测度论笔记01·单调类方法

单调类方法在证明“某种性质的延拓”中的应用

σ\sigma-代数方法

设F\mathcal{F}为一个集族,即“集合的集合”,我们要证明F\mathcal{F}里面的元素都具有某种性质P\mathcal{P},如果F=σ(A)\mathcal{F} = \sigma(\mathcal{A}),那么我们可以按照以下步骤来证明:

  1. 设所有具有性质P\mathcal{P}的集合的集合为B\mathcal{B},下面我们只需证明F⊂B\mathcal{F} \subset \mathcal{B}
  2. 证明B\mathcal{B}是一个σ\sigma-代数
  3. 证明A⊂B\mathcal{A} \subset \mathcal{B},然后由于F=σ(A)⊂σ(B)=B为σ−代数B\mathcal{F} =\sigma \left( \mathcal{A} \right) \subset \sigma \left( \mathcal{B} \right) \xlongequal{\mathcal{B} \text{为}\sigma -\text{代数}}\mathcal{B},我们就已经证明了F\mathcal{F}中的元素都具有性质P\mathcal{P}

单调类定理

mm类、单调类

假设XX为全集,A⊂P(X)\mathcal{A} \subset \mathcal{P}(X)为一个集族,{Ai}i=1∞⊂A\{A_i\}_{i = 1}^{\infty} \subset \mathcal{A}为A\mathcal{A}中的集合列,如果{Ai}i=1∞\{A_i\}_{i=1}^{\infty}满足下列二者之一,就称它为(XX上的)单调类或m\boldsymbol{m}类

  1. {Ai}i=1∞↑\{A_i\}_{i=1}^{\infty}\uparrow,则lim⁡n→∞An=⋃n=1∞An∈A\lim_{n \rightarrow \infty} A_n = \bigcup_{n=1}^{\infty} A_n \in \mathcal{A}
  2. {Ai}i=1∞↓\{A_i\}_{i=1}^{\infty}\downarrow,则lim⁡n→∞An=⋂n=1∞An∈A\lim_{n \rightarrow \infty} A_n = \bigcap_{n=1}^{\infty} A_n \in \mathcal{A}

代数

假设XX为全集,A⊂P(X)\mathcal{A} \subset \mathcal{P}(X)为一个集族,如果A\mathcal{A}满足以下3点,就称它为一个代数

  1. X∈AX\in \mathcal{A}
  2. ∀A∈A,Ac∈A\forall A \in \mathcal{A}, A^c \in \mathcal{A}
  3. ∀A1,A2∈A,A1∩A2∈A\forall A_1, A_2 \in \mathcal{A}, A_1\cap A_2 \in \mathcal{A}

单调类定理

假设A⊂P(X)\mathcal{A} \subset \mathcal{P}(X)为一个集族,那么A\mathcal{A}为σ\sigma-代数 ⇔\Leftrightarrow A\mathcal{A}既为代数又为单调类

证明:

“⇒\Rightarrow”

直接按定义验证即可

“⇐\Leftarrow”

设{An}n=1∞⊂A\{A_n\}_{n = 1}^{\infty} \subset \mathcal{A}为A\mathcal{A}中的任意集合列,则可设Bn=⋃k=1nAkB_n = \bigcup_{k=1}^n{A_k},则{Bn}n=1∞⊂A\{B_n\}_{n = 1}^{\infty} \subset \mathcal{A}为A\mathcal{A}中的递增集合列,即{Bn}n=1∞↑\{B_n\}_{n = 1}^{\infty} \uparrow,因为A\mathcal{A}是一个单调类,所以

⋃n=1∞Bn∈A\bigcup_{n=1}^{\infty}{B_n} \in \mathcal{A}

又因为

⋃n=1∞Bn=⋃n=1∞An\bigcup_{n=1}^{\infty}{B_n} = \bigcup_{n=1}^{\infty}{A_n}

所以⋃n=1∞An∈A\bigcup_{n=1}^{\infty}{A_n} \in \mathcal{A},又因为A\mathcal{A}是一个代数,容易验证A\mathcal{A}满足σ\sigma-代数的前两条定义,因此A\mathcal{A}是一个σ\boldsymbol{\sigma}-代数

□\square

π\pi-λ\lambda定理,Dynkin Class定理

π\pi-λ\lambda定理也叫Dynkin Class定理

λ\lambda类与Dynkin Class

假设XX为全集,A⊂P(X)\mathcal{A} \subset \mathcal{P}(X)为一个集族,如果A\mathcal{A}满足以下三条,就称它为(XX上的)λ\boldsymbol{\lambda}类,也叫Dynkin Class

