邓嘉驹
资料/测度论

Haar测度

第 13 章 · 4 节

这一章会涉及较多一般拓扑空间的性质,如文中有提及,请及时查阅附录第第 A 章章。

13.1局部紧空间

定义 13.1 (局部紧)

若拓扑空间的每个点都具有闭包紧致的开邻域,则称该拓扑空间是局部紧的(locally compact)。

例 13.1

Hausdorff空间(Hausdorff space)指的是其中的点“由邻域分离”的拓扑空间; 具体而言,对于任意,分别存在和的邻域和,使得。 局部紧Hausdorff空间的例子包括:

  • Euclidean空间,对于任意实数,有理数的稠密性(定理 1.8)要求存在使得,因此该空间是Hausdorff的; 另外根据Heine-Borel定理 1.10保证的每个开邻域的闭包紧致;

  • 具有离散拓扑(参见例例 A.1)的空间,在离散度量下对任意成立,因此其为Hausdorff的; 另外,因此对于的任意开覆盖,存在使得,故为的有限子覆盖,从而紧致。 综合以上分析,该拓扑空间也是局部紧的;

  • 紧Hausdorff空间,它显然是局部紧的。

不过例例 5.2中的空间在赋以范数诱导的拓扑时不是局部紧的。 考虑包含原点的开邻域,其闭包为闭球。 在该闭球上恰好存在的一组Hilbert基,其中在第个坐标为1、在其余坐标为0。 显然每个,但是对所有成立。 因此序列不是Cauchy列,进而闭球不是序列紧的1,那么它自然也不可能是紧致的。 对于包含原点的任意开球,我们可以采用完全相同的思路,证明其每个开邻域的闭包都不是序列紧的,因而不是局部紧的。

我们在第第 11 章章定义了上的Borel -代数。 对于一般的集合,可将此概念推广。

定义 13.2 (Borel -代数)

设为Hausdorff拓扑空间,则上的Borel -代数(Borel -algebra)是的所有开(闭)子集生成的代数; 的Borel子集(Borel subset)是属于的集合。

有了推广的Borel -代数的概念,我们可以进一步定义正则Borel测度; 它是后续讨论Haar测度的基础。

定义 13.3 (正则Borel测度)

设为Hausdorff拓扑空间,则上的Borel测度(Borel measure)是以为定义域的测度。 设为上使得的-代数,则如果上的正测度满足

  1. 每个的紧子集满足;

  2. 每个中的集合满足;

  3. 每个中的开子集满足。

则称正则(regular)。 上的正则Borel测度(regular Borel measure)是以为定义域的正则测度。

为了便于后续概念的引入,我们还要先证明一些关于局部紧空间的基本结论。

引理 13.1

设和为Hausdorff拓扑空间,为连续函数,那么是Borel可测的,即关于和可测。

证明

根据命题 1.17,连续意味着对于的任意开集,是开集,因而也在内。 根据命题 12.11,由于是由所有开集生成的-代数,故是Borel可测的。

定理 13.1 (Riesz表示定理)

设为局部紧Hausdorff空间,为上的正线性泛函,那么存在上唯一的正则Borel测度,使得对中的每个成立。

鉴于我们已经了解过内积空间中的Riesz表示定理 5.11和定理 8.11,在这里我们直观上相信它是正确的; 并且缺少该定理并不影响Haar测度的构造,只影响其部分性质,因此略去证明。 有兴趣的读者可参见[3]第7章。

13.2拓扑群

定义 13.4 (拓扑群)

拓扑群(topological group)是具有群结构和拓扑结构的集合,其运算和均连续。

注

首先,此处有序对所在的集合被视为使用乘积拓扑(参见命题 A.2)得到的拓扑空间; 其次,是从乘积空间到的连续函数,我们要求的像关于和“联合连续”,而不仅仅是固定时关于连续,或者固定时关于连续。

定义 13.5 (局部紧群和紧群)

局部紧拓扑群(locally compact topological group)或局部紧群(locally compact group)是拓扑局部紧的Hausdorff拓扑群。 紧群(compact group)是拓扑紧的Hausdorff拓扑群。

例 13.2
  1. 集合连同其通常的拓扑和作为群运算的加法,构成一个局部紧群。 类似地,、也是局部紧群;

  2. 非零实数连同其从继承的子空间拓扑(参见命题 A.1),在作为群运算的乘法下构成一个局部紧群;

  3. 设,则连同其从继承的子空间拓扑,在作为群运算的乘法下构成一个紧群;

  4. 有理数集连同其从继承的子空间拓扑,在作为群运算的加法下不是局部紧的;

  5. 任意群连同其使得的每个子集为开集的拓扑构成一个局部紧群; 紧致当且仅当有限。

定义 13.6 (邻域系的基)

设为拓扑空间,为的一个元素。 若的子集族满足:

  1. 的每个元素是的一个开邻域;

  2. 对于的每个开邻域,存在属于且包含于内的集合。

则称为的邻域系2的基(base for the family of neighborhoods of )

