现代概率论01:可测空间和可测映射(1)
作者:互联网
第一讲 可测空间和可测映射(1)
1.1 集合及其运算
1.1.1 集合及其运算
集合的基本概念:
-
任意一个非空集合 \(X\) 称为全空间,\(X\) 的子集 \(A,B,\cdots\) 等称为全空间 \(X\) 的集合。
-
定义集合 \(A\) 的示性函数:
\[I_A(x)=\left\{\begin{array}{ll} 1 , & x\in A, \\ 0 , & x\not\in A. \end{array}\right. \] -
集合 \(A^c\equiv\{x:x\not\in A\}\) 称为集合 \(A\) 的余集。
-
如果 \(x\in A \ \Longrightarrow\ x\in B\) ,则称集合 \(A\) 是 \(B\) 的子集,记作 \(A\subset B\) 。
-
如果 \(A\sub B\) 且 \(B\sub A\) ,则称集合 \(A\) 与 \(B\) 相等,记作 \(A=B\) 。
集合的运算:
- 并集:\(A\cup B=\{x:x\in A\vee x\in B\}\) 。
- 交集:\(A\cap B=\{x:x\in A\wedge x\in B\}\) 。
- 差集:\(A\setminus B=\{x:x\in A\wedge x\not\in B\}\) 。
- 对称差集:\(A\bigtriangleup B=(A\setminus B)\cup(B\setminus A)\) 。
- 如果 \(B\sub A\) ,则记 \(A\setminus B=A-B\) ,称为集合 \(A\) 和 \(B\) 的真差。
- 如果 \(A\) 和 \(B\) 满足 \(A\cap B=\varnothing\) ,则称集合 \(A\) 和 \(B\) 不交。
集合的运算律:
-
交换律:
\[A\cup B=B\cup A ,\quad A\cap B=B\cap A. \] -
结合律:
\[\begin{aligned} &A\cup(B\cup C)=(A\cup B)\cup C , \\ \\ &A\cap(B\cap C)=(A\cap B)\cap C. \end{aligned} \] -
分配律:
\[\begin{aligned} &(A\cup B)\cap C=(A\cap C)\cup(B\cap C), \\ \\ &(A\cap B)\cup C=(A\cup C)\cap(B\cup C). \end{aligned} \] -
De-Morgan 律:
\[(A\cup B)^c=A^c\cap B^c ,\quad (A\cap B)^c=A^c\cup B^c. \]
1.1.2 集合族和集合序列
集合族的运算及运算律:
-
设 \(\{A_t:t\in T\}\) 表示一族集合,其中 \(T\) 为指标集,定义
\[\begin{aligned} &\bigcup_{t\in T}A_t=\left\{x:\exists t\in T,\text{ s.t. } x\in A_t\right\}, \\ \\ &\bigcap_{t\in T}A_t=\left\{x:\forall t\in T,\ x\in A_t\right\}. \end{aligned} \] -
如果对 \(\forall s,t\in T\) ,均有 \(A_s\cap A_t=\varnothing\) ,则称 \(\{A_t:t\in T\}\) 是两两不交的。
-
推广的 De-Morgan 律:
\[\left(\bigcup_{t\in T}A_t\right)^c=\bigcap_{t\in T}A_t^c, \quad \left(\bigcap_{t\in T}A_t\right)^c=\bigcup_{t\in T}A_t^c. \]
集合序列的极限:
-
设 \(\{A_n:n\geq1\}\) 为一个集合序列,如果对 \(\forall n\geq1\) ,有 \(A_n\subset A_{n+1}\) ,则称 \(A_n\) 是单调增的,记为 \(A_n\uparrow\) ,并定义 \(A_n\) 的极限为
\[\lim_{n\to\infty}A_n=\bigcup_{n=1}^\infty A_n. \] -
设 \(\{A_n:n\geq1\}\) 为一个集合序列,如果对 \(\forall n\geq1\) ,有 \(A_n\supset A_{n+1}\) ,则称 \(A_n\) 是单调减的,记为 \(A_n\downarrow\) ,并定义 \(A_n\) 的极限为
\[\lim_{n\to\infty}A_n=\bigcap_{n=1}^\infty A_n. \] -
注意:单调增和单调减的集合序列统称为单调序列,因此单调序列总有极限。
集合序列的上下极限:
-
对于任意给定的一个集合序列 \(\{A_n:n\geq1\}\) ,注意到
\[\bigcap_{k=n}^\infty A_k \uparrow ,\quad \bigcup_{k=n}^\infty A_k \downarrow. \] -
定义 \(A_n\) 的下极限为
\[\liminf_{n\to\infty}A_n\equiv\bigcup_{n=1}^\infty\bigcap_{k=n}^\infty A_n. \] -
定义 \(A_n\) 的上极限为
\[\limsup_{n\to\infty}A_n\equiv\bigcap_{n=1}^\infty\bigcup_{k=n}^\infty A_n. \]
上下极限的关系:
-
若 \(x\in\displaystyle\limsup_{n\to\infty}A_n\) ,则表明 \(x\) 属于 \(\{A_n:n\geq1\}\) 中的无穷多个集合。
-
若 \(x\in\displaystyle\liminf_{n\to\infty}A_n\) ,则表明 \(x\) 属于 \(\{A_n:n\geq1\}\) 中除去有限个集合外的其余集合。