  1. X∈AX \in \mathcal{A}
  2. ∀A⊂B\forall A \subset B,且A,B∈AA,B \in \mathcal{A},这两点同时满足的集合对A,BA,B,有B−A∈AB - A \in \mathcal{A}(对“真差”封闭)
  3. ∀{An}i=1∞↑\forall \{A_n\}_{i=1}^{\infty} \uparrow 为 A\mathcal{A} 中的递增集合列,即 An⊂An+1A_n \subset A_{n+1} (∀n∈N\forall n \in \mathbb{N}),且An∈AA_n \in \mathcal{A} (∀n∈N\forall n \in \mathbb{N})两点同时满足,则有:lim⁡n→∞An=⋃n=1∞An∈A\lim_{n \rightarrow \infty} A_n = \bigcup_{n=1}^{\infty} A_n \in \mathcal{A}

记忆方法:“lambda ≈\approx lim ++ diff”,其中“lim”对应第三个条件,“diff”对应第二个条件

任何一族(不论可不可数)λ\boldsymbol{\lambda}类的并也是λ\boldsymbol{\lambda}类,于是设C⊂P(X)\mathcal{C}\subset\mathcal{P}(X)为任意一个集族(注意C\boldsymbol{\mathcal{C}}不一定是λ\boldsymbol{\lambda}类)我们称

λ(C)=△d(C)=△⋂C⊂B,B为X上的λ类B\lambda \left( \mathcal{C} \right) \xlongequal{\triangle} d\left( \mathcal{C} \right) \xlongequal{\triangle}\bigcap_{\mathcal{C} \subset \mathcal{B} ,\mathcal{B} \text{为}X \text{上的}\lambda \text{类}}{\mathcal{B}}

为从C\boldsymbol{\mathcal{C}}生成的λ\boldsymbol{\lambda}类,也叫从C\boldsymbol{\mathcal{C}}生成的Dynkin Class

π\pi类

假设XX为全集,A⊂P(X)\mathcal{A} \subset \mathcal{P}(X)为一个集族,如果∀A,B∈A\forall A,B \in \mathcal{A},都有A∩B∈AA \cap B \in \mathcal{A},则称A\mathcal{A}为一个(XX上的)π\boldsymbol{\pi}类,注意π\pi类在有限交运算下是封闭的,而在可数交甚至任意交运算下不一定封闭

记忆方法:“π=Π\pi = \Pi” 表示连乘,在概率论中事件A∩BA\cap B也记作事件ABAB,由此可知π\pi类关于有限交运算封闭

π\pi-λ\lambda定理(Dynkin定理)

设XX为全集,A⊂P(X)\mathcal{A} \subset \mathcal{P}(X)为一个XX上的π\pi类,那么

σ(A)=λ(A)=d(A)\sigma(\mathcal{A})=\lambda(\mathcal{A})=d(\mathcal{A})

进一步,假设A\mathcal{A}本身就是一个(XX上的)λ\lambda类,那么λ(A)=d(A)=A=Dynkin定理σ(A)\lambda(\mathcal{A})=d(\mathcal{A})=\mathcal{A}\xlongequal{Dynkin\text{定理}} \sigma(\mathcal{A}),也即A=σ(A)\mathcal{A}=\sigma(\mathcal{A})为一个σ\sigma-代数,也即

A为σ-代数⇔A既为λ类又为π类\mathcal{A}\text{为}\sigma\text{-代数} \Leftrightarrow\mathcal{A}\text{既为}\lambda \text{类又为}\pi\text{类}

证明:

首先注意到σ(A)\sigma(\mathcal{A})一定是一个λ\lambda类,由λ(A)\lambda(\mathcal{A})的定义,我们知道λ(A)⊂σ(A)\lambda(\mathcal{A}) \subset \sigma(\mathcal{A}),下面我们将着力于证明σ(A)⊂λ(A)\sigma(\mathcal{A}) \subset \lambda(\mathcal{A}),注意到A⊂λ(A)\mathcal{A} \subset \lambda(\mathcal{A}),因此我们只需证明λ(A)\lambda(\mathcal{A})是一个σ\sigma-代数(通过直接验证λ(A)\lambda(\mathcal{A})满足σ\sigma-代数定义中它需要满足的3个条件来证明)

