这一页在讲什么
一列集合越变越大(最后「长成」它们的并集 那么它们的测度也会一路增大、最终逼近 的测度:这叫从下连续——「从下面」一步步逼近,测度不会在极限处突然「跳」一下。
上一页 第 12 页 正式定义了测度:非负、空集为 0、可数可加。这一页和下一页 第 14 页 证明测度的第一批重要性质:连续性。它们回答的问题是:
集合的极限,与测度的极限,能不能交换顺序?
- 本页(定理 8):集合递增时,总能交换,不需要任何额外条件。
- 下一页(定理 9):集合递减时,需要一个「有限」条件,否则会出错。
证明的核心技巧只有一个:把递增的集合切成一圈圈互不重叠的「年轮」,然后用可数可加性。这正是 第 8 页 说「可数可加比有限可加强」的具体体现:有限可加推不出这个定理。后面的单调收敛定理(第 36 页)会反复用它。本页属于第 1 部分「概率空间与可测事件」。
先补基础
- 一列数 叫数列。 读作「 趋于 「 收敛到 越大, 离 越近,而且要多近有多近。
- 例:即 越来越接近 1,所以
- 越来越大,超过任何给定的数。例:
- 单调递增的数列一定有极限(可能是 它只往上走,要么被某个数挡住、越来越贴近某个数,要么无限增大。测度的数列 在集合递增时正是这种数列。
- 每个集合都包含前一个,叫递增(increasing)的集合列。
- 读作「 递增到 意思是两件事:① 递增;②
- 例:(即 越来越长,它们的并集是 所以 注意 1 本身不在任何 里。
- 差集 在 里、但不在 里的元素,也就是「第 步新长出来的部分」。
- 级数 的定义就是部分和的极限:各项非负时,部分和递增,极限总存在(有限数或 这一点是本页证明最后一步的关键。
课件原文逐句精读
Theorem 8 If and , then .
(说明:老师把印刷的箭头「圈了出来,并在下面画了一个向上的箭头「意思是条件应为 即集合递增。)
定理 8(从下连续) 若 且 递增到 则
逐个符号来读:
- :每个 都是可测集。这里课件用 表示 σ-代数,和定义 6 里的 是同一个东西(老师在页首补写了 来提醒这一点)。所以 读作 即可。
- :集合递增, 定义为它们的并集。老师的更正非常重要:印刷的「没有说明递增,而递增是必需的条件(见例 4 的反例)。
- 也可测: 是可测集的可数并,由 σ-代数的规则 3(第 9 页),所以 有定义。
- 结论 :一列数 收敛到数 允许 此时意思是 无限增大。
为什么叫「从下连续」?把 看成一个以集合为输入的「函数」。「连续」的意思是:输入逼近,输出也逼近。这里输入是从里面、从下面长大逼近 的,所以叫从下连续(continuity from below)。
设 是测度空间, 都属于 则
并且 这里不需要任何有限性条件, 也成立。
老师板书在说什么
- (页首)
- (定理 8 中)印刷的「被蓝笔圈出,下方画了向上的箭头
- proof.
- for
- are disjoint.
- then
- .
