Gamma }\rho (T_{\gamma }))\\&=\sum _{(\lambda ,\gamma )\in \Lambda \times \Gamma }\pi (S_{\lambda })\cdot \rho (T_{\gamma })\\&=\sum _{(\lambda ,\gamma )\in \Lambda \times \Gamma }\mu (S_{\lambda }\times T_{\gamma })\\&=\sum _{j\in J}\mu (L_{j})\end{aligned}}$

(2). Produktmenge/Endlich/Produkt-Prämaß/Wohldefiniertheit/Eigenschaften/Teil 2/Fakt Beweis

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Satz

Es seien ${}n$ ${}\sigma$- endliche Maßräume ${}(M_{1},{\mathcal {A}}_{1},\mu _{1}),\ldots ,(M_{n},{\mathcal {A}}_{n},\mu _{n})$ gegeben.

Dann gibt es genau ein (${}\sigma$-endliches) Maß ${}\mu$ auf der Produkt-${}\sigma$- Algebra ${}{\mathcal {A}}_{1}\otimes _{}\cdots \otimes _{}{\mathcal {A}}_{n}$, das für alle messbaren Quader (deren Seiten endliches Maß besitzen) den Wert

${}\mu (T_{1}\times \cdots \times T_{n})=\mu _{1}(T_{1}){\cdots }\mu _{n}(T_{n})\,$

besitzt.

Beweis

Wir beschränken uns auf den Fall von zwei ${}\sigma$-endlichen Maßräumen ${}(M,{\mathcal {A}},\pi )$ und ${}(N,{\mathcal {B}},\rho )$. Es seien ${}M_{n},\,n\in \mathbb {N} ,$ bzw. ${}N_{n},\,n\in \mathbb {N} ,$ jeweils Ausschöpfungen der Räume durch Teilmengen mit endlichem Maß. Die Eindeutigkeit folgt aus Satz 64.7, da das Maß auf dem durchschnittsstabilen Erzeugendensystem aller Quader festgelegt ist, und die Mengen ${}M_{n}\times N_{n}$, ${}n\in \mathbb {N}$, eine Ausschöpfung des Produktraumes mit endlichem Maß bilden.

Zur Existenz. Wir ersetzen zuerst die Ausschöpfungen durch disjunkte Vereinigungen, indem wir ${}M_{n}\setminus M_{n-1}$ statt ${}M_{n}$ betrachten. Dann bilden die ${}M_{i}\times N_{j}$, ${}(i,j)\in \mathbb {N} \times \mathbb {N}$, eine disjunkte Vereinigung von ${}M\times N$. Da ein Maß nach Aufgabe ***** durch die Einschränkungen auf einer abzählbaren disjunkten Vereinigung eindeutig bestimmt ist, genügt es, auf jedem ${}M_{i}\times N_{j}$ ein Maß zu konstruieren. D.h. wir können annehmen, dass die Maße ${}\pi$ und ${}\rho$ endlich sind.
Es sei ${}{\mathcal {H}}$ der Produkt-Präring auf ${}M\times N$. Nach Lemma 66.3 gibt es auf diesem Mengensystem ein wohldefiniertes Prämaß, das auf den Quadern durch das Produkt der Seitenmaße gegeben ist.
Aufgrund von Satz 65.7 kann man dieses Prämaß zu einem Maß auf der ${}\sigma$-Algebra ${}{\mathcal {A}}\otimes {\mathcal {B}}$ fortsetzen.

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Definition

Es seien ${}(M_{1},{\mathcal {A}}_{1},\mu _{1}),\ldots ,(M_{n},{\mathcal {A}}_{n},\mu _{n})$ ${}\sigma$- endliche Maßräume. Dann nennt man das in Lemma 66.3 und Satz 66.4 konstruierte Maß das Produktmaß auf ${}M_{1}\times \cdots \times M_{n}$. Es wird mit ${}\mu _{1}\otimes _{}\cdots \otimes _{}\mu _{n}$ bezeichnet.

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