高等概率论逐页精讲

第 1 讲 测度与积分›第 1 部分 概率空间与可测事件

PDF 第 13 / 47 页幻灯片 12/42定理

测度的从下连续性

Continuity from below

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这一页在讲什么

人话版一句话版

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

基础补课数列的极限 →
  • 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。
基础补课集合的递增与记号 Eₙ ↑ E
  • 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。
基础补课差集与级数的部分和
  • 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

课件原文Theorem 8

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。)

中文翻译

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)。

定理 8(从下连续)

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

老师板书板书转写(按从上到下的顺序)
  1. (页首)
  2. (定理 8 中)印刷的「被蓝笔圈出,下方画了向上的箭头
  3. proof. 
  4.  for
  5. are disjoint.
  6. then 
  7. .
  8. (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

例 1:区间越来越长(长度测度)

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。
例 2:测度趋于无穷也没问题

取 为长度,

取 为 上的计数测度(第 12 页 例 1),

两种情况下极限都是 定理照样成立——从下连续不需要有限条件。

例 3:概率里的例子——前 n 次里出现过正面

无穷次抛公平硬币(第 7 页),令 =「前 次里至少有一次正面」

  • 递增:前 次里有正面,前 次里当然也有,所以
  • 并集:=「某一次出现正面」=「至少一次正面」
  • 定理 8:这和 第 8 页 例 2 用可数可加直接算的结果一致——事实上两者是同一个论证:那里的 (第一次正面在第 次)正是这里的年轮
例 4(反例):去掉「递增」会怎样
  1. 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。
  2. 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。

例 5:一个马上能用的应用——分布函数的左极限

第 11 页 定义了分布函数 问:(严格小于)怎么用 表示?

  1. 取集合 越大, 越大,条件越宽松,所以 递增。
  2. 并集:若 则当 足够大、 时,所以 在某个 里;反过来, 里的 都满足 所以
  3. 由定理 8:右边就是 在 处的左极限,常记作

具体数字:抛两次公平硬币,=正面次数(第 11 页 例 5)。在 处,(对 所以 也就是 而 两者之差 正是分布函数在 1 处「跳」的高度。第 2 讲会系统地用这个结论。

推导:一步一步来

推导证明思路

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

易错点问:定理 8 需要 μ(E) < ∞ 吗?

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。

易错点问:只有有限可加性,能证明定理 8 吗?

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

易错点问:极限集合 E 里的点,一定在某个 Eₙ 里吗?

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。

易错点问:印刷的「Eₙ → E」和老师改的「Eₙ ↑ E」差别在哪?

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

小结本页小结
  • 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:
自测

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 (

本页术语中英对照(按出现顺序)
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 setσ-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 / mapf: 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 measureμ(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 / distributionX 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)。