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 39 / 47 页幻灯片 37/42例子

只有逐点收敛时,「质量」会丢失

Pointwise convergence alone does not preserve mass

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这一页在讲什么

人话版一句话版

MCT 说:非负函数递增地收敛,积分也跟着收敛。这一页问:去掉「递增」,只剩「逐点收敛」,还行吗?老师用一个尖峰函数列回答:不行。每个 是一个越来越窄、越来越高的矩形,面积恒为 1;函数在每一点(除了 0)最终都变成 0,面积却没有变成 0——「质量」在极限中丢失了。

  • 位置:第 5 部分。前面 第 36 页–第 38 页 是 MCT 及其应用;这一页是一个反例,说明 MCT 的「单调」条件不能随便去掉。
  • 这里的「质量」(mass)就是积分,也就是函数图像下方的面积;在概率里就是期望。
  • 反例还告诉我们:没有单调性时,最多只能期望一个方向的不等式。下两页 第 40 页、第 41 页 用「尾部下确界」人为造出单调性,得到 Fatou 引理 本页的尖峰正好是 Fatou 不等号严格成立的例子。
  • 再往后,第 44 页 的控制收敛定理给出另一种补救:只要所有 被同一个可积函数压住,质量就跑不掉。

先补基础

基础补课函数列逐点收敛(pointwise convergence)
  • 逐点(pointwise,老师缩写为 p.w.):对每一个固定的点 数列 收敛到
  • 用 ε 语言写:对每个 和每个 存在 (可以依赖于 ),使得 时
  • 关键点:不同的点可以用不同的 。本页的例子里,靠近 0 的点要等很久才变成 0,这正是质量能「躲」起来的原因。
  • 例: 在 上逐点趋于 0:固定
基础补课「推不出」⇏ 与「一个反例就够了」
  • 读作「由 可以推出 只要 成立, 一定成立。
  • (老师在箭头上画了一个红叉)读作「由 推不出 存在 成立而 不成立的情形。
  • 要否定一个「对所有情形都成立」的断言,举出一个反例就够了。这一页就是一个反例:满足「非负、逐点收敛」,却不满足「积分收敛到极限函数的积分」。
基础补课测度空间 ([0,1], 𝓑[0,1], Leb) 与示性函数(回顾)
  • 是空间; 是 上的博雷尔 σ-代数(由区间生成,第 11 页); 是勒贝格测度,区间的测度就是长度(第 23 页)。
  • 示性函数 时为 1,否则为 0(第 30 页)。所以 在 上等于 其余地方等于 0:一个宽 高 的矩形。
  • 积分公式:(第 30 页 推论 24);常数可以提出来,(第 33 页 命题 28)。
  • 单点的长度是 0:所以 的长度都是

课件原文逐句精读

课件原文Pointwise convergence alone does not preserve mass

If there is no monotonic property, can we still hold the statement?

中文翻译

标题:仅有逐点收敛,保不住质量。

如果没有单调性,这个结论还能成立吗?

Pointwise convergence alone does not preserve mass|标题逐词看

  • pointwise convergence:逐点收敛。
  • alone:单独、仅仅。意思是「只有逐点收敛这一个条件」,没有单调性,也没有别的条件。
  • preserve mass:保住质量。这里的 mass(质量)就是积分。把函数图像下面的区域想成铺了一层沙子,积分就是沙子的总量。「保住质量」是说:极限函数下面的沙子总量,等于 下面沙子总量的极限。
  • 整句:仅凭逐点收敛,质量可能会丢失。

If there is no monotonic property, can we still hold the statement?|问题本身

  • the statement(这个结论)指 MCT 的结论 (第 36 页)。
  • monotonic property(单调性)指 MCT 的条件
  • 问题:去掉单调性,只留「非负 + 逐点收敛」,还能得到 吗?老师的回答写在板书第一行:不能。
  • 英文小注:can we still hold the statement 更地道的说法是 does the statement still hold,意思一样。
人话版用沙子来想

想象每个 都是一堆总量为 1 的沙子。第 步把沙子全部堆进 这个越来越窄的槽里,于是沙堆越来越高。站在任何一个点 看,槽迟早会从你脚下移走,你脚下的沙子变成 0;可是沙子的总量一直是 1。到了极限,所有的沙子都挤到了「点 0」上,而一个点的宽度是 0,积分就看不见它了。

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. (推出号 上画了一个红叉)
  2. The measure space , let
  3.     p.w.(p.w. 用浅蓝色写)
  4. 左边的 被红圈圈住,一个红箭头从圈指向右边的积分;右边 的上方用红色写着
  5. 右下:#(证毕)
  6. 页面底部中间偏右有一段被页面边缘截断的蓝色弧线,看不出含义(可能是无意划到的笔迹)。