设是一个群,若且,那么乘积和分别定义为和。 类似地,若和是的子集,那么和分别定义为和。 若,则称集合是对称的(symmetric)。 因此对称当且仅当条件等价于条件。

命题 13.1

设为拓扑群,为的单位元,为的任意元素。

  1. 函数和是从到上的同胚;

  2. 若是的一组邻域系的基,则和均为的邻域系的基;

  3. 若和是的紧子集,则和均为的紧子集。

证明
  1. 定义映射为,则,其中常映射和单位映射在上均连续。 利用乘积拓扑的泛性质(定理 A.2),连续。 结合复合映射的连续性(命题 A.3)与拓扑群的定义,映射是连续的。 类似地,也连续,而的连续性源于拓扑群的定义。 对于逆映射,其相当于将替换为其逆元,完全相同的思路可证明逆映射的连续性。 因此这些映射为同胚;

  2. 对于任意,首先是的开邻域,其次存在使得。 根据上一条结论,是开映射,因此也是开集,同时; 也存在使得。 因此构成的邻域系的基; 类似地,也是的邻域系的基;

  3. 设和分别为和的有限开覆盖,那么对于任意,存在指标使得,因此。 根据第一条结论,是开映射,故也是开集,从而是的有限开覆盖,即紧致。 类似地,和也是的紧子集。 对于任意,构成的有限子覆盖; 而意味着存在指标使得。 因此对于任意,存在使得,即。 可见紧致。

命题 13.2

设为拓扑群,为的单位元,为的开邻域,那么

  1. 存在的开邻域使得;

  2. 存在的对称开邻域包含在内。

证明
  1. 由于映射连续,该映射关于的原像是开集,并且。 根据命题 A.2,存在的开邻域使得. 那么集合也是的开邻域,满足,进而在映射下,;

  2. 由于映射连续,如果是的开邻域,那么也是的开邻域,从而是的对称开邻域。

定义 13.7 (一致连续)

设为拓扑群,为上的实(复)值函数,那么对于每个正数,若存在的开邻域使得对每对满足的成立,则称左一致连续(left uniformly continuous); 类似地,若存在的开邻域使得对每对满足的成立,则称右一致连续。

注

根据命题 13.2,对于的开邻域,我们总可以选择其对称开邻域; 在这样的开邻域内,等价于,即。 因此在这样的定义中,和实际上是对称的。

命题 13.3

设为局部紧群,定义为所有使得紧致的连续函数构成的集合,则中的每个函数都是左一致连续且右一致连续的。

证明

设且紧致,为任意正数。 由于连续,对于中的每个,可以如下选择的开邻域: 根据命题 13.1,是的开邻域,因此存在使得对任意成立。 利用命题 13.2,对于这样的开邻域,可选择开邻域,使得; 而命题 13.1表明为的开邻域,因此构成的一个开覆盖。 的紧致性表明,存在中有限个点以及对应的开邻域,使得。 根据命题 13.2,存在包含在的开邻域内的对称开邻域,我们希望证明: 若且,则。 对于任意,当且时,显然,进而自然成立; 当时,对于任意,由于,此时存在指标使得,同时。 这意味着存在指标使得; 回顾的构造,可知此时且,进而; 当时,对于任意,由于是的对称开邻域,此时该条件等价于且。 采用与前文相同的证明(仅交换符号和),同样得到。 因此是左一致连续的,其右一致连续性类似可证。

推论 13.1

设为局部紧群,为上的正则Borel测度,,则函数和都是连续的。

证明

设; 对于任意,根据局部紧的定义,设为的闭包紧致的开邻域。 根据命题 13.1以及复合映射的连续性(命题 A.3),对于中的每个,映射是连续的; 此外,当时,假设存在使得,那么,进而,矛盾。 因此在外的函数值为0。 根据命题 13.1,紧致,进而紧致,因此正则Borel测度要求。 设为任意正数,那么存在正数。 根据命题 13.3,左一致连续,因此存在的开邻域和任意满足的,使得。 那么对于每个和,首先有; 根据命题 12.16和命题 12.17,取可得

(13.2.1)

综上,对于任意,在其闭包紧致的开邻域内存在开邻域,使得对任意正数和任意成立; 可见映射连续。 类似地,映射也连续。

13.3Haar测度的存在唯一性

根据引理 13.1和命题 13.1,若且,则映射和均为同胚,进而这两个映射都是Borel可测的,即。 由此我们可以给出如下定义。

定义 13.8 (Haar测度)

设为局部紧群,为上的非零正则Borel测度。 若在左平移下不变(invariant under left translation),即对每个和每个成立,则称其为左Haar测度(left Haar measure),或简称为Haar测度。 类似地,若对每个和每个成立,则称其为右Haar测度。

例 13.3
  1. 结合命题 11.16和例例 13.2,或上的Lebesgue测度同时是左Haar测度和右Haar测度;

  2. 若是被赋予离散拓扑的群,那么上的计数测度同时是左Haar测度和右Haar测度; 直观上看,的任意有限子集在左乘任一群元后不可能增加新元素,而左乘的可逆性要求左乘后得到的新元素不可能彼此相同。 特别地,整数群上的计数测度是Haar测度。

