测度论:Measure Theory (3)

Definition. (Product σfield)

Let Ω1 and Ω2 be two (universal) sets and Ω = Ω1×Ω2 be the Cartesian product. Suppose F1 is a σ-field on Ω1 and F2 is a σ-field on Ω2.

For A1F1, A2F2, the minimal σ-field F in Ω containing all "rectangles":

A1×A2 = {(a1,a2)Ω: a1A1, a2A2},

is called the product σ-field of F1 and F2, denoted by F = F1×F2.

  • That is to say, the product σ-field F=F1×F2 is the σfield generated by:

{A1×A2: A1F1, A2F2}





Theorem 3.1

The product σ-field F1×F2 is generated by the family of sets ("cylinders"):

C = {A1×Ω2: A1F1}  {Ω1×A2: A2F2}.





在证明Theorem 3.1之前,先理解定理在说什么:

Notes 1. (Theorem 3.1)

Denote the product σ-field by FR=F1×F2, where the rectangle R is defined as:

R := {A1×A2: A1F1, A2F2}

FR is the σfield generated by R. So the theorem is actually stating that, the σfield generated by R is identical to the σfield generated by C (i.e.,  FR=FC).





Notes 2. (Theorem 3.1)

设有全集 Ω1, Ω2, 它们的笛卡尔积(Cartisian product)定义为:

Ω := Ω1×Ω2 = {(w1,w2): w1Ω1, w2Ω2}

设在 Ω1, Ω2 上分别有 F1,F2 两个 σfield,则它们的笛卡尔积定义为包含所有“rectangle” A1×A2 的最小 σfield。其中,对于每一个 A1F1A2F2,同理都有:

A1×A2 := {(a1,a2): a1A1, a2A2}

也就是说两个 σ 域的笛卡尔积可以由以下两种等价的定义方式给出:

  1. F=F1×F2是包含所有"rectangle": A1×A2={(a1,a2): a1A1, a2A2} for A1F1,A2F2的最小σ域。定义包含所有rectangle的集类:

R := {A1×A2: A1F1, A2F2}

  1. F=F1×F2 是由所有“cylinders”:C={A1×Ω2: A1F1}{Ω1×A2: A2F2}  for A1F1,A2F2 构成的集类生成的 σ域。定义包含所有cylinder的集类:

C = {A1×Ω2: A1F1}{Ω1×A2: A2F2}

这里必须明确,犹如前文提到:"由...生成的 σ域","..."是集类(集合的集合)而非集合(狭义的)。例如设全集 ={0,1,2,3},由集类 {{1}} 生成的 σ域:{,Ω,{1},{0,2,3}}

此处,A1F1, A2F2 为两个集合,它们的笛卡尔积依然为集合————试想两个单点集合的笛卡尔积为一个二维坐标点集。但是,对于不同的 A1F1,A2F2{A1×A2:A1F1,A2F2} 却是一个集类,因为:

{A1×A2: A1F1,A2F2} := {{(a1,a2): a1A1,a2A2}: A1F1,A2F2}

同理,对于特定的 A1F1,A2F2(A1×Ω2)(A2×Ω1) 是集合;但是对于 A1F1,A2F2, 所有随之分别构造的 (A1×Ω2)(A2×Ω1) 组成了集类 C:

C := {{(a1,w2):a1A1,w2Ω2}{(w1,a2):w1Ω1,a2A2}: A1F1,A2F2}

总而言之, 这里说的"rectangle"和"cylinder"都是集合,但对于所有的 A1,A2 从而各自组成了集类。





正式证明之前再引入两条引理:

Lemma 3.1.1 (Theorem 3.1)

A,B 为两个集合,则以下三个说法等价:

  1. (AB)=(AB)
  2. A=B
  3. AΔB=



Proof. (Lemma 3.1.1)

A=B,则显然有(AB)=(AB)AΔB=,则21, 23自然成立。

现在证明:12。若 (AB)=(AB) 成立,假设 AB,则:kA: kB。而若 kA,则 k(AB),又由条件 (AB)=(AB),则 k(AB)kB。故产生矛盾,所以假设不成立, 有 AB。同理可证 BA,所以 A=B

最后证明:13。若 (AB)=(AB) 成立,有:

(AB) = (AB)(BA)(AB) = (AΔB)(AB) = (AB)

这说明:(AΔB)(AB)。若 (AΔB),则有:

k(AΔB): k(AB)

k(AΔB) 意味着 kA, kBkB, kA,与结论矛盾,所以 (AΔB)=

至此我们完成证明 1213,得证:123





Lemma 3.1.2 (Theorem 3.1)

若定义在同一全集上 Ω 的两个集类 A,B 满足 AB,则它们各自生成的 σ域满足:

FA  FB




Proof. (Lemma 3.1.2)

AB

  1. A=B,显然 FA=FB,则 FAFB 自然成立。

  2. A=,则 FA={, Ω},而任意的 σ 域都包含 , Ω 两个集合。故 FAFB 成立。

  3. AB 时,则:

aA: aB 且 bB: bA

所以必存在非空集 D 满足:

AD= 且 AD=B

因为 FA 是由 A 生成的 σ域,有:AFA,同理可得 BFB(AD)FB





个人认为这个定理比想象中难证明得多

Proof. (Theorem 3.1)

现在,所有cylinders构成的集类:C = {A1×Ω2: A1F1}  {Ω1×A2: A2F2}

注意 C 的构造方式,它与 {(A1×Ω2)(Ω1×A2): A1F1,A2F2} 完全不同!

