長さと面積の間にある目盛り(ハウスドルフ測度と非整数の次元)
長さ、面積、体積は次元ごとに別々の量でした。同じ定義式の を動かすだけで、これらをまとめて作れます[1]。
直径が 以下の集合で を覆い、直径の 乗を足した値の下限をとります。 を縮めると覆い方が減るので、値は増える一方。
これが 次元ハウスドルフ測度です。フェリックス・ハウスドルフが 1918 年に導入しました[2]。 は整数でなくてかまいません。
なぜ を縮めるのか
を固定したままでは、粗い覆いで値をごまかせます。円周を 1 個の大きい円板で覆えば、直径 1 個分の値しか出ません。
細かく覆うことを強いると、集合の形が値に反映されます。極限をとる操作は、その強制です。
について単調なので、極限は上限として存在します。値が になることも許します。
外測度からカラテオドリで測度へ
は外測度で、しかもボレル正則です[1]。距離的外測度でもあるので、ボレル集合はすべてカラテオドリの意味で可測になります。
したがって をボレル集合族に制限すれば測度が得られます。構成の型は、ルベーグ測度を外測度から作ったときとまったく同じ。
違うのは、覆いに使う集合を区間ではなく直径だけで指定している点です。距離さえあれば定義できるので、 の外でも使えます[3]。
ルベーグ測度との関係
とすると、 でルベーグ測度の定数倍になります。
は単位球の体積から決まる正規化の定数です。直径で測るか半径で測るかの差を吸収します[1]。
正規化を定義に組み込む流儀もあり、その場合は になります。以下では正規化しない形で書きます。
を動かすと 1 点で急に落ちる
同じ集合 について を動かすと、値の振る舞いが極端です。 なら で になります。
覆いの直径が 以下なので、。右辺の和は 倍に縮み、 で消えます。
対偶をとれば、 のとき で 。つまり と の間に、中間の値をとる はたかだか 1 つしかありません。

ハウスドルフ次元
落ちる場所を次元と呼びます[2]。
2 つの定義が一致するのは、前の節の急落があるためです。整数とはかぎらない値が出ます。
次元そのものでの値は決まりません。 が になることも になることも、有限の正の値になることもあります。
例:可算集合の次元は 0
1 点の直径は なので、 なら です。
可算集合は 1 点の可算合併なので、可算加法性から 。したがって次元は になります。
有理数全体も次元 です。稠密であることと次元は無関係。
例:カントール集合
第 段のカントール集合は、長さ の区間 個です。これを覆いに使うと次の値が出ます。
、つまり のとき、この値は によらず です。
がこれより小さければ発散し、大きければ に落ちます。上からの評価はこれで済み、下からの評価も別に付くので、次元はちょうどこの値。
長さは で、点の個数としては非可算。その中間にある量を、この という数が表しています。
自己相似集合の次元
縮小比 の相似写像 個で自分自身を覆う集合では、次元が方程式で決まります[2]。
モランの方程式と呼ばれます。すべての比が同じ なら、 から 。
カントール集合は 、 なので 。さきほどの計算と合います。
例:ガスケットとコッホ曲線
| 図形 | コピーの数 | 縮小比 | 次元 |
|---|---|---|---|
| カントール集合 | 2 | ||
| コッホ曲線 | 4 | ||
| シェルピンスキーのガスケット | 3 |
コッホ曲線は 次元より大きく、 次元より小さい。曲線でありながら長さが無限で、面積は です[2]。
ガスケットは で、面積 の図形。次元が「どれだけ空間を埋めているか」を測る量だと分かります。
開集合条件
モランの方程式が使えるのは、コピーどうしの重なりが小さいときだけです。開集合条件と呼ばれる仮定を置きます[2]。
空でない有界開集合 があって、各写像の像が に入り、しかも互いに交わらないこと。
条件を外すと、重なった部分を二重に数えて次元が過大に出ます。上の 3 例はどれも条件を満たします。
例:滑らかな多様体
の中の 級な 次元部分多様体は、ハウスドルフ次元が になります。
局所的に の開集合と微分同相で、リプシッツ写像が次元を増やさないため。ふつうの次元と食い違いません。
整数次元の場合に既存の量と一致し、そのうえで非整数まで伸びている。よい一般化の形です。
ボックス次元との違い
覆いに使う集合の大きさをそろえた版がボックス次元です。格子の目盛りを にして、交わる箱の個数 から定めます。
いつでも です。等号は自己相似集合では成り立ちますが、一般には成り立ちません。
の有理数全体が分かりやすい例。ハウスドルフ次元は ですが、ボックス次元は になります。可算加法性を持たないぶん、ボックス次元は粗い量です。
カントール集合 について、正しい記述はどれですか。
- 可算集合なのでハウスドルフ次元は
- 次元は で、その次元での測度は正の有限値
- 長さが なのですべての で
- 次元は必ず整数になるので か











C は非可算で長さ 0 です。s=log2/log3 のところで測度が 1 になり、それより小さい s では発散、大きい s では消滅します。