构造辅助集合

λ1(A)=△{A∈λ(A):∀C∈A,A∩C∈λ(A)}\lambda_1(\mathcal{A}) \xlongequal{\triangle} \{A\in \lambda(\mathcal{A}):\forall C \in \mathcal{A}, A\cap C \in \lambda(\mathcal{A})\}

我们来证明λ1(A)\boldsymbol{\lambda_1(\mathcal{A})}是一个λ\boldsymbol{\lambda}类

注意到∀A∈A⊂λ(A)\forall A\in \mathcal{A}\subset \lambda(\mathcal{A}),由于A\mathcal{A}是一个π\pi类,所以A∈λ1(A)A\in\lambda_1(\mathcal{A}),即A⊂λ1(A)\mathcal{A}\subset \lambda_1(\mathcal{A}),因此X∈λ1(A)X\in \lambda_1(\mathcal{A})

再注意到∀B⊂A,A,B∈λ1(A),∀C∈A\forall B \subset A, A, B \in \lambda_1(\mathcal{A}), \forall C \in \mathcal{A},有

(A−B)∩C=(A∩C)−(B∩C)(A-B)\cap C = (A\cap C) - (B\cap C)

而由A,B∈λ1(A)A, B \in \lambda_1(\mathcal{A}),我们有A∩C,B∩C∈λ(A)A\cap C, B\cap C \in \lambda(\mathcal{A}),又由于λ(A)\lambda(\mathcal{A})是一个λ\lambda类,所以

(A−B)∩C=(A∩C)−(B∩C)∈λ(A),A−B∈λ(A)(A-B)\cap C = (A\cap C) - (B\cap C) \in \lambda(\mathcal{A}), A - B \in \lambda(\mathcal{A})

所以有A−B∈λ1(A)A - B \in \lambda_1(\mathcal{A}),至此我们证明了λ(A)\lambda(\mathcal{A})在真差下封闭,下证它在渐升并下封闭

注意到∀{An}n=1∞⊂λ1(A),C∈A\forall \{A_n\}_{n = 1}^{\infty} \subset \lambda_1(\mathcal{A}), C \in \mathcal{A}使得{An}n=1∞↑\{A_n\}_{n = 1}^{\infty} \uparrow,有

⋃n=1∞(An∩C)=(⋃n=1∞An)∩C\bigcup_{n=1}^{\infty}{\left( A_n\cap C \right)}=\left( \bigcup_{n=1}^{\infty}{A_n} \right) \cap C

由于An∈λ1(A)A_n \in \lambda_1(\mathcal{A}),所以An∩C∈λ(A)(∀n)A_n \cap C \in \lambda(\mathcal{A}) (\forall n),又由于λ(A)\lambda(\mathcal{A})是λ\lambda类,所以⋃n=1∞(An∩C)∈λ(A)\bigcup_{n=1}^{\infty}{\left( A_n\cap C \right)} \in \lambda(\mathcal{A}),我们得到了

⋃n=1∞An∈λ1(A)\bigcup_{n=1}^{\infty}A_n \in \lambda_1(\mathcal{A})

至此,我们已经证明了λ1(A)\lambda_1(\mathcal{A})是一个λ\boldsymbol{\lambda}类,由λ(A)\lambda(\mathcal{A})的定义,我们有λ(A)⊂λ1(A)\lambda(\mathcal{A}) \subset \lambda_1(\mathcal{A})

再构造辅助集合

λ2(A)=△{B∈λ(A):∀A∈λ(A),A∩B∈λ(A)}\lambda_2(\mathcal{A}) \xlongequal{\triangle} \{B \in \lambda(\mathcal{A}) : \forall A \in \lambda(\mathcal{A}), A\cap B \in \lambda(\mathcal{A})\}

下面我们来证明λ2(A)\boldsymbol{\lambda_2(\mathcal{A})}是一个λ\boldsymbol{\lambda}类

注意到∀{Bn}n=1∞⊂λ2(A),A∈λ(A)\forall\{B_n\}_{n = 1}^{\infty} \subset \lambda_2(\mathcal{A}), A \in \lambda(\mathcal{A})使得{Bn}n=1∞↑\{B_n\}_{n = 1}^{\infty} \uparrow,有

⋃n=1∞Bn∈λ(A)\bigcup_{n = 1}^{\infty} B_n \in \lambda(\mathcal{A})