- (右下角)#(证明结束的记号)
老师的证明只有五行,每一行背后都有一个理由没写出来。下面按行补全;完整的逐步证明在「推导」一节。
第 3–4 行:切「年轮」
- 最里面的核。
- 第 步新长出来的那一圈。
- 想象一棵树的横截面: 是树心, 是长了一年后的树干, 就是第二圈年轮; 是 年后的树干,它恰好由前 圈年轮组成。
具体例子: 时,
每一圈都是上一个右端点到下一个右端点之间的半开区间。
第 5 行:年轮两两不交
里的点「第一次出现」是在 而 (里的点第一次出现在 一个点第一次出现的时刻只有一个,所以不可能同时属于两圈年轮。(严格证明见推导一节第 2 步。)
第 6 行:有限步用有限可加,再取极限
- 第一个等号: 恰好是前 圈年轮拼起来的,
- 第二个等号:这 圈两两不交,用有限可加性(第 12 页 性质 1)。
- 箭头「当 时,部分和 趋于级数 ——这就是级数的定义(见基础补课)。
第 7–8 行:用可数可加,回到 E
- 第 7 行:所有年轮两两不交,用可数可加性把级数写回一个测度。这是整个证明中唯一用到「可数」的地方。
- 第 8 行:所有年轮拼起来就是整个
最后的「#」是老师表示「证明完毕」的记号,相当于常见的
例子
取 为长度,
- (
- 定理 8 预言:确实,
- 用年轮验证:(前 项之和「错位相消」为 和第 6 行一致。
- 不嵌套:(长度测度)。并集是 长度 但每个 数列 趋于 1,不趋于 结论失败。
- 来回摆动:( 为奇数)、( 为偶数)。并集是 测度 2;但 根本不收敛。
所以老师把印刷的「改成「绝不是小事:没有递增,定理是错的。
推导:一步一步来
把递增的 切成两两不交的「年轮」 是前 圈的不交并, 是所有圈的不交并。前者用有限可加,后者用可数可加,中间用「级数=部分和的极限」连起来。
设 都可测,令 (
第 1 步:每个 可测。 是可测集的补与交,由 第 9 页 结论 4,
第 2 步: 两两不交。 取 而 递增性给出 所以 但 的点都不在 里。所以
第 3 步:(对每个
- 「每个 (递增性)。
- 「任取 在 中找第一个含 的,设为 (若 若 但 所以 总之 在某个 (里。
第 4 步: 「每个 「任取 则 属于某个 由第 3 步, 属于某个
第 5 步:连起来。
补充:为什么 是递增的。 由单调性(第 12 页 性质 2),又因为 包含每一个 同样由单调性得 所以 是「从下面」逼近 的,这也是名字的由来。
注意整个证明没有做过减法:我们从来没写「这正是定理 8 不需要有限条件的原因。例 1 里做减法是因为所有测度都有限,那只是验证,不是证明的一部分。
常见疑问与易错点
答:不需要。证明只用了加法和「非负级数的部分和收敛到级数」,这两件事在值为 时都成立(例 2)。需要有限条件的是从上连续(第 14 页),因为那里不得不做减法。
答:不能。证明第 5 步的「是可数可加性,有限可加只能处理前 项。事实上可以证明:对有限可加的 「可数可加」和「从下连续」是等价的。第 12 页 例 3 的 (有限集为 0、无限集为 就是反例:但
答:一定。 就定义为 属于并集就是属于某一个。但要小心「边界」:例 1 里 1 这个点不在任何 里,所以也不在 里。极限集合是并集,不是「闭包」,不会自动把端点补进来。
答:「只说「在某种意义下趋于 没有要求递增;「明确要求 例 4 说明没有递增时结论可以失败,所以必须是「印刷版本是课件的笔误。
小结与自测
- 定理 8(从下连续): 可测且 则 不需要有限条件。
- 课件印成了「老师改为「递增是必需的(例 4)。
- 证明技巧「年轮」:两两不交,前 圈拼成 全部拼成
- 证明链:有限可加 → 部分和取极限 → 可数可加。只做加法,所以 也不怕。
- 概率例子:
1. 长度测度下, 是递增的吗?可以直接用定理 8 吗?
点开看答案
不是递增的。例如 在 里却不在 里,所以 左端点在往右缩,右端点在往右伸,集合不嵌套,不能直接用定理 8。(每个 的长度都是 5,并集是 长度 6,正好说明结论失败。)
2. 长度测度下,写出 并用定理 8 求
点开看答案
越来越小,所以 递增;并集是 (0 不在任何 里,而每个 当 足够大、 时都在 里)。所以
3. 在定理 8 的证明中,哪一步用到了可数可加性?哪一步用到了递增性?
