计算与估计分形集的Hausdorff维数与测度是分形几何研究的重要内容之一。一般地说,计算分形集合的Hausdorff维数,特别是计算Hausdorff测度是非常困难的。在满足开集条件下,自相似集的Hausdorff维数已被完全确定(参见文[1])。但就在这种情形,Hausdorff测度的计算与估计, 除直线上Cantor集及其种种变形之外,也几乎无任何结果(参见文[1~3])。Moran集最先由[4]引入。关于Moran集的详细论述参见文[5]。文[6]利用网测度的方法得到了齐次Cantor集和偏齐次Cantor集的Hausdorff维数,并估计了一般齐次Moran集的Hausdorff维数。文[7]在齐次Cantor集和偏齐次Cantor集的基础上,通过将相邻的k阶基本区间的间隔$\varepsilon_k$缩小到t倍($0\leq t\leq 1$)变为$\varepsilon_k t$, 而保持基本区间的长度和个数不变,得到了位于齐次Cantor集和偏齐次Cantor集之间的一类齐次Moran集,且得到了这类集合的Hausdorff维数。文[8]运用Mauldin和Williams引入的方法确定了一类齐次Cantor集的Hausdorff测度。本文将在齐次Cantor集结构和文[6]、[8]相关结果的基础上,在一定条件下改变齐次Cantor集基本区间的位置得到一类新的齐次Moran集,并确定它的Hausdorff测度。
设$\{n_k\}_{k\geq 1}$为一列正整数序列,$\{c_k\}_{k\geq 1}$为一列正实数序列,满足$n_k\geq 2$,$0<c_k<1$,$n_1c_1\leq\delta$及$n_kc_k\leq1(k\geq2)$, 其中$\delta$为一正实数。对任意$k\geq1$, 记
令$D=\bigcup\limits_{k\geq0}D_k$, 其中$D_0$约定为$\{\emptyset\}$.
若$\sigma=\sigma_1\cdots \sigma_k\in D_k, \ \tau=\tau_1\cdots \tau_m\in D_m$, 则记$\sigma*\tau=\sigma_1\cdots \sigma_k\tau_1\cdots \tau_m$.
定义2.1[5] 设J为长度为$\delta $的闭区间,J的闭子集簇$\mathcal{F}=\{J_{\sigma}:\sigma\in D\}$称为具有齐次Moran结构,如果它满足
1.$J_{\emptyset}=J$;
2.对任意$k\geq0$及任意$\sigma\in D_k$, $J_{\sigma*1}, \cdots, J_{\sigma*n_{k+1}}$为$J_\sigma$的闭子区间,并且对任意$i\neq j$, ${\rm{int}}(J_{\sigma*i})\cap {\rm{int}}(J_{\sigma*j})=\emptyset$;
3.对任意$k\geq1$,$\sigma\in D_{k-1}$及$1\leq j\leq n_k$有
其中$\mid A\mid$表示集$A$的直径。
设$\mathcal{F}$为具有齐次Moran结构的J的闭子区间族,称$E(\mathcal{F}):=\bigcap\limits_{k\geq1}\bigcup\limits_{\sigma\in D_k}J_{\sigma}$为由$\mathcal{F}$确定的齐次Moran集,称$\mathcal{F}_k=\{J_{\sigma}:\sigma\in D_k\}$为$E(\mathcal{F})$的k阶基本区间,J称为$E(\mathcal{F})$的母区间.由上面的定义看到,对于给定的区间J,序列$\{n_k\}_{k\geq 1}$, $\{c_k\}_{k\geq 1}$随着$k(k\geq1)$阶基本区间的位置不同而产生不同的齐次Moran集.用$\mathcal{M}(J, \{n_k\}, \{c_k\})$表示由$J, \{n_k\}, \{c_k\}$生成的所有齐次Moran集的集合.
定义2.2[5] 对任意$k\geq1$,$\sigma\in D_{k-1}$及$1\leq j\leq n_k$, 它的$k$阶基本区间$J_{\sigma*j}$(我们假定$J_{\sigma*1}, \cdots, J_{\sigma*n_k}$在$J_\sigma$中从左到右排列)满足
1.$J_{\sigma*1}$的左端点与$J_{\sigma}$的左端点重合; $J_{\sigma*n_k}$的右端点与$J_{\sigma}$的右端点重合;
2.相邻的k阶基本区间的间隔相同。
由此得到的Moran集称为齐次康托集,记为
如果将上述定义中的条件1用以下条件代替:$J_{\sigma*1}$的左端点与$J_{\sigma}$的左端点重合,$J_{\sigma*{j+1}}$的左端点与$J_{\sigma*j}$的右端点重合,$1\leq j\leq n_k-1$,则得到的Moran集称为偏齐次康托集,记为
定义2.3[9] 定义预维数序列$\{s_k\}_{k\geq 1}$, 其中$s_k$满足下列等式
令$s_*=\liminf\limits_{k\rightarrow\infty}s_k$.
