Maat (wiskunde)

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Een maat kent aan verzamelingen niet-negatieve reële getallen toe. Grotere verzamelingen worden op grotere (of minstens even grote) reële getallen afgebeeld.

In de maattheorie, een deelgebied van de wiskunde, is een maat intuïtief gesproken een afbeelding die een grootte, volume of kans toekent aan objecten. Het resultaat is steeds positief of eventueel 0. Meer formeel gezien is een maat op een verzameling een systematische manier om aan elke geschikte deelverzameling een getal toe te kennen dat kan worden gezien als de grootte van deze deelverzameling. In die zin is een maat een veralgemening van de begrippen lengte, oppervlakte en volume. Een belangrijk voorbeeld is de lebesgue-maat op een euclidische ruimte die de conventionele begrippen lengte, oppervlakte en volume van de euclidische meetkunde aan geschikte deelverzamelingen van Rn, n = 1,2,3, ... toekent. De lebesgue-maat van bijvoorbeeld het interval [0,1] in de reële getallen is zijn lengte met de waarde 1.

Niet iedere functie die een niet-negatief reëel getal of de waarde oneindig toekent aan de deelverzamelingen van een verzameling, kan fungeren als maat. Een belangrijke eigenschap van een maat is de sigma-additiviteit, die stelt dat de maat van de vereniging van een aftelbare rij disjuncte deelverzamelingen gelijk is aan de som van de maten van de afzonderlijke deelverzamelingen. In het algemeen is het echter onmogelijk om op consistente wijze een maat te associëren met elke deelverzameling van een gegeven verzameling, en tegelijkertijd ook te voldoen aan de andere eisen die aan een maat gesteld worden. Dit probleem werd opgelost door een maat slechts te definiëren op een geschikte deelcollectie van alle deelverzamelingen; de deelverzamelingen waarop de maat wordt gedefinieerd, worden meetbaar genoemd. Zij dienen een sigma-algebra te vormen, wat betekent dat de verenigingen, doorsneden en complementen van rijen van meetbare deelverzamelingen ook meetbaar zijn. Niet-meetbare verzamelingen in een euclidische ruimte, waarop de lebesgue-maat niet consequent kan worden gedefinieerd, zijn per definitie zo complex dat zij bijna onbegrijpelijk zijn, in zekere zin een ondoorzichtige mix van de verzameling en zijn complement. Men kan stellen dat hun bestaan een niet-triviaal gevolg is van het keuzeaxioma.

Maattheorie werd in opeenvolgende fasen in de late 19e en de vroege 20e eeuw tot ontwikkeling gebracht door onder andere Émile Borel, Henri Lebesgue, Johann Radon en Maurice René Fréchet. De belangrijkste toepassingen van maten zijn in de grondslagen van de lebesgue-integraal en in Andrei Kolmogorovs axiomatisering van de kansrekening. In de integraalrekening staat het specificeren van een maat het toe om integralen te definiëren op ruimten die algemener zijn dan deelverzamelingen van de euclidische ruimte. Verder zijn integralen met betrekking tot de lebesgue-maat op de euclidische ruimten algemener en hebben zij een rijkere theorie dan hun voorganger, de riemann-integraal. De kansrekening bestudeert maten die aan de gehele ruimte de maat 1 toewijzen, en beschouwt meetbare deelverzamelingen daarvan als gebeurtenissen, waarvan de kans door de maat wordt gegeven.

Definitie[bewerken]

Zij V een verzameling en S een σ-algebra op deze verzameling. Dan is de afbeelding

\mu: S\to \mathbb{R}\cup\{+\infty\}

een maat op de σ-algebra van V als er voldaan wordt aan:

\mu (\empty) = 0
  • De maat is een niet-negatief getal
\forall A\in S:\mu (A) \ge 0
\mu( \bigcup A_i) = \sum \mu (A_i)

Hierbij wordt afgesproken dat de reeks +∞ is als minstens één term van de reeks gelijk is aan +∞ en ook als de reeks uitsluitend uit eindige niet-negatieve getallen bestaat en divergeert.

Het drietal (V,S,μ) heet een maatruimte. Als de maat begrensd is, dus een eindige bovengrens heeft, spreken we van een begrensde (maat)ruimte en een eindige maat. Dit is gelijkwaardig met de eis dat μ(V) een eindig getal is.

In het bijzondere geval dat de maat van de gehele verzameling V de waarde 1 heeft, spreken we van een kansmaat.

Merk op dat we de maat enkel hebben gedefinieerd op de σ-algebra S van V' en niet in het algemeen op alle deelverzamelingen van V.