定理 13.2 (左Haar测度的存在性)

设为局部紧群,则存在上的左Haar测度。

该结论的构造性证明过于复杂,有兴趣的读者请参见[3],这里我们仅介绍一些关于Haar测度的基本性质。

引理 13.2

设为局部紧群,为上的左Haar测度,那么存在的非空开子集满足,并且每个属于且不恒为零的非负函数满足。

证明

由于正则且非零,假设对所有紧致集成立,那么的正则性要求开集的测度,与非零矛盾。 因此存在紧致集使得,设为的非空开子集,则是的一个开覆盖。 那么存在使得。 根据命题 11.5和命题 11.6以及Haar测度的左平移不变性,,因此。 现在设为不恒为零的非负函数,那么存在正数和非空开集使得。 因此根据命题 12.16,。

定理 13.3 (Haar测度的唯一性)

设为局部紧群,和为上的左Haar测度,则存在正实数使得。

证明

设为不恒为零的非负函数,为任意函数。 根据引理 13.2,,同时可证明(参见[3])仅依赖于函数和、不依赖于特定的Haar测度。 因此对于不同的Haar测度和,记正实数,上述定理表明。 根据Riesz表示定理 13.1,上式对每个中的成立,因此测度唯一,即。

13.4Haar测度的性质

设为局部紧群,为上的正则Borel测度。 根据命题 13.1,映射是从到的同胚; 因此根据引理 13.1,的Borel子集恰好是那些使得的子集。 那么在上定义函数,容易验证该函数也是正则Borel测度。 定义函数为,那么我们有如下结论。

命题 13.4

设为局部紧群,为上的左Haar测度。 若是非负Borel函数或-可积的函数,则。

证明

首先考虑为简单可测函数的情形,不妨设,那么根据命题 12.12,

(13.4.1)

另一方面,根据定义容易逐点验证,因此。 若为上的非负Borel函数,根据定义 12.7,对于任意满足的简单函数,考虑任意,有,因此也成立。 由于对所有满足的简单函数成立,故; 类似地,从而两者相等。 对于-可积的函数,其正部和负部分别满足和,因此。

命题 13.5

设为局部紧群,为上的正则Borel测度,那么是左Haar测度当且仅当是右Haar测度; 是右Haar测度当且仅当是左Haar测度。

证明

利用恒等式,对每个和每个成立当且仅当是左Haar测度。 利用可证明另一结论。

推论 13.2

设为局部紧群,则上存在一个右Haar测度,并且在常倍数下唯一。

证明

结合定理 13.2、定理 13.3和命题 13.5可直接证明该结论。

命题 13.6

设为局部紧群,为上的左Haar测度,则有限当且仅当紧致。

证明

若紧致,则的正则性要求,必要性得证; 若有限,根据引理 13.2的证明,存在的紧子集使得。 的有限性意味着对于那些使得集族内元素不相交的序列,。 因此有限,从中选择最大者。 那么对于任意,,即。 因此,即紧致(命题 13.1)。

注

对于每个紧致群上的任意Haar测度,常常通过定义一个所谓“归一化”的Haar测度。

命题 13.7 (模函数)

设为局部紧群,为上的左Haar测度。 对于每个和,定义映射为,则也是上的左Haar测度; 此时模函数(modular)定义为; 该函数仅由群确定,不依赖于特定的左Haar测度。

证明

根据命题 13.1,映射是从到的同胚,因此是上Borel -代数之间的双射; 因此容易验证为正则Borel测度。 而的左平移不变性意味着对任意和成立,那么也是上的左Haar测度。 根据定理 13.3,对每个存在一个正数,使得。 设是上的另一个左Haar测度,根据定理 13.2,存在正实数使得,那么对每个成立,从而不依赖于特定的Haar测度。

命题 13.8

设为局部紧群,为的模函数,则

  1. 连续;

  2. 对每个成立。

证明
  1. 设为上的左Haar测度,是不恒为零的非负函数。 根据引理 13.2,。 类似命题 13.4的思路,可证明。 最后利用推论 13.1,可证明映射连续,即取定后连续;

  2. 直接验证: 对任意成立,因此。

若局部紧群的模函数对于每个都满足,则称为幺模的(unimodular)。 因此局部紧群幺模当且仅当上每个左Haar测度都是右Haar测度; 当然每个局部紧的交换群都是幺模的。

命题 13.9

每个紧群都是幺模的。

证明

设为紧群,为其模函数。 根据命题 13.8,容易由归纳法证明对每个和每个成立。 根据命题 13.6,的紧致性要求有限。 假设,那么根据Archimedean性质(命题 1.19),对于每个和任意正数,存在使得,矛盾。 因此; 另一方面,若存在使得,则根据命题 13.8,,同样与有限性矛盾。 因此只能有对所有成立,即紧群是幺模的。

  1. 我们在这里并没有详细展开聚点的概念,因此也没有给出度量空间内紧致性与序列紧致性的等价性,详见[4]。
  2. 邻域以及邻域系的概念参见定义 A.2