下面总假设${J}{\rm{ = [0,1]}}$, $s_*$如上所定义,则
定义
令$\delta_k, \varepsilon_k$分别为$\mathbb{C}$的第k级基本区间的长度和相邻基本区间之间的间隔,则
在本文中,我们考虑一种新的齐次Moran集,定义如下:
定义2.4 在上述齐次Cantor集的基础上, 对任意$k\geq1$,$\sigma\in D_{k-1}$及$1\leq j\leq n_k$, 新的$k$阶基本区间满足
1.相邻的k阶基本区间的间隔为$\varepsilon^{'}_k=\frac{n_k-1}{n_k+1}\varepsilon_k$;
2.k阶基本区间的长度$\delta_k$,母区间$J$, 序列$\{n_k\}, \{c_k\}$均不变;
3.从齐次Cantor集的$k$阶基本区间出发,将$J_{\sigma*1}$的左端点和$J_{\sigma*n_k}$的右端点分别向相应的$k-1$级基本区间的中心移动$\varepsilon^{'}_k$;
由上面定义得到的所有齐次Moran集的全体记为
在不混淆的情况下记为$\mathbb{C}^{'}$.
对于任意$E\in\mathbb{C}^{'}(J, \{n_k\}, \{c_k\})$, 设$\dim_HE=s$.由[5,6]我们知道
定理3.1[5,6] 若$E\in\mathcal{M}(J, \{n_k\}, \{c_k\})$, 则有
特别地,
(1) 若$E$还满足$\inf\limits_{k\geq1}c_k>0$, 则$\dim_HE=s_*$;
(2) 若$E$还满足$\sup\limits_{k\geq1}n_k<\infty$, 则${\rm{dim}}_HE=s_*=t_*.$
由于
所以$E\in\mathcal{M}(J, \{n_k\}, \{c_k\})$.
故由定理1,有$t_*\leq s\leq s_*$; 当$\inf\limits_{k\geq1}c_k>0$时,$s=s_*$; 当$\sup\limits_{k\geq1}n_k<\infty$时,$s=s_*=t_*$.
设$R_s(E)=\liminf\limits_{k\rightarrow\infty}\prod\limits_{j=1}^kn_jc_j^s$, 在本文中设$0\leq R_s(E)<\infty$.
定理3.2 若$E\in\mathbb{C}^{'}(J, \{n_k\}, \{c_k\})$, $0\leq R_s(E)<\infty$, 则
由于$\forall k\geq1$, $\mathcal{F}_k$为E的覆盖,故
若$R_s(E)=0$, 则$\mathcal{H}^s(E)=0$, 即$\mathcal{H}^s(E)=R_s(E)=0$.此时,定理3.2成立。
下面只需考虑$0< R_s(E)<\infty$的情形。
对任意$\sigma\in D_{k-1}$, 记$G_{k, \sigma}$为$J_\sigma\cap \mathcal{F}_k$中元素所有可能并集的集合,令
引理4.1 设$\mathcal{H}^s(E)$是$E$的$s$维 Hausdorff 测度,则
证 由$\mathcal{H}^s_G(E)$和$\mathcal{H}^s(E)$的定义可知,第二个不等式$\mathcal{H}^s(E)\leq\mathcal{H}^s_G(E)$显然成立。现证第一个不等式。设$U$为${\rm{[0,1]}}$上的开区间,$U\cap E\neq\emptyset$.由于$\lim\limits_{k\rightarrow \infty}\prod\limits_{i=1}^kc_i=0$, 因此,存在一个正整数$k_0$, 使得$\mid U\mid\geq2\prod\limits_{i=1}^{k_0}c_i$.此时,可分为两种情形(A1, A2):
A1) 存在一个正整数$k\geq k_0$,使得$U$至少含有一个$k$阶基本区间,但不含任何$(k-1)$阶基本区间,因此$U$至多与两个$(k-1)$阶基本区间相交.
a) $U$与两个$(k-1)$阶基本区间相交,设$I_1$, $I_2$是那样的两个基本区间,记$U_1=I_1\cap U$,$U_2=I_2\cap U$,那么利用$x^s$的凸性, 有
由于$U_1$和$U_2$中至少有一个含$k$阶基本区间,不失一般性,设$U_1$含有一个含$k$阶基本区间,记$G(U_1)=\bigcup\limits_{\sigma\in D_k, J_{\sigma}\cap U_1\neq\emptyset}J_{\sigma}, $则${\mid G(U_1)\mid}^s\leq(\mid U_1\mid+\prod\limits_{i=1}^kc_i)^s\leq2^s{\mid U_1\mid}^s$.