以及

⋃n=1∞(Bn∩A)=(⋃n=1∞Bn)∩A\bigcup_{n = 1}^{\infty} (B_n \cap A) = \left(\bigcup_{n = 1}^{\infty} {B_n} \right) \cap A

其中第一个式子是因为λ(A)\lambda(\mathcal{A})是一个λ\lambda类,又因为Bn∈λ2(A)B_n \in \lambda_2(\mathcal{A}),所以Bn∩A∈λ(A)(∀n)B_n \cap A \in \lambda(\mathcal{A}) (\forall n),又由于λ(A)\lambda(\mathcal{A})是λ\lambda类,所以⋃n=1∞(Bn∩A)∈λ(A)\bigcup_{n=1}^{\infty}{\left( B_n\cap A \right)} \in \lambda(\mathcal{A})我们得到了

⋃n=1∞Bn∈λ2(A)\bigcup_{n=1}^{\infty}B_n \in \lambda_2(\mathcal{A})

至此,我们证明了λ2(A)\lambda_2(\mathcal{A})在渐升并下封闭,下证它对真差封闭

再注意到∀C⊂B,B,C∈λ2(A),∀A∈λ(A)\forall C\subset B, B, C\in \lambda_2(\mathcal{A}), \forall A \in \lambda(\mathcal{A}),有

(B−C)∩A=(B∩A)−(C∩A)(B - C)\cap A = (B \cap A) - (C \cap A)

而由B,C∈λ2(A)B, C \in \lambda_2(\mathcal{A}),我们有B∩A,C∩A∈λ(A)B\cap A, C\cap A \in \lambda(\mathcal{A}),又由于λ(A)\lambda(\mathcal{A})是一个λ\lambda类,所以

(B−C)∩A=(B∩A)−(C∩A)∈λ(A),B−C∈λ(A)(B - C)\cap A = (B \cap A) - (C \cap A) \in \lambda(\mathcal{A}), B - C \in \lambda(\mathcal{A})

所以有B−C∈λ2(A)B - C \in \lambda_2(\mathcal{A}),至此,我们已经证明了λ2(A)\lambda_2(\mathcal{A})是一个λ\boldsymbol{\lambda}类,且A⊂λ2(A)\mathcal{A} \subset \lambda_2(\mathcal{A}),所以

λ(A)⊂λ(λ2(A))=λ2(A)是λ类λ2(A)\lambda(\mathcal{A}) \subset \lambda(\lambda_2(\mathcal{A})) \xlongequal{\lambda_2(\mathcal{A}) \text{是}\lambda \text{类}} \lambda_2(\mathcal{A})

至此我们证明了

  1. X∈λ(A)X\in \lambda(\mathcal{A})
  2. ∀A,B∈λ(A)s.t.B⊂A,A−B∈λ(A)\forall A, B \in \lambda(\mathcal{A}) s.t. B\subset A, A - B \in \lambda(\mathcal{A})
  3. ∀A,B∈λ(A),A∩B∈λ(A)\forall A, B \in \lambda(\mathcal{A}), A\cap B \in \lambda(\mathcal{A})

注意在第二条中取A=XA = X,我们就得到了∀A∈λ(A),Ac∈λ(A)\forall A \in \lambda(\mathcal{A}), A^c \in \lambda(\mathcal{A}),因此λ(A)\lambda(\mathcal{A})构成了一个代数,又由于λ(A)\lambda(\mathcal{A})是一个λ\boldsymbol{\lambda}类,因此λ(A)\lambda(\mathcal{A})是一个单调类,由之前的单调类定理(即σ\sigma-代数==代数++单调类),我们得到λ(A)\lambda(\mathcal{A})是一个σ\boldsymbol{\sigma}-代数

又由于A⊂σ(A)\mathcal{A} \subset \sigma(\mathcal{A}),所以λ(A)⊂λ(σ(A))=σ(A)为λ类σ(A)\lambda(\mathcal{A}) \subset \lambda(\sigma(\mathcal{A})) \xlongequal{\sigma(\mathcal{A}) \text{为} \lambda \text{类}} \sigma(\mathcal{A}),由σ(A)\sigma(\mathcal{A})的构造知λ(A)=σ(A)\lambda(\mathcal{A}) = \sigma(\mathcal{A})

□\square


测度论笔记01·单调类方法
https://godwinjc.github.io/2025/03/26/测度论笔记01·单调类方法/
作者
Godwinjc
发布于
2025年3月26日
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