第 1 行:结论先行

老师先把答案写出来:逐点收敛推不出积分收敛。红叉画在推出号上,意思是「这个箭头不成立」。下面几行给出一个反例。

第 2–3 行:反例的设定

  • 空间是 σ-代数是博雷尔集,测度是长度。
  • 宽 高 的矩形。 时是 上高 1 的正方形; 时是 上高 2 的矩形; 时是 上高 10 的细长条……越来越窄、越来越高,像一根尖刺,所以常叫尖峰(spike)。
  • 它们都是非负简单函数,当然可测。

第 4 行:逐点极限是 0——但要修正一个点

  • 对 只要 就有 于是 从这一步起一直是 0,所以
  • 老师这里有一个小疏漏:在 处, 对每个 都成立,所以 并不趋于 0。准确的说法是: 在 上逐点成立,也就是除了一个点之外处处成立(这叫「几乎处处」,第 43 页 会正式定义)。
  • 两种修正办法,结论都不变:
    1. 把区间改成 或 (第 36 页 就是这样写的),这样 真正处处收敛到 0;
    2. 保留老师的写法,令极限函数 其余为 0。由 第 33 页 例 4,在一个长度为 0 的点上取 不影响积分,

第 5 行:每个积分都是 1

  • 第一个等号:常数 提到积分外面(第 33 页 命题 28);
  • 第二个等号:示性函数的积分等于集合的测度(第 30 页 推论 24);
  • 第三个等号:区间的勒贝格测度是长度。

老师在第二个积分里省略了 最后写成 用的是圆括号。区间开还是闭不影响长度(单点长度为 0),所以结果都是 1。

第 6 行:两种顺序,两个答案

  • 左边(红圈圈住 红箭头指向积分):先积分,再取极限。每个积分都是 1,极限是 1。
  • 右边(红字标出 先取极限,再积分。极限函数是 0(除了一个点),积分是 0。
  • 所以

红圈和红箭头强调的正是这个顺序问题:极限号放在积分号外面还是里面,结果不一样。

图解:红圈、红箭头和红字
课件局部

这是板书第 6 行。按下面的顺序读:

  1. 左边红圈里的 和它右边的积分:先对每个 算出 再让 得 1。红箭头从 指向积分,提醒你「 在积分外面」。
  2. 中间的 两个答案不同。
  3. 右边的 头顶的红字「这里的 是逐点极限,相当于把 放到了积分里面。

例子

例 1:逐点看、整体看——一张表

下表第一行固定一点 看 怎样变化;第二行固定 第三行是积分。

1 2 3 4 5 10 100 101
1 2 3 0 0 0 0 0
1 2 3 4 5 10 100 0
1 1 1 1 1 1 1 1

计算理由: 当且仅当 即 时 所以 时取值 时为 0; 时 所以要到 才变成 0。

读法:每一点最终都变成 0,但越靠近 0 的点「坚持」得越久,而且坚持时的值越来越大。任何时刻都有一小段区间 还在「扛着」全部质量 1。

动手试一试尖峰:面积恒为 1,每一点最终是 0

拖动 橙色矩形的宽是 高是 面积始终是 1;再看虚线 处的函数值—— 以后它永远是 0。两件事同时成立,正是「逐点收敛推不出积分收敛」。

例 2:高度长得慢一点,结论就对了

把高度从 改成

  • 逐点:对 后 又 所以处处
  • 积分:

这一次「先积分再取极限」和「先取极限再积分」都是 0。可见逐点收敛有时能保住质量,有时不能;本页只是说「仅凭逐点收敛不够」,并不是说它总会失败。反过来,高度改成 时,质量不但没保住,积分还跑到了无穷。

例 3:质量也可以「横着」跑掉

在 上令 一块宽 1、高 1 的方块,每一步向右挪 1。

  • 逐点:固定 只要 就在方块左边,所以 处处成立。
  • 积分:恒为 1。

尖峰是质量竖着挤到一个点上,这里是质量横着跑到无穷远。两个例子都不单调,MCT 都不适用。这个例子在 第 46 页 还会出现:它说明有界收敛定理必须要求测度有限。

例 4:概率里的尖峰——一张「彩票」

在概率空间 上,把 看成一次抽签抽到的点。第 期的规则: 落在 里就得 元,否则得 0 元。即

  • 期望:每一期都是 1 元。
  • 对每个 从 那一期起 而 不在任何 里,每期都是 0。所以不管抽到哪个点,最终都再也拿不到钱:极限

每期的期望都是 1,极限的期望却是 0。在概率里这提醒我们: 并不自动给出 需要单调、控制或有界这类额外条件(第 36 页、第 44 页、第 46 页)。

推导:一步一步来

推导证明思路

分别算出两个数:「先积分再取极限」得 1,「先取极限再积分」得 0。再指出这列函数不单调,所以和 MCT 不矛盾。

第 1 步:逐点极限。 取板书的

  • 设 取正整数 当 时 所以 于是
  • 时
  • 所以极限函数 在 上等于 0,在点 处等于

第 2 步:极限函数的积分是 0。 任取台阶 在 处只能是 0,在点 0 处是某个有限值 所以 所有台阶的积分都是 0,上确界 (与 第 33 页 例 4 相同)。

