Ad esempio, la misura di Lebesgue in si ottiene dalla misura esterna che associa ad un sottoinsieme l'estremo inferiore fra i volumi dei pluri-parallelepipedi[1] che ricoprono . Il teorema di Carathéodory fornisce una σ-algebra di sottoinsiemi di su cui la restrizione di è una misura completa. La dimostrazione che questa è boreliana e che coincide col volume sui parallelepipedi è un caso particolare del teorema di Hahn-Kolmogorov[2].
Si sottolinea che il teorema vale indipendentemente da come viene costruita nella pratica .
Dimostrazione
La dimostrazione usa tecniche di routine in teoria della misura e si compone di cinque parti. Nelle prime due si dimostra che è un'algebra e che è additiva. Nella terza e nella quarta, sotto l'ipotesi aggiuntiva che sia una misura esterna, si vede che in effetti vale di più, cioè che è chiusa rispetto alle unioni numerabili e che è σ-additiva, i.e. è una σ-algebra e una misura. Infine si controlla che sia completa.
è un'algebra
Per alleggerire la scrittura diremo che spezza se vale il criterio di Carathéodory
La proprietà di spezzare un sottoinsieme è simmetrica rispetto al complementare, cioè se spezza allora banalmente anche spezza , quindi è chiusa rispetto al complementare.
è chiusa rispetto alle unioni finite
Siano ed . Si parte spezzando con
e poi con B l'insieme relativo al secondo termine
ora si noti che e che (per la proprietà distributiva dell'intersezione rispetto all'unione), quindi spezzando con l'insieme si ha proprio
Usando la subadditività numerabile di si conclude che
e quindi che
cioè
è una misura
Si ricorda che una misura su una σ-algebra è un funzione a valori reali positivi σ-additiva che assegna 0 all'insieme vuoto. Anche la verifica della σ-additività di ristretta a , come la verifica dell'additività, è facile.
Sia una famiglia numerabile di elementi di a due a due disgiunti. Sia
.
Dall'additività e dalla monotonia di segue
questo vale per tutti gli , quindi passando al limite per
.
La subadditività numerabile di è esattamente l'altra disuguaglianza che permette di concludere che
.
è completa
Si ricorda che completa significa che se , e allora anche (e avrà anch'esso misura nulla, ma questo è ovvio perché segue direttamente dalla monotonia).
Dimostriamo prima che se e allora .
Sia . Si ha
Ora se con e , per monotonia anche e per quanto appena detto .
Estensione di premisure su algebre
Si ricorda che se , con e , è una funzione tale che , la misura esterna generata da col Metodo I è la funzione definita da
Si ricorda inoltre che se è un'algebra, è detta premisura (o semplicemente misura, basta non confondersi) se per ogni famiglia numerabile , la cui unione sta a sua volta in vale la σ-additività:
Nel caso in cui è la misura esterna generata col Metodo I da una premisura definita su un'algebra , lo spazio di misura fornito dal teorema di Carathéodory gode di alcune importanti proprietà:
tutti gli elementi di sono misurabili, cioè , e quindi anche la σ-algebra generata da è contenuta in ;
la misura ristretta ad è uguale a ;
se può essere ricoperto con una famiglia numerabile di sottoinsiemi di misura finita che stanno in allora , opportunamente ristretta, è l'unica misura sulla σ-algebra generata da che estende .
Talvolta in letteratura queste tre affermazioni vanno sotto il nome di teorema di Hahn-Kolmogorov[4] (per la dimostrazione si veda la voce).
Note
Bibliografia
(EN) Vladimir Bogachev, Measure theory, volume 1, Springer, 2006, ISBN3-540-34513-2.