第一篇概率论基础
1.1σ代数理论
概率论是研究随机现象的统计规律的数学学科.在概率论中,事件和概率是*基本的两个概念.从概率论本身发展的需要来看,明确地规定事件和概率是必需的.为了规定什么是事件,一方面要考虑到对事件应允许进行必要的运算,以满足分析随机现象的实际需要,因而事件类不能太小,至少对某些运算应该是封闭的;另一方面为了能对每个事件给出概率,并保证对概率有一定的要求,例如非负性、单调性、可加性等,所以事件类就不能太大,否则就无法给出一个“兼顾各方面要求”的概率.
事件从其运算的特点来看,与集合的运算是十分相近的.如果把试验可能结果ω的全体记为Ω,让事件A.与“Ω中某些ω在试验中出现”对应,即事件A={属于Ω的子集A的任一ω在试验中出现},这样事件A.与Ω的子集A就是一回事了.在这种对应之下,事件全体就是Ω的某些子集的集合,概率就应该是定义在Ω的某些子集上的一个以集合为自变量的函数,从而规定概率和事件所必须兼顾到的各种要求就变为了对集合类与集合函数应该满足的要求.
由于在概率论、随机过程论及随机微积分学中经常涉及σ代数理论,因此,了解σ代数的结构特征是很有必要的.
1.1.1σ代数
设Ω是一个抽象空间,即一个非空集合.由Ω的某些子集构成的集合称为一个集类,以后常用花体字母等来表示.特别地,用表示由Ω的子集(包括空集和全集Ω)全体构成的集类.
1.代数
定义1.1.1 称Ω的一个非空子集类或P(Ω)的某个非空子集A为一个代数或域,如果它满足
(1)
(2)
实际上,容易证明代数是一个包含和Ω,并且对集合的余运算、差运算、对称差运算及有限并和有限交运算都封闭的集合类.
例1.1.2(1)P(Ω)是一个代数.
(2)是一个代数,称其为退化代数或平凡代数.
(3)直线R上形为(a,b](a,b可为无穷)的区间的有限并的全体为一个代数.
我们也可以从任何感兴趣的集合类出发得到一个代数.
命题1.1.3如果集类,则必存在包含的*小代数,即是一个代数,且对任意一个代数.必有.
证明首先记为包含的代数的全体构成的集类,则因为,所以是一个非空的集类.又因为任意多个包含的代数的交仍是一个包含的代数(可按代数的定义逐条验证),所以如取,则就是所要求的包含的*小代数.
定义1.1.4对任意一个集类,称包含的*小代数为由张成的代数,记为.
一般说来,为了获得由集类张成的代数,可以采用下面的步骤.
(1)
(2)
(3)
在具体讨论中还常用到下面的概念.
定义1.1.5 的非空子集类称为一个半代数(或半域),如果它满足
(1)
(2)
(3)
易见,代数必为半代数.
例1.1.6 (1)直线R上形为(a,b](a,b可为无穷)的区间全体构成一个半代数.
(2)n维实空间Rn中,开、闭及半开半闭矩形体的全体构成一个半代数的全体也构成一个半代数.
命题1.1.7如果为一个半代数,那么
为中两两互不相交的有限族)是包含S的*小代数.
证明首先证明是一个代数.
对有限交封闭是显然的.
2.σ代数
对有限运算封闭的集类不意味着对可数运算也封闭.例如取是实直线上的所有形如(x,∞)的区间(其中x∈R)全体所成的集类,则是一个对有限交运算封闭的集类.但是因为
所以集类C对可数交运算不封闭.
定义1.1.8 称的一个非空子集类为一个σ代数或σ域,如果它满足
(1)
(2)
命题1.1.9 如果是一个σ代数,则是一个代数,且当时,必有
其中
由命题1.1.9可知,σ代数是包含和Ω,并且对集合的余运算、差运算、对称差运算和可数并、可数交及上下极限运算都封闭的集合类.
定义1.1.10 称包含集类的所有σ代数的交为由生成的σ代数,记为.
为了从一个给定的集类出发得到由它生成的σ代数,我们可以遵循在由集类获得它张成的代数的过程中同样的步骤(1)至(3),除了在第二步中允许n可以取为无穷大.
命题1.1.11
证明
则
命题1.1.12 如果用R表示数直线(-∞,+∞),则下列集类生成相同的σ代数.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
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