-
所以总有 \(\displaystyle\liminf_{n\to\infty}A_n\subset \limsup_{n\to\infty}A_n\) 。
-
如果 \(\displaystyle\liminf_{n\to\infty}A_n=\limsup_{n\to\infty}A_n\) ,则称 \(\{A_n:n\geq1\}\) 的极限存在,记为 \(\displaystyle\lim_{n\to\infty}A_n\) 。
1.2 集合系
集合系:以全空间 \(X\) 中的一些集合为元素组成的集合称为 \(X\) 上的集合系,一般用 \(\mathcal{A},\mathcal{B},\cdots\) 表示。
1.2.1 关于有限运算的集合系
(1) \(\pi\) 系:如果 \(X\) 上的非空集合系 \(\mathcal{P}\) 关于交运算封闭,即
\[A,B\in\mathcal{P} \quad \Longrightarrow \quad A\cap B\in\mathcal{P}, \]则称 \(\mathcal{P}\) 为 \(\pi\) 系。
例1. 对 \(\forall a\in\mathbb{R}\) ,定义 \((-\infty,a]=\{x\in\mathbb{R}:-\infty<x\leq a\}\) ,设集合系
\[\mathcal{P}_\mathbb{R}\equiv\left\{(-\infty,a]:a\in\mathbb{R}\right\}, \]则 \(\mathcal{P}_\mathbb{R}\) 关于有限交运算封闭,故 \(\mathcal{P}_\mathbb{R}\) 为 \(\mathbb{R}\) 上的 \(\pi\) 系。
(2) 半环:若集合系 \(\mathcal{Q}\) 为 \(\pi\) 系,且满足以下条件:对 \(\forall A,B\in\mathcal{Q}\) ,且 \(B\subset A\) ,存在有限个两两不交的 \(\{C_k\in\mathcal{Q},k=1,2,\cdots,n\}\) ,使得
\[A\setminus B=\bigcup_{k=1}^nC_k, \]则称 \(\mathcal{Q}\) 为半环。
由定义可以看出,半环满足两个条件:关于交运算封闭,真差可以表示为有限个集合的并。
例2. 对 \(\forall a,b\in\mathbb{R}\) ,定义 \((-a,b]=\{x\in\mathbb{R}:a<x\leq b\}\) ,设集合系
\[\mathcal{Q}_\mathbb{R}\equiv\left\{(a,b]:a,b\in\mathbb{R}\right\}, \]易证 \(\mathcal{Q}_\mathbb{R}\) 关于有限交运算封闭,即 \(\mathcal{Q}_\mathbb{R}\) 为 \(\mathbb{R}\) 上的 \(\pi\) 系。
对 \(\forall(a,b],(c,d]\in\mathcal{Q}_\mathbb{R}\) 且 \((c,d]\subset(a,b]\) ,注意到
\[(a,b]-(c,d]=(a,c]\cup(b,d], \]所以真差可以表示为 \(\mathcal{Q}_\mathbb{R}\) 中有限个集合的并。因此 \(\mathcal{Q}_\mathbb{R}\) 为 \(\mathbb{R}\) 上的半环。
(3) 环:如果非空集合系 \(\mathcal{R}\) 关于并运算和差运算封闭,即
\[A,B\in\mathcal{R} \quad \Longrightarrow \quad A\cup B\in\mathcal{R}, \quad A\setminus B\in\mathcal{R}, \]则称 \(\mathcal{R}\) 为环。
例3. 设集合系
\[\mathcal{R}_\mathbb{R}\equiv\bigcup_{n=1}^\infty\left\{\bigcup_{k=1}^n(a_k,b_k]:a_k,b_k\in\mathbb{R}\right\}=\left\{\bigcup_{k=1}^n(a_k,b_k]:\exists n \geq1,\ a_k,b_k\in\mathbb{R}\right\}, \]易证 \(\mathcal{R}_\mathbb{R}\) 为 \(\mathbb{R}\) 上的环。
(4) 域(代数):满足下列条件的 \(\pi\) 系 \(\mathcal{A}\) 称为域:
\[X\in\mathcal{A} ; \quad A\in\mathcal{A}\quad \Longrightarrow \quad A^c\in\mathcal{A}. \]由定义可以看出,域满足三个条件:包含全空间,关于交运算封闭,关于余运算封闭。
易证域关于并运算封闭:
\[A,B\in\mathcal{A} \quad \Longrightarrow\quad A\cup B=(A^c\cap B^c)^c\in\mathcal{A}. \]域的等价定义:若集合系 \(\mathcal{A}\) 满足以下条件:
\[\begin{aligned} &X\in\mathcal{A}; \\ \\ &A\in\mathcal{A} \quad \Longrightarrow \quad A^c\in\mathcal{A}; \\ \\ &A,B\in\mathcal{A} \quad \Longrightarrow \quad A\cup B\in\mathcal{A}, \end{aligned} \]则称 \(\mathcal{A}\) 为域。可以证明 \(A,B\in\mathcal{A} \ \ \Longrightarrow \ \ A\cap B\in\mathcal{A}\) 。
命题 1.2.1:半环必是 \(\pi\) 系,环必是半环,域必是环。
(1) 显然
(2) 设 \(\mathcal{R}\) 为环,则 \(\mathcal{R}\) 非空,环关于差运算封闭,故关于真差封闭。只需证 \(\mathcal{R}\) 关于交运算封闭。