如果$U_2$也至少含有一个$k$阶基本区间,记$G(U_2)=\bigcup\limits_{\sigma\in D_k, J_{\sigma}\cap U_2\neq\emptyset}J_{\sigma}, $因此${\mid G(U_2)\mid}^s\leq2^s{\mid U_2\mid}^s$.从而$G(U_i)\in G_k, i=1, 2$且
如果$U_2$不含任何$k$阶基本区间,则$U$仅与$I_2$相交。通过分析知道,在这种情况下,又可以分为两种情形:
a1) 存在正整数$l(>k)$, 使得$U_2$至少含一个$l$阶基本区间,但它不含任何$(l-1)$阶基本区间,记
则$G(U_2)\in G_l$, 此时可类似上面的论述,得到${\mid G(U_2)\mid}^s\leq2^s{\mid U_2\mid}^s$.于是,式(4.3)成立。
a2) 不存在正整数$l(>k)$, 使得$U_2$含有$l$阶基本区间,此时,$U_2$至多与一个$k$阶基本区间相交,记$G(U_2)=\bigcup\limits_{\sigma\in D_k, J_{\sigma}\cap U_2\neq\emptyset}J_{\sigma}, $则仍有$G(U_2)\in G_k$, 那么${\mid G(U_2)\mid}^s\leq(\mid U_2\mid+\prod\limits_{i=1}^kc_i)^s\leq2^s{\mid U_2\mid}^s$.于是,式(4.3)也成立。
b) $U$仅与一个$(k-1)$阶基本区间相交.
如果$U$的左端点不落在任何$k$阶基本区间上,记$G(U)=\bigcup\limits_{\sigma\in D_k, J_{\sigma}\cap U\neq\emptyset}J_{\sigma}, $则$G(U)\in G_k$, 且
如果$U$的左端点落在某个$k$阶基本区间上,设$J_1$是那样的基本区间,记$U_1=U\cap J_1$, $U_2=U-U_1$, 且$G(U_2)=\bigcup\limits_{\sigma\in D_k, J_{\sigma}\cap U_2\neq\emptyset}J_{\sigma}$, 则$G(U_2)\in G_k$, 且${\mid G(U_2)\mid}^s\leq2^s{\mid U_2\mid}^s$.对于$U_1$, 我们又可以分为两种情形。
b1) 存在正整数$l(>k)$, 使得$U_1$至少含一个$l$阶基本区间,但它不含任何$(l-1)$阶基本区间,记
类似上面的论述,得到${\mid G(U_1)\mid}^s\leq2^s{\mid U_1\mid}^s$.于是,式(4.3)成立。
b2) 不存在正整数$l(>k)$, 使得$U_1$含有$l$阶基本区间,此时,$U_1$至多与一个$k$阶基本区间相交,记
则仍有$G(U_1)\in G_k$, 那么${\mid G(U_1)\mid}^s\leq(\mid U_1\mid+\prod\limits_{i=1}^kc_i)^s\leq2^s{\mid U_1\mid}^s$.于是,式(4.3)也成立。
A2) 不存在一个正整数$k\geq k_0$,使得$U$含有$k$阶基本区间。此时,对于某个正整数$k$,$U$至多与两个$k$阶基本区间相交, 记$G(U)=\bigcup\limits_{\sigma\in D_k, J_{\sigma}\cap U\neq\emptyset}J_{\sigma}, $则$G(U)\in G_k$, 且${\mid G(U)\mid}^s\leq(\mid U\mid+2\prod\limits_{i=1}^kc_i)^s \leq2^s{\mid U\mid}^s$, 那么也有式(4.3) 成立。
现设$\{U^i\}$是$E$的$\delta$覆盖,则$\{G(U_1^i), G(U_2^i)\}\subset G$是$E$的$2\delta$覆盖,因此$\mathcal{H}^s(E)\geq\frac{1}{2}\mathcal{H}^s_G(E)$, 引理4.1得证。
对任意$\sigma=(\sigma_1, \cdots, \sigma_m)\in D_m$, 若$0<k\leq m$, 记$\sigma\mid k=(\sigma_1, \cdots, \sigma_k)$.对任意两个$\sigma, \tau\in D_k$, 记$a(\sigma)$是$I_{\sigma}$的左端点,$b(\tau)$是$I_{\tau}$的右端点。设$\mu$是支撑在$E$上的概率测度,使得对任意$A\in \mathcal{F}_k$, 有$\mu(A)=(n_1\cdots n_k)^{-1}$.
