高等概率论逐页精讲

第 1 讲 测度与积分›第 5 部分 MCT、Fatou 引理、DCT、BCT

PDF 第 38 / 47 页幻灯片 36/42定理

用 MCT 把可加性推广到所有非负可测函数

MCT extends simple-function additivity to all f, g ≥ 0

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这一页在讲什么

人话版一句话版

「和的积分 = 积分的和」对简单函数已经证过(第 32 页)。对一般的非负可测函数,直接用定义(上确界)证明很麻烦;有了单调收敛定理,只要三步:用台阶从下逼近 和 → 台阶的和逼近 → 对台阶用已知的可加性,再取极限。

  • 位置:第 5 部分「MCT、Fatou 引理、DCT、BCT」。前两页(第 36 页、第 37 页)刚证完单调收敛定理(MCT),这一页是它的第一个应用。
  • 要解决的问题:积分最基本的运算规则——可加性——对一般的非负可测函数还没有证明。第 32 页 只对简单函数证过;而 第 33 页 把一般函数的积分定义成一个上确界,上确界的加法并不好处理(下面「为什么这不是废话」用一个具体例子说明难在哪里)。
  • 本页的做法展示了测度论里反复出现的套路:先对简单函数证,再用 MCT 推广到非负可测函数。
  • 下一页(第 39 页)换一个方向问:如果函数列不单调,MCT 的结论还成立吗?答案是否定的。
  • 概率意义:对非负随机变量 哪怕其中的期望是

先补基础

基础补课本页要用的三件工具(回顾)
  1. 二进逼近(第 34 页 定理 29):任何非负可测函数 都存在一列非负可测简单函数 逐点递增地趋于 记作 意思是:对每个点 并且
  2. 简单函数的可加性(第 32 页 命题 26):对非负简单函数
  3. MCT(第 36 页 定理 30):非负可测函数 (逐点递增)⇒ 可测,且
基础补课函数的和 f + g 是逐点定义的
  • 在每个点上把两个函数值加起来。
  • 本页 取值在 中,约定 (两个非负数相加不会出现 这种没有意义的式子,所以 在每个点都有定义,并且仍取值在 中。
  • 例:(则 是常数函数。
基础补课极限的加法(在 [0, ∞] 中)

若 都在 中(允许极限是 那么

  • 都有限时,这就是微积分里「和的极限等于极限的和」。
  • 若 因为 有 所以 若 把上一句里 与 的角色对调即可。
  • 例:非负时不会出现 的麻烦。

课件原文逐句精读

课件原文MCT extends simple-function additivity to all f, g ≥ 0

Proposition 31 For measurable ,

中文翻译

标题:MCT 把简单函数的可加性推广到所有

命题 31 对可测函数 有

MCT extends simple-function additivity|标题:用 MCT 推广简单函数的可加性

  • simple-function additivity:简单函数的可加性,即 第 32 页 的
  • extends ... to all :推广到所有非负(可测)函数。
  • 标题把证明方法也说出来了:推广的工具就是 MCT。

Proposition 31|逐个条件看

  • measurable(老师画了下划线): 必须可测,积分才有定义(第 29 页、第 33 页)。
  • (老师在 上方补写):值域 已经说了非负,老师再写一遍是强调:非负才能用 MCT,而且非负时加法不会遇到
  • 取值可以是 积分也可以是 :等式两边按「理解。例如 时,命题说
命题 31(非负可测函数积分的可加性)

设 是测度空间, 可测。则 可测,并且

为什么这不是废话:上确界不好直接相加

非负函数的积分定义为 (第 33 页)。想直接从定义证明可加性,要证两个不等号:

  1. 「容易:任取台阶 则 也是台阶,并且 所以 先固定 对 取上确界,再对 取上确界,得
  2. 「困难:要说明每一个垫在 下面的台阶 面积都不超过 自然的想法是把 拆成「 下面的台阶 + 下面的台阶」,可这常常拆不开。

拆不开的例子:在 上取 台阶 垫在 下面(其实就等于它)。假如 其中 那么在每个点都有 中间的不等号只能取等号,于是 但 取无穷多个值,不是简单函数。所以这个最好的台阶根本拆不成两个台阶之和。

MCT 绕开了这个困难:我们不需要拆任何一个台阶,只需要一列特别挑选的台阶 而 MCT 保证这一列就足以逼近 (本页例 4 会把这一列具体算出来)。

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. 在印刷的 measurable 下画了一条下划线;在 上方写
  2. Pf.(Pf 下面画线) are simple
  3.   (右边写着)MCT.
  4. 右下角:#(证毕)