由 \(\mathcal{R}\) 为环可知:
\[\begin{aligned} A,B\in\mathcal{R}&\quad \Longrightarrow \quad A\cup B\in\mathcal{R},\quad A\setminus B\in\mathcal{R} ,\quad B\setminus A\in\mathcal{R} \\ \\ &\quad \Longrightarrow \quad A\cap B=\left(A\cup B\right)-\left[(A\setminus B)\cup(B\setminus A)\right] \in\mathcal{R}. \end{aligned} \]所以 \(\mathcal{R}\) 为半环。
(3) 设 \(\mathcal{A}\) 为域,则 \(\mathcal{A}\) 非空。由域的等价定义可知
\[\begin{aligned} &A,B\in\mathcal{A} \quad \Longrightarrow \quad A\cup B=(A^c\cap B^c)^c\in\mathcal{A} , \\ \\ &A,B\in\mathcal{A} \quad \Longrightarrow \quad A\setminus B=A\cap B^c\in\mathcal{A} , \end{aligned} \]所以 \(\mathcal{A}\) 为环。
1.2.2 关于可列运算的集合系
(5) 单调系:若集合系 \(\mathcal{M}\) 中的任何单调序列 \(\{A_n,n\geq1\}\) 均有极限 \(\displaystyle\lim_{n\to\infty}A_n\in\mathcal{M}\) ,则称 \(\mathcal{M}\) 为单调系。
(6) \(\lambda\) 系: 集合系 \(\mathcal{L}\) 称为 \(\lambda\) 系,如果它满足下列条件:
\[\begin{aligned} &X\in\mathcal{L}; \\ \\ &A,B\in\mathcal{L} ,\quad B\subset A \quad \Longrightarrow \quad A-B\in\mathcal{L}; \\ \\ &A_n\in\mathcal{L} ,\quad n\ge1 ,\quad A_n\uparrow \quad \Longrightarrow \quad \lim_{n\to\infty}A_n=\bigcup_{n=1}^\infty A_n\in \mathcal{L}. \end{aligned} \]由定义可以证明,\(\lambda\) 系还满足
\[\begin{aligned} &A^c=X-A\in\mathcal{L}; \\ \\ &A_n\in\mathcal{L} ,\quad n\ge1 ,\quad A_n\downarrow \quad \Longrightarrow \quad \lim_{n\to\infty}A_n=\bigcap_{n=1}^\infty A_n=\left(\bigcup_{n=1}^\infty A_n^c\right)^c\in \mathcal{L}. \end{aligned} \](7) \(\sigma\) 域(\(\sigma\) 代数):集合系 \(\mathcal{F}\) 称为 \(\sigma\) 域,如果它满足下列条件:
\[\begin{aligned} &X\in\mathcal{F}; \\ \\ &A\in\mathcal{F} \quad \Longrightarrow \quad A^c\in\mathcal{F}; \\ \\ &A_n\in\mathcal{F},\quad n\geq1 \quad \Longrightarrow \quad \bigcup_{n=1}^\infty A_n\in \mathcal{F}. \end{aligned} \]注意:全空间 \(X\) 上最小的 \(\sigma\) 域为 \(\{\varnothing,X\}\) ,最大的 \(\sigma\) 域为 \(\mathcal{T}\equiv\{A:A\subset X\}\) 。
由定义可以证明,\(\sigma\) 域关于可列并、有限并、可列交、有限交均封闭,因此 \(\sigma\) 域必是域。
命题 1.2.2:\(\lambda\) 系必是单调系,\(\sigma\) 域必是 \(\lambda\) 系。
(1) 设 \(\mathcal{L}\) 为 \(\lambda\) 系,则 \(\mathcal{L}\) 关于单调增序列的极限封闭。只需证 \(\mathcal{L}\) 关于单调减序列的极限封闭。
设 \(A_n\in\mathcal{L},n\geq1\) 且 \(A_n\downarrow\) ,则有 \(A_n^c\in\mathcal{L},n\geq1\) 且 \(A_n^c\uparrow\) ,所以
\[\lim_{n\to\infty}A_n=\bigcap_{n=1}^\infty A_n=\left(\bigcup_{n=1}^\infty A_n^c\right)^c\in \mathcal{L}. \]所以 \(\mathcal{L}\) 是单调系。
(2) 设 \(\mathcal{F}\) 为 \(\sigma\) 域,则显然满足 \(X\in\mathcal{F}\) ,下面证明 \(\mathcal{F}\) 关于真差和单调增序列的极限封闭:
\[\begin{aligned} &A,B\in\mathcal{F} ,\quad B\subset A \quad \Longrightarrow \quad A-B=A\cap B^c\in\mathcal{F}; \\ \\ &A_n\in\mathcal{F},\quad n\geq1 ,\quad A_n\uparrow \quad \Longrightarrow \quad \lim_{n\to\infty}A_n=\bigcup_{n=1}^\infty A_n\in \mathcal{F}. \end{aligned} \]所以 \(\mathcal{F}\) 是 \(\lambda\) 系。
