数学

Hausdorff 测度

Hausfdorff 测度是 Lebesgue 测度的推广,可以对流形、分形定义维数和“体积”,同时也可以定义分形的分数维度。

定义

设 E \subset \mathbb{R}^n,对任意 s \geq 0 和 \delta > 0,定义 Hausdorff 外测度:

\mathcal{H}^s_\delta(E) = \inf \left\{ \sum_{i=1}^\infty \text{diam}(U_i)^s \,\bigg|\, E \subset \bigcup_{i=1}^\infty U_i,\, \operatorname{diam}(U_i) \leq \delta \right\},

其中 \operatorname{diam}(U_i) 是覆盖集 U_i 的直径。

Hausdorff 测度定义为:

\mathcal{H}^s(E) = \lim_{\delta \to 0} \mathcal{H}^s_\delta(E).

当 s 为整数时,\mathcal{H}^s 与 Lebesgue 测度等价(相差常数因子)。例如,\mathcal{H}^1 是长度,\mathcal{H}^2 是面积。

定义动机和性质

  • Lebesgue 测度的局限:仅能测量整数维集合(如线段是一维,平面是二维)。对分形(如康托尔集、科赫曲线)等非整数维集合,Lebesgue 测度失效。
  • 对于 \mathbb{R^n} 中的 Lebesgue 可测集 E,其 Hausdorff 测度等于 Lebesgue 测度(可能相差一个比例常数);对于流形,其 Hausdorff 测度等于流形的“面积”,因此这是 Lebesgue 测度的一种推广。
  • ​推广维数概念:Hausdorff 测度允许用任意 s≥0 作为“维数参数”,从而为分形等复杂集合提供度量工具。
  • ​临界维数:对集合 E,存在唯一的 s_0​ 使得当 s>s_0​ 时 \mathcal H^s(E)=0,当 s<s_0​ 时 \mathcal{H}^s(E)=∞。这个 s_0​ 称为 ​Hausdorff 维数。这个维数的存在,使得 Hausdorff 测度得以测量分形的维数。
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