所有rectangles构成的集类:R = {A1×A2: A1F1, A2F2},而它可以写作:

R={A1×A2: A1F1, A2F2}={A1×Ω2: A1F1}{A1×A2: A1F1, A2F2{Ω2}} {Ω1×A2: A2F2}{A1×A2: A1F1{Ω1}, A2F2}

故可以发现:CR,由Lemma 3.1.2.,我们有:FCFR

另一方面,对于确定的 A1F1, A2F2,有:

A1×A2=(A1×Ω2)(Ω1×A2)

这很好理解,因为:

(A1×Ω2)(Ω1×A2)={(a1,w2): a1A1, w2Ω2}{(w1,a2): w1Ω1, a2A2}=({(a1,a2): a1A1, a2A2}{(a1,w2): a1A1, w2Ω2A2})({(a1,a2): a1A1, a2A2}{(w1,a2): w1Ω1A1, a2A2})=({(a1,w2): a1A1, w2Ω2A2}{(w1,a2): w1Ω1A1, a2A2}){(a1,a2): a1A1, a2A2}

前半部分(即:({(a1,w2): a1A1, w2Ω2A2}{(w1,a2): w1Ω1A1, a2A2}))为 ,则:

(A1×Ω2)(Ω1×A2) = A1×A2 = {(a1,a2): a1A1, a2A2}

所以对于 A1F1,A2F2: A1×A2 = (A1×Ω2)(Ω1×A2)

注意集类 C={A1×Ω2: A1F1}{Ω1×A2: A2F2},其中每一个 A1×Ω2Ω1×A2 都为集合,分别装在两个集类中,再将两个集类进行并运算。因此,C 实际可以写为:

C={A1×Ω2  for  A1F1,   Ω1×A2  for  A2F2}

那么,由 C 生成的 σFC 必定包含 C,且满足 σ域的性质。这意味着:FC 中必定包含以下元素:

A1×Ω2  for  A1F1,Ω1×A2  for  A2F2

现在:R={A1×A2: A1F1, A2F2},由于对于 R 中的每一个元素(集合) A1×A2,都有 (A1×Ω2)(Ω1×A2)=A1×A2,而 (A1×Ω2)(Ω1×A2) 都被包含在σFC 中。

由于 σ域有推论性质,对可数交运算封闭,则:

((A1×Ω2)(Ω1×A2))  FC(A1×A2)  FC

于是:

A1F1, A2F2: (A1×A2)FCrR: rFCRFC

由于:FR 是由 R={A1×A2: A1F1, A2F2} 生成的最小σ域,这意味着,FR 中包含着 R 中所有的元素(集合)A1×A2,也仅包含着由这些集合交互进行补运算、可数并运算的结果集合。然而,对于 R 中的每一项,FC 都有:((A1×Ω2)(Ω1×A2))A1×A2 对应,并且 FC 也为 σ域,也必须要满足对补运算封闭、对可数并运算封闭的性质。所以,由 R 生成的 σFR 中的每一项,都在 FC 中,i.e.:

pFR: pFCFR  FC

综上所述,已经证得 FCFR, FRFC,因此:

FR = FC = F = F1×F2




直观理解

从直观的角度解释 RFC 的证明:

R := {A1×A2: A1F1, A2F2}C := {A1×Ω2: A1F1}  {Ω1×A2: A2F2}

设:

F1 := {Ω1, , A11, A12, A13,}F2 := {Ω2, , A21, A22, A23,}

设:

A1=(Ω1, , A11, A12, A13,)TA2=(Ω2, , A21, A22, A23,)T

那么:

R = {A1A2T}= {Ω, , A11A21, A11A22,, A12A21,} C = {A11×Ω2, A12×Ω2, A13×Ω2,}  {A21×Ω1, A22×Ω1, A23×Ω1,}={A11×Ω2, A12×Ω2,, A21×Ω1, A22×Ω1,}

C 生成的 σFC 自然也有以下这些元素:

A11×Ω2,A12×Ω2,,A21×Ω1,A22×Ω1,

且对于 R 中的任意一项:A1iA2j,都能在 FC 中找到 (A1i×Ω2)  (Ω1×A2j) = A1iA2j,所以:RFC

而后半段对于 FRFC 的证明,实际上在告诉我们推论:

AF,则由 A 生成的 σFAF
posted @   车天健  阅读(100)  评论(0编辑  收藏  举报
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