引理4.2 设$E\in\mathbb{C}^{'}(J, \{n_k\}, \{c_k\})$,且$0< R_s(E)<\infty$.那么存在$k_0\in\mathrm{N}$, 使得对任意的$\sigma, \tau\in D_k(k\geq k_0)$, 若$a(\sigma)<b(\tau)$且$\sigma\mid (k-1)=\tau\mid (k-1)$, 则
证 由于$\liminf\limits_{k\rightarrow\infty}\prod\limits_{j=1}^kn_jc_j^s=R_s(E)$,则对任意$\varepsilon>0$, 存在$k_0>0$, 使得当$k\geq k_0$时,$\prod\limits_{j=1}^kn_jc_j^s\geq R_s(E)-\varepsilon$, 因此
若$\sigma=\tau\in D_k(k>k_0)$, 则$b(\tau)-a(\sigma)=c_1\cdots c_k$, 从而由(4.5)知
若$\sigma\neq \tau$, $\sigma, \tau\in D_k(k>k_0)$, 假设$[a(\sigma), b(\tau)]$中含$i$个$k$阶基本区间,由于$\sigma\mid (k-1)=\tau\mid (k-1)$且$\sigma\neq \tau$,所以$2\leq i\leq n_k$, 且
利用$x^s$的凸性有
由(4.5)和(4.6)式有
因此$\mu([a(\sigma), b(\tau)])\leq3^{1-s}(R_s(E)-\varepsilon)^{-1}(b(\tau)-a(\sigma))^s$, 引理4.2得证。
引理4.3 设$E\in\mathbb{C}^{'}(J, \{n_k\}, \{c_k\})$,且$0< R_s(E)<\infty$, 则$(\frac{1}{3})^{1-s}R_s(E)\leq\mathcal{H}^s_G(E)\leq R_s(E)$.
证 $\mathcal{H}^s_G(E)\leq R_s(E)$显然成立。现设$\{U_i\}\subset G$是$E$的$\delta$覆盖,$\delta\leq x_{k_0}$.对每个$U_i$,必存在一个正整数$k(i)>k_0$,使得$U_i$含在某个$(k(i)-1)$阶基本区间内.假设$U_i$是某些$k(i)$阶基本区间的并,即$U_i=I_{\sigma^{(i)}}\cup\cdots I_{\tau^{(i)}}$,这里$I_{\sigma^{(i)}}$和$U_i$有相同的左端点,$I_{\tau^{(i)}}$和$U_i$有相同的右端点.则$\mid U_i\mid=b(\tau^{(i)})-a(\sigma^{(i)})$.由引理4.2有
因此$\mathcal{H}^s_G(E)\geq (\frac{1}{3})^{1-s}(R_s(E)-\varepsilon)$.由$\varepsilon$的任意性,有$\mathcal{H}^s_G(E)\geq (\frac{1}{3})^{1-s}R_s(E)$,引理4.3得证。
证[定理2的证明] 由引理4.1和引理4.3可知
即$\frac{1}{6}R_s(E)\leq\mathcal{H}^s(E)\leq R_s(E)$,定理得证。
例 对于经典三分Cantor集$\mathbb{C}([0,1], \{2\}, \{\frac{1}{3}\})$,如本文中的做法处理,可得到新的齐次Moran集$\mathbb{C}^{'}([0,1], \{2\}, \{\frac{1}{3}\})$.任意的$E\in\mathbb{C}^{'}([0,1], \{2\}, \{\frac{1}{3}\})$,由于$\sup\limits_{k}n_k=2<\infty$, 所以$\dim_H(E)=s_*=\frac{\log2}{\log3}$.然而$R_{\frac{\log2}{\log3}}(E)=1$, 因此$\frac{1}{6}\leq\mathcal{H}^s(E)\leq 1$.