1.2.3 可测空间
总结以上定义的七个集合系之间由宽松到严紧的顺序如下所示:
- \(\sigma\) 域 \(\subset\) 域 \(\subset\) 环 \(\subset\) 半环 \(\subset\) \(\pi\) 系;
- \(\sigma\) 域 \(\subset\) \(\lambda\) 系 \(\subset\) 单调系。
可测空间:非空集合 \(X\) 和它上的 \(\sigma\) 域 \(\mathcal{F}\) 写成的 \((X,\mathcal{F})\) 称为可测空间,\(\mathcal{F}\) 中的元素称为可测集。
下面我们讨论什么时候的其他集合系可以成为 \(\sigma\) 域,有如下两个命题。
命题 1.2.3:一个既是单调系又是域的集合系必是 \(\sigma\) 域。
设 \(\mathcal{F}\) 既是单调系又是域。由于 \(\mathcal{F}\) 是域,所以
\[\begin{aligned} &X\in\mathcal{F}; \\ \\ &A\in\mathcal{F} \quad \Longrightarrow \quad A^c\in\mathcal{F}, \end{aligned} \]且 \(\mathcal{F}\) 关于有限并是封闭的。又由于 \(\mathcal{F}\) 是单调系,故 \(\mathcal{F}\) 关于单调升序列的极限也是封闭的,所以
\[\begin{aligned} A_n\in\mathcal{F} ,\quad n\geq1 &\quad\Longrightarrow\quad \bigcup_{k=1}^nA_k\in\mathcal{F} ,\quad n\geq1 \\ \\ &\quad\Longrightarrow\quad \bigcup_{n=1}^\infty A_n= \bigcup_{n=1}^\infty\bigcup_{k=1}^nA_k=\lim_{n\to\infty}\bigcup_{k=1}^nA_k \in\mathcal{F}. \end{aligned} \]所以 \(\mathcal{F}\) 是 \(\sigma\) 域。
命题 1.2.4:一个既是 \(\lambda\) 系又是 \(\pi\) 系的集合系必是 \(\sigma\) 域。
设 \(\mathcal{F}\) 既是 \(\lambda\) 系又是 \(\pi\) 系。由于 \(\mathcal{F}\) 是 \(\lambda\) 系,所以
\[\begin{aligned} &X\in\mathcal{F}; \\ \\ &A\in\mathcal{F} \quad \Longrightarrow \quad A^c\in\mathcal{F}, \end{aligned} \]由此两条结论加上 \(\mathcal{F}\) 是 \(\pi\) 系,可知 \(\mathcal{F}\) 是域。
此外,由 \(\mathcal{F}\) 是 \(\lambda\) 系可知 \(\mathcal{F}\) 为单调系。所以由命题 1.2.3 可知 \(\mathcal{F}\) 是 \(\sigma\) 域。
(8) \(\sigma\) 环:称非空集合系 \(\mathcal{R}\) 是一个 \(\sigma\) 环,如果
\[\begin{aligned} &A,B\in\mathcal{R} \quad \Longrightarrow \quad A\setminus B\in\mathcal{R}; \\ \\ &A_n\in\mathcal{R} \quad n\geq1 \quad \Longrightarrow \quad \bigcup_{n=1}^\infty A_n\in\mathcal{R}. \end{aligned} \]由定义可以看出,对可列并运算封闭的环是 \(\sigma\) 环,包含全空间 \(X\) 的 \(\sigma\) 环是 \(\sigma\) 域。
1.3 \(\sigma\) 域的生成
这一节我们讨论如何由简单的集合系生成复杂的集合系的问题。
定义 1.3.1:称 \(\mathcal{S}\) 为由集合系 \(\mathcal{E}\) 生成的环(或单调系,或 \(\lambda\) 系,或 \(\sigma\) 域),如果下列条件被满足:
- \(\mathcal{S}\supset \mathcal{E}\) ;
- 对任一环(或单调系,或 \(\lambda\) 系,或 \(\sigma\) 域)\(\mathcal{S}'\) ,均有 \(\mathcal{S}'\supset\mathcal{E}\ \ \Longrightarrow \ \ \mathcal{S}'\supset\mathcal{S}\) 。
注意:由集合系 \(\mathcal{E}\) 生成的环(或单调系,或 \(\lambda\) 系,或 \(\sigma\) 域)就是包含 \(\mathcal{E}\) 的最小的环(或单调系,或 \(\lambda\) 系,或 \(\sigma\) 域)。
我们将由集合系 \(\mathcal{E}\) 生成的环(或单调系,或 \(\lambda\) 系,或 \(\sigma\) 域)记为:
- \(r(\mathcal{E})\) :由 \(\mathcal{E}\) 生成的环;
- \(m(\mathcal{E})\) :由 \(\mathcal{E}\) 生成的单调系;
- \(l(\mathcal{E})\) :由 \(\mathcal{E}\) 生成的 \(\lambda\) 系;
- \(\sigma(\mathcal{E})\) :由 \(\mathcal{E}\) 生成的 \(\sigma\) 域。
