数学联邦政治世界观
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Vitali Set的“病态性质”

Vitali Set(下文称维塔利集)是利用选择公理构造出的不满足实数子集正则性质(regularity property)的一个集合。其构造是这样的:令 ∼ 是 [0,1] 的等价关系,其中 x∼y↔∃q∈Q(x−y=q) ,令 ℜ={[x]:x∈[0,1]} ,其中 [x] 是等价类,不难看出 [x]≠[y]→[x]∩[y]=∅ ;根据选择公理,我们令 ν 是从每个等价类中挑选出的一个元素构成的集合,ν 就是一个维塔利集。显然 ν 有如下性质:第一,

x,y∈ν →∀q∈Q(x−y≠q) ;

第二,

∀x∈[0,1]∃!y∈ν∃!q∈Q(x−y=q) ;

第三, R=⋃q∈Q ν+q ,其中 ν+q={x+q:x∈ν} 。

定理 1 :维塔利集 ν 不是勒贝格可测集。

证明:假设 ν 可测,则 ν 要么是零测集要么测度大于零。如果维塔利集 ν 是零测集,那么根据可数可加性可得 μ(R)=μ(∑q∈Qν+q)=∑q∈Qμ(ν+q)=0 ,矛盾(注意 r,s∈Q∧r≠s 蕴含 (ν+s)∩(ν+r)=∅ );如果 μ(ν)=ϵ>0 ,那么 μ([−1,2])≥∑q∈Q∩[0,1]μ(ν+q)=∞ ,矛盾,反证 ν 不可测。 ⊣

定理 2 :维塔利集 ν 不满足Baire性质。

证明:Baire性质是指存在开集 G 使得 G△ν 是第一范畴集。如果 ν 满足Baire性质,那么存在 G=⋃ᵢ(αᵢ,bᵢ) 满足 G△ν 是第一范畴集(这是有实数集的拓扑性质决定的),因此必然存在 (α,b) 满足 (α,b)−ν 是第一范畴集。由于 q∈Q→(ν+q)∩ν=∅ ,因此 (α,b)∩(ν+q) 是第一范畴集,进一步得 (α−q,b−q)∩ν 是第一范畴集。由于 (α,b)∩ν⊆⋃q∈Q(α−q,b−q)∩ν ,因此 (α,b)∩ν 是第一范畴集,这就有 (α,b)=((α,b)−ν)∪((α,b)∩ν) 是第一范畴集,但是Baire证明了所有完备度量空间都是第二范畴集、

(R,d) 是完备度量空间且 R 和 (α,b) 拓扑同胚,因此 (α,b) 是第二范畴集,矛盾,反证 ν 不满足Baire性质。⊣

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