第 3 步:每个 的积分是 1。 见板书第 5 行的三个等号。

第 4 步:比较两个顺序。

第 5 步:为什么和 MCT 不矛盾。 MCT 要求 处处成立。取 而 所以 单调性在这一段上失败。条件不满足,MCT 什么也没断言,没有矛盾。

第 6 步:质量只丢失、没有凭空增加。 这里 极限函数的积分偏小。对非负函数,这个方向不是偶然的——第 41 页 的 Fatou 引理会证明:非负函数列的下极限的积分,永远不超过积分的下极限。质量可以在极限中丢失,但不会凭空多出来。

常见疑问与易错点

易错点问:函数在每一点都趋于 0 了,面积为什么不趋于 0?

答:因为「每一点都趋于 0」允许不同的点在不同的时刻变成 0。任何时刻 区间 上的点都还没变成 0,而且那里的高度是 宽 高 面积由「还没变成 0 的那一小块」扛着,这一块越来越窄,却越来越高,面积始终不变。

易错点问:这个反例和 MCT 矛盾吗?

答:不矛盾。MCT 要求逐点递增,而尖峰不是递增的(推导第 5 步)。MCT 在这里根本不适用。反例恰好说明 MCT 的单调性条件是必要的,不能省略。

易错点问:板书写的「fₙ → 0 p.w.」对吗?

答:差一个点。按老师的写法 在 处 应说「在 上逐点收敛到 0」,或者把区间改成 这一点的长度是 0,不影响任何积分,所以结论 完全成立。

易错点问:有正有负的函数也会「丢质量」吗?会不会反过来「多出质量」?

答:会多出来。取 它逐点趋于 0,但 (按 第 33 页 板书的「正部减负部」)。于是 方向和尖峰相反。这就是为什么 Fatou 引理(第 41 页)一定要求非负:只有非负时,才能保证「极限的积分不超过积分的极限」这一个方向。

易错点问:那到底在什么条件下才能交换极限和积分?

答:本讲给了三个充分条件:函数非负且单调递增(MCT,第 36 页);被同一个可积函数控制(DCT,第 44 页);测度有限且函数一致有界(BCT,第 46 页)。尖峰三个条件都不满足:不单调; 的测度虽然有限,但高度 不是一致有界;也找不到可积的控制函数(第 47 页 自测第 2 题算过)。

小结与自测

小结本页小结
  • 去掉单调性,逐点收敛推不出积分收敛:
  • 反例(尖峰): 上 每个积分都是 1,逐点极限(点 0 除外)是 0,于是
  • 板书小疏漏: 处 应说「在 上」收敛,或把区间改成 不影响结论。
  • 质量可以竖着挤到一个点(尖峰),也可以横着跑到无穷远(
  • 对非负函数,极限只会「丢质量」,这就是下两页 Fatou 引理的不等号方向。
自测

1. 在 上,求逐点极限和

点开看答案

逐点极限:对 后 又 所以处处趋于 0,积分 两种顺序的结果分别是 和 0。

2. 判断:「若非负可测函数 逐点收敛到 并且每个 则

点开看答案

错误。尖峰就是反例:每个 但 (由 Fatou 引理,能说的只有 见 第 41 页。)

3. 尖峰 为什么不满足 MCT 的条件?请在 处具体说明。

点开看答案

MCT 要求每个点上 在 处,(因为 不在 里)。从 3 掉到 0,数列不是递增的,所以 MCT 的条件不满足。

本页术语中英对照(按出现顺序)
中文English白话解释
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。
函数function / mapf: A → B 给 A 中每个元素指定 B 中唯一一个元素。
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。
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」。
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)。
下确界infimum (inf)最大的下界。例如 (0,1] 没有最小值,但下确界是 0。
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。
可积integrable (L¹)∫|f| dμ < ∞。全体可积函数记作 L¹(μ)。
博雷尔 σ-代数Borel sigma-algebra由实数轴上所有开区间生成的 σ-代数 𝓑(ℝ),包含所有常见的集合。
区间interval数轴上的一段,[a,b] 包含端点,(a,b) 不包含端点。
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。
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。
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。
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。
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。
几乎处处almost everywhere (a.e.)除了一个测度为 0 的集合之外都成立;零测集上的值不影响积分。
集合set把一些对象放在一起当成一个整体,例如 {1,2,3}。
当且仅当if and only if (iff)「A 当且仅当 B」:A 成立就一定有 B,B 成立也一定有 A,两者同真同假,记作 A ⟺ B。
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。
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。
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。
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」。
正部positive / negative partf⁺ = max(f, 0),f⁻ = max(−f, 0),f = f⁺ − f⁻,|f| = f⁺ + f⁻。
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。
一致有界uniformly bounded存在同一个常数 M,使所有 n、所有点 x 都有 |fₙ(x)| ≤ M。「一致」是指一个 M 管住整列函数。
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。