Eigenschappen[bewerken]

De definitie eist dat een maat additief aftelbaar is. Daaruit kunnen verschillende eigenschappen worden afgeleid.

Monotoniciteit[bewerken]

Een maat μ is monotoon, hetgeen wil zeggen dat de maat van een omvattende verzameling niet kleiner is dan de maat van de verzameling zelf. Precies: als E1 en E2 meetbare verzamelingen zijn, met E_1 \subseteq E_2, dan geldt

\mu(E_1) \leq \mu(E_2).

Subadditiviteit[bewerken]

Een maat μ is aftelbaar subadditief: d.w.z. als E1, E2, E3, … een aftelbare, niet noodzakelijkerwijs disjuncte rij van verzamelingen in S is, dan

\mu\left( \bigcup_{i=1}^\infty E_i\right) \le \sum_{i=1}^\infty \mu(E_i).

Deze ongelijkheid staat ook bekend als de ongelijkheid van Boole,

Continuiteit van beneden[bewerken]

Een maat μ is continu van beneden, d.w.z. als E1, E2, E3, … een stijgende rij meetbare verzamelingen is, wat inhoudt dat En een deelverzameling van En + 1 is voor alle n, dan is de vereniging van de verzamelingen En meetbaar en er geldt:

 \mu\left(\bigcup_{i=1}^\infty E_i\right) = \lim_{i\to\infty} \mu(E_i).

Continuiteit van boven[bewerken]

Een maat μ is continu van boven, d.w.z. als E1, E2, E3, … een dalende rij meetbare verzamelingen is, wat inhoudt dat En + 1 een deelverzameling is van En voor alle n , dan is de doorsnede van de verzamelingen En meetbaar; indien voorts ten minste een van de En een eindige maat heeft, geldt

 \mu\left(\bigcap_{i=1}^\infty E_i\right) = \lim_{i\to\infty} \mu(E_i).

Deze laatste eigenschap is niet algemeen waar zonder de veronderstelling dat ten minste een van de En een eindige maat heeft. Laat bijvoorbeeld, voor elke n \in \mathbb{N},

 E_n = [n, \infty) \subseteq \mathbb{R}

Dan vormen de E_n een dalende rij verzamelingen die alle een oneindige lebesgue-maat hebben, maar waarvan de doorsnede leeg is, en waarvoor de genoemde eigenschap dus niet geldt.

Voorbeelden[bewerken]

Niet-meetbare verzamelingen[bewerken]

1rightarrow blue.svg Zie Niet-meetbare verzameling voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Als het keuzeaxioma verondersteld wordt waar te zijn, zijn niet alle deelverzamelingen van de euclidische ruimte lebesgue-meetbaar; voorbeelden van dergelijke verzamelingen zijn de vitali-verzamelingen en de niet-meetbare verzamelingen die worden gepostuleerd door de hausdorff-paradox en de banach-tarskiparadox.

Productmaat[bewerken]

Als twee verzamelingen zijn uitgerust met elk een σ-algebra en een bijhorende maat, dan bestaat er een canonieke constructie om ook hun cartesisch product van een σ-algebra en een maat te voorzien, met de eigenschap dat de maat van een product gelijk is aan het product van de maten (met de afspraak dat 0×∞ = 0).

De lebesguemaat op \mathbb{R}^n is de productmaat van n keer de lebesguemaat op \mathbb{R}. Ze geeft een exacte en zeer algemene definitie aan de klassieke noties oppervlakte en inhoud.

Maattheorie[bewerken]

De studie van maten in de meest algemene vorm hoort thuis in het gebied van de maattheorie.

Verband met integraalrekening[bewerken]

Met elke maat komt een natuurlijk begrip "integreerbare functie" overeen. Dat zijn de functies van de dragerverzameling V naar \mathbb{R} (of \mathbb{C}, of soms een algemenere topologische vectorruimte) die meetbaar zijn voor de gegeven σ-algebra S, en waarvan de absolute waarde kan geschreven worden als een stijgende limiet van zogenaamde enkelvoudige functies: zie Lebesgue-integraal.

Getekende maat, complexe maat[bewerken]

In de literatuur over maattheorie wordt ook wel gesproken over getekende maten. Ondanks de benaming zijn dat niet noodzakelijk maten in de zin van de definitie hierboven. Een getekende maat is een afbeelding van een sigma-algebra naar de reële getallen (dus met inbegrip van de negatieve getallen) die kan geschreven worden als het verschil van twee eindige gewone maten.

Analoog is een complexe maat een afbeelding van een sigma-algebra naar de complexe getallen die kan geschreven worden als een complexe lineaire combinatie van vier eindige maten.