命题 1.3.1:由任意集合系 \(\mathcal{E}\) 生成的环、单调系、\(\lambda\) 系和 \(\sigma\) 域均存在。
只证明环的情况。记 \(\mathcal{T}=\{A:A\subset X\}\) ,则 \(\mathcal{T}\) 是一个 \(\sigma\) 域,进而 \(\mathcal{T}\) 是环。
记 \(\mathbf{B}\) 为包含集合系 \(\mathcal{E}\) 的环的全体,则有 \(\mathcal{T}\in\mathbf{B}\) ,故 \(\mathbf{B}\) 非空。
记 \(\mathcal{S}\equiv\displaystyle\bigcap_{\mathcal{A}\in\mathbf{B}}\mathcal{A}\) ,则 \(\mathcal{S}\) 仍是环:
\[\begin{aligned} A_1,A_2\in\mathcal{S} & \quad\Longrightarrow\quad \forall\mathcal{A}\in\mathbf{B},\ \ A_1,A_2\in \mathcal{A} \\ \\ & \quad\Longrightarrow\quad A_1\cup A_2\in\mathcal{A} \ , \quad A_1\setminus A_2 \in\mathcal{A} \\ \\ & \quad\Longrightarrow\quad A_1\cup A_2\in \bigcap_{\mathcal{A}\in\mathbf{B}}\mathcal{A}=\mathcal{S} , \quad A_1\setminus A_2\in \bigcap_{\mathcal{A}\in\mathbf{B}}\mathcal{A}=\mathcal{S}. \end{aligned} \]因为 \(\mathbf{B}\) 为包含集合系 \(\mathcal{E}\) 的环的全体,所以对 \(\forall\mathcal{A}\in\mathbf{B}\) ,均有 \(\mathcal{E}\subset \mathcal{A}\) ,所以
\[\mathcal{E}\subset \displaystyle\bigcap_{\mathcal{A}\in\mathbf{B}}\mathcal{A}=\mathcal{S}. \]由 \(\mathcal{S}\) 的定义可知,对 \(\forall \mathcal{A}'\in\mathbf{B}\) ,均有
\[\mathcal{S}=\bigcap_{\mathcal{A}\in\mathbf{B}}\mathcal{A}\subset \mathcal{A}'. \]所以 \(\mathcal{S}\) 是由 \(\mathcal{E}\) 生成的环。
定理 1.3.2:如果 \(\mathcal{Q}\) 是半环,则
\[r(\mathcal{Q})=\bigcup_{n=1}^\infty\left\{\bigcup_{k=1}^nA_k:\{A_k\in\mathcal{Q},k=1,2,\cdots,n\}\text{ 两两不交}\right\}. \]记等号右边的集合为 \((\mathrm{R})\) ,先证 \((\mathrm{R})\subset r(\mathcal{Q})\) 。考虑 \((\mathrm{R})\) 中任意元素:
\[\begin{aligned} \bigcup_{k=1}^nA_k\in({\rm R})\quad &\Longrightarrow\quad A_k\in\mathcal{Q},\quad k=1,2,\cdots,n, \\ \\ &\Longrightarrow \quad A_k\in r(\mathcal{Q}),\quad k=1,2,\cdots,n , \\ \\ &\Longrightarrow \quad \bigcup_{k=1}^nA_k\in r(\mathcal{Q}). \end{aligned} \]其中,第三行是由于环关于有限并运算是封闭的。所以 \((\mathrm{R})\subset r(\mathcal{Q})\) 。
下证 \(r(\mathcal{Q})\subset(\mathrm{R})\) 。
因为 \(A\in\mathcal{Q}\ \ \Longrightarrow\ \ A\in(\mathrm{R})\) ,所以 \(\mathcal{Q}\subset(\mathrm{R})\) 。由于 \(r(\mathcal{Q})\) 是包含 \(\mathcal{Q}\) 的最小的环,故只需证 \((\mathrm{R})\) 是一个环。
设 \(A,B\in({\rm R})\) ,则存在 \(\{A_i\in\mathcal{Q},i=1,2,\cdots,n\}\) 两两不交和 \(\{B_j\in\mathcal{Q},j=1,2,\cdots,m\}\) 两两不交,使得
\[A=\bigcup_{i=1}^nA_i,\quad B=\bigcup_{j=1}^mB_j. \]因为 \(\mathcal{Q}\) 是半环,所以对每一对 \((i,j)\) ,存在 \(\{C_l^{ij}\in\mathcal{Q},l=1,2,\cdots,k_{ij}\}\) 两两不交,使得
\[A_i\setminus B_j=A_i-(A_i\cap B_j)=\bigcup_{l=1}^{k_{ij}}C_l^{ij}. \]把 \(A\setminus B\) 写成 \(\mathcal{Q}\) 中有限个两两不交的集合的并:
\[\begin{aligned} A\setminus B&=A\cap B^c=\bigcup_{i=1}^n(A_i\cap B^c)=\bigcup_{i=1}^n\bigcap_{j=1}^m(A_i\cap B_j^c) \\ \\ &=\bigcup_{i=1}^n\bigcap_{j=1}^m(A_i\setminus B_j)= \bigcup_{i=1}^n\bigcap_{j=1}^m\bigcup_{l=1}^{k_{ij}}C_l^{ij} \\ \\ &=\bigcup_{i=1}^n \bigcup_{\begin{array}{c}l_1=1,2,\cdots,k_{i1} \\ \vdots \\ l_m=1,2,\cdots,k_{im} \end{array}}\left(C_{l_1}^{i1}\cap C_{l_2}^{i2}\cap\cdots\cap C_{l_m}^{im}\right). \end{aligned} \]易知,有 \(\left(C_{l_1}^{i1}\cap C_{l_2}^{i2}\cap\cdots\cap C_{l_m}^{im}\right)\in\mathcal{Q},\ i=1,2,\cdots,n,\ l_1=1,2,\cdots,k_{i1},\cdots,l_m=1,2,\cdots,k_{im}\) ,且两两不交。所以 \(A\setminus B\in({\rm R})\) 。
把 \(A\cup B\) 写成 \(\mathcal{Q}\) 中有限个两两不交的集合的并:
\[A\cup B=B\cup (A\setminus B)=\left(\bigcup_{j=1}^mB_j\right)\cup\left(\bigcup_{\begin{array}{c}l_1=1,2,\cdots,k_{i1} \\ \vdots \\ l_m=1,2,\cdots,k_{im} \end{array}}\left(C_{l_1}^{i1}\cap C_{l_2}^{i2}\cap\cdots\cap C_{l_m}^{im}\right)\right). \]易知,有 \(\left(C_{l_1}^{i1}\cap C_{l_2}^{i2}\cap\cdots\cap C_{l_m}^{im}\right)\in\mathcal{Q},\ i=1,2,\cdots,n,\ l_1=1,2,\cdots,k_{i1},\cdots,l_m=1,2,\cdots,k_{im}\) ,以及 \(B_j\in\mathcal{Q}\ j=1,2,\cdots,m\) ,且两两不交。所以 \(A\cup B\in({\rm R})\) 。
所以 \({\rm R}\) 是一个环。证毕。
定理 1.3.3:若 \(\mathcal{A}\) 是域,则 \(\sigma(\mathcal{A})=m(\mathcal{A})\) 。
先证 \(m(\mathcal{A})\subset \sigma(\mathcal{A})\) 。
因为 \(\sigma\) 域是单调系,所以 \(\sigma(\mathcal{A})\) 是一个包含 \(\mathcal{A}\) 的单调系,所以 \(m(\mathcal{A})\subset\sigma(\mathcal{A})\) 。
下证 \(\sigma(\mathcal{A})\subset m(\mathcal{A})\) 。
由命题 1.2.3 可知,只需证 \(m(\mathcal{A})\) 是域。因为 \(X\in\mathcal{A}\) ,故只需证 \(m(\mathcal{A})\) 为环。
对 \(\forall A\in\mathcal{A}\) ,令 \(\mathcal{G}_A=\{B:B,A\cup B,A\setminus B\in m(\mathcal{A})\}\) ,则 \(\mathcal{G}_A\) 为单调系,且 \(\mathcal{A}\subset \mathcal{G}_A\) 。
验证 \(\mathcal{G}_A\) 为单调系:设 \(B_n\uparrow,\ B_n\in\mathcal{G}_A,\ n\geq1\) ,则有
(1) \(\displaystyle\bigcup_{n=1}^\infty B_n\in m(\mathcal{A})\) 。原因:\(B_n\in m(\mathcal{A}),\ B_n\uparrow\) 且 \(m(\mathcal{A})\) 是单调系。
(2) \(\displaystyle A\cup \left(\bigcup_{n=1}^\infty B_n\right)\in m(\mathcal{A})\) 。原因:\(A\cup B_n\in m(\mathcal{A}),\ A\cup B_n\uparrow\) 且 \(m(\mathcal{A})\) 是单调系。
(3) \(\displaystyle A\setminus \left(\bigcup_{n=1}^\infty B_n\right)=\bigcap_{n=1}^\infty\left(A\cap B_n^c\right)\in m(\mathcal{A})\) 。原因:\(A\cup B_n\in m(\mathcal{A}),\ A\cup B_n\downarrow\) 且 \(m(\mathcal{A})\) 是单调系。
所以 \(\displaystyle\bigcup_{n=1}^\infty B_n\in\mathcal{G}_A\) 。同理可知,设 \(B_n\downarrow,\ B_n\in\mathcal{G}_A,\ n\geq1\) ,则有 \(\displaystyle\bigcap_{n=1}^\infty B_n\in\mathcal{G}_A\) 。
所以 \(\mathcal{G}_A\) 是单调系。
验证 \(\mathcal{A}\subset \mathcal{G}_A\) :设 \(B\in\mathcal{A}\) ,则
\[(A\cup B)\in\mathcal{A}\subset m(\mathcal{A}),\quad A\setminus B=A\cap B^c\in\mathcal{A}\subset m(\mathcal{A}), \]由 \(\mathcal{G}_A\) 的定义可知 \(B\in\mathcal{G}_A\) ,所以 \(\mathcal{A}\subset \mathcal{G}_A\) 。