第 1 行:两处标注

measurable 下的下划线、 上的 正是命题的两个条件:一个保证积分有定义,一个保证能用 MCT。

第 2 行:证明要用的三列函数

  • 由 第 34 页 的二进逼近取出来。老师写「 are simple」,提醒它们是简单函数,所以能用 第 32 页 的可加性。
  • 两列递增函数加起来仍递增,逐点极限是 (理由见下面推导第 3、4 步)。

第 3 行:把 f + g 写成极限

因为 在每个点成立,所以 这一步只是换一种写法,还没有用任何定理。

第 4 行:极限和积分交换,再把积分拆开

这一行其实做了两件事:

  1. 交换极限与积分:这就是 MCT,条件是 非负、可测、逐点递增。
  2. 拆开:这是简单函数的可加性(第 32 页)。

第 5 行:再用两次 MCT

(各用一次 MCT),再用「极限的加法」得 老师在这一行右边写的「MCT」同时说明了第 4 行的交换和第 5 行的两个极限。

图解:三行等式分别用了什么
课件局部

从上往下读这三行,每个等号背后的理由是:

  1. 第一个等号:只是改写;
  2. 第二个等号:MCT(对 加上简单函数的可加性(第 32 页);
  3. 第三个等号:MCT 用两次(对 再加上极限的加法。

右边的「MCT.」是整个证明的关键词;右下角的 # 表示证毕。

例子

例 1:直接验证

在 上(勒贝格测度),

这里 连续,用微积分也能算;命题 31 保证对任何非负可测函数(包括很不规则的)都成立。

例 2:可以有无穷大

在 上,(见 第 36 页 例 3),(命题给出 与直接判断(由单调性 一致。非负时不会出现 ,这是非负函数理论方便的地方。

例 3:推广到可数个——级数可以逐项积分

设 可测。令 由命题 31 反复使用, 递增到 由 MCT:

非负函数的级数,积分和求和可以随意交换顺序。这是后面非常常用的结论(例如第 3 讲 Borel–Cantelli 引理的另一种证法 第 4 页)。

例 4:拆不开的台阶,MCT 照样搞定

回到上面「拆不开」的例子: 上 它们都不超过 1,所以二进逼近里的截断不起作用,(第 34 页)。

看 :

  • 在 上为 0,在 上为 在 处为 1;
  • 在 处为 1,在 上为 在 上为 0;
  • 相加: 在三个点 上等于 1,其余点都等于 三个点的长度为 0,所以

一般的 :在每个开小段 内,而 落在 内,向下取整得 所以

只在有限个格点 上等于 1。于是

1
2
3

( 的公式见 第 34 页 例 1; 是把 左右翻转,面积相同。)

每一行都满足 (简单函数的可加性),最后一列递增趋于 前两列各自趋于 没有任何一个 等于最好的台阶 但它们的积分一步步爬到了 1——这正是 MCT 替我们做的事。

推导:一步一步来

推导证明思路

找台阶 它们的和也是台阶,并且递增到 对 用一次 MCT,对 各用一次 MCT,中间用简单函数的可加性连起来。

  1. 取逼近列:由二进逼近(第 34 页),存在非负可测简单函数
  2. 和是非负可测简单函数:设 取值 (在集合 上), 取值 (在 上)。那么 最多取 个值 并且每个取值集合 是若干个 的并,有限次交、并之后仍可测(这就是 第 32 页 的公共加细)。
  3. 和是递增的:两个不等式相加得
  4. 和收敛到 :对每个点 由极限的加法(基础补课),第 3、4 步合起来就是
  5. 可测:它是递增可测函数列 的极限,由 MCT 的第一个结论(第 36 页 第 5 行)可测。
  6. 串起来:

板书把第 6 步压成了三行等式,最后的「MCT」同时说明了第一个和第三个等号的理由。注意整个证明一次减法都没有,所以积分等于 的情形不需要单独讨论。

补充这个套路以后会反复用

「先对示性函数 → 再对简单函数(线性)→ 再对非负可测函数(MCT)→ 最后对可积函数(正部减负部)」叫做标准机器(standard machine)。第 2 讲的「无意识统计学家定律」(第 7 页)、第 3 讲的换测度公式(第 32 页)都是这样证明的。本讲 第 43 页 的命题 35 就是这台机器的最后一级:把可加性推广到有正有负的可积函数。

常见疑问与易错点

易错点问:为什么不能对有正有负的函数直接这样证?

答:MCT 要求非负、递增。有正有负时要先拆成正部和负部,并要求可积(避免 这是 第 43 页 的内容。

易错点问:s_n + t_n 真的是简单函数吗?

