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测度论与概率论有什么关系?为什么要学习测度论?

phymat.nico 发布时间:2019-09-05 20:15:50 ,浏览量:1

首先,和微积分类比一下:有测度论和没测度论的概率论,对应到数学分析中,就是有实数完备性理论和没有实数完备性理论的微积分。

看起来是不是有点绕。

事实上,就和实数完备性对于微积分的重要性一样。有了测度论,才可以在集合的基础上完备定义事件的集合(样本空间)、样本空间事件集合的集合(西格玛代数)和对于集合的测度(概率)。这是奠定概率论的基本公理,没有这些数学上的严谨定义,概率论自然不能如此严谨地演绎。如果能学好测度论,对于概率论及其后续课程的理解也会更加透彻,尤其是在大数定律部分。

但是,在实际运用上,同样可以只从概率的角度对实际问题进行研究。也就是说,我们用的时候,一般是不考虑可测性之类的问题。就像很多人不知道实数完备性照样可以计算微积分一样。对于基本公理的理解只是便于对于学科的理解,因此学好了测度,看问题的角度还是会有所不同。建议有能力的同学还是好好学学吧,毕竟之后的课程中如随机过程还是跑不开这类问题。你有了测度的只是再学习类似鞅,西格玛代数域这类问题时,就会有比较清楚的认识。

测度论是概率论的理论基础,所以概率中的一些概念抽象化就是对应的测度论中的概念。

概率是要度量“事件发生的可能性”的大小,事件的抽象化描述就是集合,需要考察“事件的全体”,对应到测度论就是“集合系”。“事件发生的可能性”是对事件的一种度量,对应到测度论就是“集合的测度”。

不是每个事件都可以定义其概率(发生的可能性的大小)的,对应的就是不是每个集合都可以定义测度,可以定义测度集合就是可测集。同时,事件必然要涉及到事件的组合运算(复杂事件是可由基本事件表示出来),对应的就是集合的交、并、差、余、极限的运算到复杂集合,所以又需要保证做可列次这些运算不能超出全体范围(即可测集的范围要足够大,以保证集合的可列次交、并、差、余、极限的运算,之后还在里面)

那么什么样的集合系,才能保证其中的集合是可测集(可以定义测度,又对那些运算封闭)呢?测度论中讲了,只要集合系是σ-代数(也叫σ-域)就可以了。σ-代数的基本定义是:1. 全集在里面;2. 里面每个集合的余集在里面;3. 里面任意可列个集合的并集在里面。有了这三条基本定义,就可以推出:空集、可列次交、并、差、上限集、下限集运算之后都能在里面。就满足需要了。

所以,集合X + 该集合上的一个σ-代数F,(X,F)就是一个可测空间了,即可以定义测度的空间(F中任一集合都可以定义其测度(某种度量))。进一步再定义了测度μ,那么(X, F, μ)就是测度空间。

对应到概率论中,样本空间Ω,事件域F(是个σ-代数),概率测度P,放一起(Ω,F,P)就是概率测度空间。概率测度P是满足特殊要求的一种测度:P(Ω)=1.

 

Borel Feild就是Borel σ-代数,表示实数轴上的σ-代数,可由实轴上的所有开集生成(的σ-代数),也可由实数轴上所有的(-∞,a]这样的区间生成(σ-代数),是相等的。按σ-代数前面说的,实数轴上开集、闭集的至多可列次交、并、差(余)、上限集、下限集、极限集的运算,都超不出该Borel σ-代数的范围。

Borel σ-代数(我用Br表示)有什么用?其实概率论中的随机变量,对应测度论中的可测函数,而可测函数就是从可测空间(X,F)到(R,Br)的可测映射:即Br中的任一集合在该映射下的原像都属于F(即都是X上的可测集)。

 

再说说随机变量,前面说了概率论中要用集合表示事件,但事件五花八门,怎么统一用一种简单的集合表示呢?这就用到映射的概念,建立一种从样本空间(基本事件的全体)到实数轴的映射(一一对应)就可以了,这种映射就是随机变量。有了它,基本事件映射到实数轴上就是的基本区间,基本事件经过运算生成的复杂事件,映射到实数轴上就是实数轴上Borel σ-代数中的集合。

 

因为有了这个对应关系,要度量“事件发生的可能性的大小”(即概率测度),只要度量“实数轴上Borel σ-代数中的集合” 就可以了(前面说了Br因为是σ-代数是可以定义测度的,给Br中的集合定义概率测度就行了)。

 

所以,随机变量的测度论语言定义是这样的:设(Ω,F,P)为概率测度空间,若对实数轴上Borel σ-代数中的任一集合(称为Borel集)B,都有 {w∈Ω: X(w) ∈B} ∈F,则称X(w)为随机变量。

 

总之,随机变量就是建立了“随机事件”到“实数轴上Borel σ-代数”的一种对应,并且保证了建立了这种对应的随机事件都是可以定义概率测度的。

 

既然随机事件{w∈Ω: x(w) ∈B}属于F,那么可以有概率,即P{w∈Ω: x(w) ∈B}是有意义的,为了简单,概率中就记P{w∈Ω: X(w)∈B} = P{X ∈B} 了。

 

特别地,若取B=(-∞,x), 则事件{X∈B}的概率

P{X∈B} = P{X≤x} :=F(x)

就定义成随机变量X的分布函数。因为对任意的区间(a,b], 都可表示成

P{X ∈(a,b] } =P{a

进而,由这样的区间经过至多可列次交、并、差运算的复杂的实数轴上的Borel集都可以用F(x)给出其概率。

 

当然,随机变量也可以定义为从样本空间到平面R2上的映射,就是二元随机变量。

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