由于 \(m(\mathcal{A})\) 是包含 \(\mathcal{A}\) 的最小的单调系,所以 \(m(\mathcal{A})\subset \mathcal{G}_A\) ,这表明
\[A\in\mathcal{A},\quad B\in m(\mathcal{A}) \quad \Longrightarrow \quad B\in\mathcal{G}_A \quad \Longrightarrow \quad A\cup B,A\setminus B\in m(\mathcal{A}). \]同理,对 \(\forall B\in m(\mathcal{A})\) ,令 \(\mathcal{H}_B=\{A:A,A\cup B,A\setminus B\in m(\mathcal{A})\}\) ,则 \(\mathcal{H}_B\) 为单调系,且 \(\mathcal{A}\subset \mathcal{H}_B\) 。
验证 \(\mathcal{A}\subset \mathcal{H}_B\) :设 \(A\in\mathcal{A}\subset m(\mathcal{A})\) ,由已证结论可知 \(A\cup B,A\setminus B\in m(\mathcal{A})\) 。
由 \(\mathcal{H}_B\) 的定义知 \(A\in\mathcal{H}_B\) ,所以 \(\mathcal{A}\subset \mathcal{H}_B\) 。
再由于 \(m(\mathcal{A})\) 是包含 \(\mathcal{A}\) 的最小的单调系,所以 \(m(\mathcal{A})\subset\mathcal{H}_B\) ,这表明
\[A,B\in m(\mathcal{A}) \quad \Longrightarrow \quad A\in\mathcal{H}_B \quad \Longrightarrow \quad A\cup B\in m(\mathcal{A}),\quad A\setminus B\in m(\mathcal{A}). \]所以 \(m(\mathcal{A})\) 是一个环。证毕。
推论 1.3.4:若 \(\mathcal{A}\) 是域,\(\mathcal{M}\) 是单调系,则 \(\mathcal{A}\subset\mathcal{M}\ \ \Longrightarrow \ \ \sigma(\mathcal{A})=m(\mathcal{A})\subset \mathcal{M}\) 。
定理 1.3.5:若 \(\mathcal{P}\) 是 \(\pi\) 系,则 \(\sigma(\mathcal{P})=l(\mathcal{P})\) 。
因为 \(\sigma\) 域是 \(\lambda\) 系,所以 \(l(\mathcal{P})\subset\sigma(\mathcal{P})\) 。下证 \(\sigma(\mathcal{P})\subset l(\mathcal{P})\) ,只需证 \(l(\mathcal{P})\) 是 \(\sigma\) 域。
又命题 1.2.4 可知,只需证 \(l(\mathcal{P})\) 是 \(\pi\) 系。
对 \(\forall A\in\mathcal{P}\) ,令 \(\mathcal{G}_A=\{B:B,A\cap B\in l(\mathcal{P})\}\) ,则 \(\mathcal{G}_A\) 是 \(\lambda\) 系,且 \(\mathcal{P}\subset \mathcal{G}_A\) 。
验证 \(\mathcal{G}_A\) 是 \(\lambda\) 系:
(1) 因为 \(X\in l(\mathcal{P})\) ,所以 \(A\cap X=A\in\mathcal{P}\subset l(\mathcal{P})\) ,所以 \(X\in l(\mathcal{P})\) 。
(2) 设 \(B_1,B_2\in\mathcal{G}_A\) 且 \(B_1\supset B_2\) ,则
\[\begin{aligned} &\Longrightarrow \quad B_1,B_2,A\cap B_1,A\cap B_2\in l(\mathcal{P}),\quad B_1\supset B_2 \\ \\ &\Longrightarrow \quad B_1-B_2\in l(\mathcal{P}),\quad A\cap(B_1-B_2)=(A\cap B_1)-(A\cap B_2)\in l(\mathcal{P}) \\ \\ &\Longrightarrow \quad B_1-B_2\in\mathcal{G}_A. \end{aligned} \](3) 设 \(B_n\uparrow,\ B_n\in\mathcal{G}_A,\ n\geq1\) ,则
\[\begin{aligned} &\Longrightarrow \quad B_n\in l(\mathcal{P}), \quad B_n\uparrow ,\quad A\cap B_n\in l(\mathcal{P}),\quad A\cap B_n\uparrow \\ \\ &\Longrightarrow \quad \bigcup_{n=1}^\infty B_n\in l(\mathcal{P}),\quad A\cap\left(\bigcup_{n=1}^\infty B_n\right)=\bigcup_{n=1}^\infty(A\cap B_n)\in l(\mathcal{P}) \\ \\ &\Longrightarrow \quad \bigcup_{n=1}^\infty B_n\in\mathcal{G}_A. \end{aligned} \]所以 \(\mathcal{G}_A\) 为 \(\lambda\) 系。