答:是。 取有限个值 取有限个值 和最多取 个值 每个取值集合是若干 的并,所以可测(推导第 2 步)。

易错点问:为什么一定要用「递增」的台阶列?随便一列收敛到 f 的台阶不行吗?

答:不行。MCT 只对递增列保证 如果台阶列逐点收敛但不递增,积分可能收敛到错误的值:下一页 第 39 页 的尖峰 就是一列台阶,逐点趋于 0(除了一个点),积分却一直是 1。二进逼近的好处正是它保证递增。

易错点问:命题 31 能推出 ∫(f − g) = ∫f − ∫g 吗?

答:要加条件。若 只取有限值且 由 (两项都非负可测)和命题 31,再把有限的 移过去即可。如果 就不行:取 (在 上), 的积分是 0,而 没有意义。第 41 页 的逆 Fatou 引理正要用到这种「先相加、再减去有限积分」的技巧。

小结与自测

小结本页小结
  • 命题 31:非负可测函数的积分可加,(可以是
  • 直接从上确界定义证「很难:垫在 下面的台阶可能拆不成两个台阶之和( 的例子)。
  • 证法:台阶逼近 ⇒ 简单函数可加 + 三次 MCT。
  • 推论:非负函数的级数可以逐项积分。
  • 「先简单函数、再 MCT」是测度论的标准套路。
自测

1. 命题 31 的证明里一共用了几次 MCT?分别用在哪里?

点开看答案

三次:对 对 对 各一次。第一次把 写成 后两次说明

2. 用例 3 的结论计算

点开看答案

逐项积分:(数值约为 即 关键是每一项非负,所以可以交换积分与求和。

3. 设 都可测, 只取有限值且 用命题 31 证明

点开看答案

可测(在 的点上 没有 因为 有限)。 是两个非负可测函数之和,由命题 31,因为 是有限数,两边减去它得 (若 两边都是

本页术语中英对照(按出现顺序)
中文English白话解释
简单函数simple function只取有限个值的可测函数,是若干示性函数的线性组合,图像像台阶。
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。
可测函数measurable function对每个 a,集合 {f > a} 都可测;这样的函数才能积分。
上确界supremum (sup)最小的上界。最大值不一定存在,但有上界的实数集一定有上确界。
Fatou 引理Fatou's lemma非负可测函数列满足 ∫ liminf fₙ ≤ liminf ∫ fₙ(只保证这个方向)。
控制收敛定理dominated convergence theorem (DCT)fₙ → f 几乎处处且 |fₙ| ≤ g、g 可积时,∫fₙ → ∫f。
有界收敛定理bounded convergence theorem (BCT)有限测度上一致有界、几乎处处收敛的函数列,积分收敛;是 DCT 的特例。
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。
随机变量random variable从样本空间到实数的(可测)函数,把结局翻译成数字;随机性来自「实现了哪个 ω」。
期望expectation随机变量对概率测度的积分 E[X] = ∫ X dP,也就是「加权平均」。
测度空间measure space三元组 (S, 𝓜, μ):空间、σ-代数、测度。
逐点收敛pointwise convergence对定义域里的每一个点 x,数列 fₙ(x) 都收敛到 f(x);这样得到的函数 f 叫逐点极限。
上极限limit superior (lim sup)数列「尾部的最大可能值」的极限;对集合则表示「发生无穷多次」。
勒贝格测度Lebesgue measure实数轴上「长度」的严格版本,定义在勒贝格可测集上,m([a,b]) = b − a。
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。
Borel–Cantelli 引理Borel–Cantelli lemma概率之和有限 ⇒ 只发生有限次;独立且概率之和无穷 ⇒ 发生无穷多次。
集合set把一些对象放在一起当成一个整体,例如 {1,2,3}。
示性函数indicator function𝟏_A(x) 在 x ∈ A 时取 1,否则取 0;它的积分就是 A 的测度。
正部positive / negative partf⁺ = max(f, 0),f⁻ = max(−f, 0),f = f⁺ − f⁻,|f| = f⁺ + f⁻。
可积integrable (L¹)∫|f| dμ < ∞。全体可积函数记作 L¹(μ)。
无意识统计学家定律law of the unconscious statistician (LOTUS)求 g(X) 的期望,不必先求出 g(X) 的分布,直接把 g 对 X 的分布 𝓛(X) 积分;X 有密度 f 时就是 E g(X) = ∫ g(x) f(x) dx。
换测度change of measure用 E_Q[X] = E_P[X · dQ/dP] 在两个概率之间换算期望。