点开看答案
可数可加性只用于「这一步。递增性用在两处:证明年轮两两不交(以及证明前 圈拼成 (
| 中文 | English | 白话解释 |
|---|---|---|
| 集合 | set | 把一些对象放在一起当成一个整体,例如 {1,2,3}。 |
| 并集 | union | 至少属于其中一个集合的元素全体,A ∪ B 对应「A 或 B」。 |
| 测度 | measure | 给 σ-代数里的每个集合一个 [0, ∞] 中的「大小」,空集为 0,并且可数可加。 |
| 从下连续 | continuity from below | 集合一层层变大(Eₙ ↑ E)时,测度也跟着收敛:μ(Eₙ) → μ(E)。 |
| 可数可加性 | countable additivity | 两两不交的可数个集合,并集的测度等于各自测度之和。 |
| 空集 | empty set | 一个元素也没有的集合,记作 ∅。作为事件,它永远不会发生。 |
| 可数 | countable | 元素能排成第 1 个、第 2 个、第 3 个……的一列(有限也算),例如自然数、有理数。 |
| 单调收敛定理 | monotone convergence theorem (MCT) | 非负可测函数单调递增地收敛时,积分也收敛:∫fₙ ↑ ∫f。 |
| 有限可加性 | finite additivity | 两两不交的有限个集合,并集的测度等于各自测度之和。可数可加性是它的加强版:可数无穷多个集合也成立。 |
| 概率空间 | probability space | 三元组 (Ω, 𝓕, P):样本空间、事件的 σ-代数、概率测度。 |
| 事件 | event | 样本空间的(允许谈概率的)子集;实现的 ω 落在里面,就说事件发生。 |
| 单调递增 | nondecreasing | 后一项不小于前一项;单调有界的数列一定有极限。 |
| 差集 | set difference | 在 A 里但不在 B 里的元素,记作 A \ B,等于 A ∩ Bᶜ。 |
| 元素 | element | 集合里的对象。ω ∈ Ω 读作「ω 属于 Ω」。 |
| 级数 | series | 无穷多项相加 a₁ + a₂ + …,它的值是前 n 项和在 n → ∞ 时的极限。 |
| 部分和 | partial sum | 级数 a₁ + a₂ + … 的前 n 项之和 Sₙ = a₁ + … + aₙ;级数的值就是 Sₙ 在 n → ∞ 时的极限。 |
| 可测集 | measurable set | σ-代数里的集合,也就是可以谈「测度多大」的集合;在概率空间里,可测集就叫事件。 |
| σ-代数 | sigma-algebra | 允许谈概率的「事件清单」:含 Ω,对补集和可数并封闭。 |
| 函数 | function / map | f: A → B 给 A 中每个元素指定 B 中唯一一个元素。 |
| 测度空间 | measure space | 三元组 (S, 𝓜, μ):空间、σ-代数、测度。 |
| 区间 | interval | 数轴上的一段,[a,b] 包含端点,(a,b) 不包含端点。 |
| 两两不交 | pairwise disjoint | 一列集合中任意两个都没有公共元素,对应「任意两件事不会同时发生」。 |
| 计数测度 | counting measure | μ(A) = A 中元素的个数(无限集记为 ∞)。在 ℕ 上对它积分就是求和。 |
| 下极限 | limit inferior (lim inf) | 数列「尾部的最小可能值」的极限;对集合则表示「从某一项起一直发生」。 |
| 累积分布函数 | cumulative distribution function (CDF) | F(x) = P(X ≤ x),单调不减、右连续,完全决定分布。 |
| 左极限 | left limit | 自变量从左边(比 x 小的一侧)靠近 x 时,函数值趋向的数,记作 f(x−)。分布函数在 x 处的跳跃 F(x) − F(x−) 就是 P(X = x)。 |
| 分布 | law / distribution | X 把概率「推」到取值空间上得到的测度:L(X)(B) = P(X ∈ B)。 |
| 从上连续 | continuity from above | 集合一层层变小(Eₙ ↓ E)且 μ(E₁) < ∞ 时,μ(Eₙ) → μ(E)。 |