验证 \(\mathcal{P}\subset \mathcal{G}_A\) :设 \(B\in\mathcal{P}\) ,由 \(\mathcal{P}\) 是 \(\pi\) 系可知 \(A\cap B\in\mathcal{P}\subset l(\mathcal{P})\) 。
由 \(\mathcal{G}_A\) 的定义可知 \(B\in\mathcal{G}_A\) ,所以 \(\mathcal{P}\subset \mathcal{G}_A\)
由于 \(l(\mathcal{P})\) 是包含 \(\mathcal{P}\) 的最小的 \(\lambda\) 系,所以 \(l(\mathcal{P})\subset \mathcal{G}_A\) ,这表明
\[A\in\mathcal{P},\quad B\in l(\mathcal{P}) \quad \Longrightarrow \quad B\in\mathcal{G}_A \quad \Longrightarrow \quad A\cap B\in l(\mathcal{P}). \]同理,对 \(\forall B\in l(\mathcal{P})\) ,令 \(\mathcal{H}_B=\{A:A,A\cap B\in l(\mathcal{P})\}\) ,则 \(\mathcal{H}_B\) 是 \(\lambda\) 系,且 \(\mathcal{P}\subset \mathcal{H}_B\) 。
验证 \(\mathcal{P}\subset \mathcal{H}_B\) :设 \(A\in\mathcal{P}\subset l(\mathcal{P})\) ,由已证结论可知 \(A\cap B\in l(\mathcal{P})\) 。
由 \(\mathcal{H}_B\) 的定义知 \(A\in\mathcal{H}_B\) ,所以 \(\mathcal{P}\subset \mathcal{H}_B\) 。
再由于 \(l(\mathcal{P})\) 是包含 \(\mathcal{P}\) 的最小的 \(\lambda\) 系,所以 \(l(\mathcal{P})\subset\mathcal{H}_B\) ,这表明
\[A,B\in l(\mathcal{P}) \quad \Longrightarrow \quad A\in\mathcal{H}_B \quad \Longrightarrow \quad A\cap B\in l(\mathcal{P}). \]所以 \(l(\mathcal{P})\) 是一个 \(\pi\) 系。证毕。
推论 1.3.6:若 \(\mathcal{P}\) 是 \(\pi\) 系,\(\mathcal{L}\) 是 \(\lambda\) 系,则 \(\mathcal{P}\subset\mathcal{L}\ \ \Longrightarrow\ \ l(\mathcal{P})\subset\mathcal{L}\) 。
Borel 集合系:回忆 \(\mathcal{Q}_{\mathbb{R}}=\{(a,b]:a,b\in\mathbb{R}\}\) 为半环,\(\mathcal{P}_{\mathbb{R}}=\{(-\infty,a]:a\in\mathbb{R}\}\) 为 \(\pi\) 系,定义
\[\mathcal{B}_{\mathbb{R}}\equiv \sigma(\mathcal{P}_\mathbb{R})=\sigma(\mathcal{Q}_\mathbb{R}), \]称为 \(\mathbb{R}\) 上的 Borel 集合系,也称为 Borel \(\sigma\) 域,其中的集合称为 \(\mathbb{R}\) 上的 Borel 集。
证明 \(\sigma(\mathcal{P}_\mathbb{R})=\sigma(\mathcal{Q}_\mathbb{R})\) 。
对 \(\forall A=(a,b]\in\mathcal{Q}_{\mathbb{R}}\) ,由于 \(A=(-\infty,b]\setminus(-\infty,a]\in\sigma(\mathcal{P}_{\mathbb{R}})\) ,所以 \(\mathcal{Q}_\mathbb{R}\subset \sigma(\mathcal{P}_\mathbb{R})\) 。
由于 \(\sigma(\mathcal{Q}_\mathbb{R})\) 是包含 \(\mathcal{Q}_\mathbb{R}\) 的最小的 \(\sigma\) 域,所以 \(\sigma(\mathcal{Q}_\mathbb{R})\subset \sigma(\mathcal{P}_{\mathbb{R}})\) 。
对 \(\forall A=(-\infty,a]\in\mathcal{P}_{\mathbb{R}}\) ,由于 \(A=\bigcup_{n=1}^\infty(a-n,a]\in\sigma(\mathcal{Q}_{\mathbb{R}})\) ,所以 \(\mathcal{P}_\mathbb{R}\subset \sigma(\mathcal{Q}_\mathbb{R})\) 。
由于 \(\sigma(\mathcal{P}_\mathbb{R})\) 是包含 \(\mathcal{P}_\mathbb{R}\) 的最小的 \(\sigma\) 域,所以 \(\sigma(\mathcal{P}_\mathbb{R})\subset \sigma(\mathcal{Q}_{\mathbb{R}})\) 。
所以 \(\sigma(\mathcal{P}_\mathbb{R})=\sigma(\mathcal{Q}_\mathbb{R})\) 。
标签:subset,infty,01,可测,映射,cap,quad,mathcal,sigma 来源: https://www.cnblogs.com/lixddd/p/16030112.html