Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

elemen_teorija

.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
23.02.2015
Размер:
1.3 Mб
Скачать

В этом случае (см. § 1.3) φ(x) < ε2 вопреки предположению. Следовательно, неравенство |f(x)| < ε невозможно, а потому ε 6 |f(x)|, чем и завершается обоснование импликации

( ) ( )

ε2 6 φ(x) = ε 6 |f(x)| .

С учетом (4.4.53) имеем требуемое свойство (4.4.52). С учетом (4.4.1) и (4.4.52) имеем: x E

( ) ( )

ε2 6 φ(x) ε 6 tft(x) .

Как следствие, получаем следующее равенство

{ } { } x E | ε2 6 φ(x) = φ1([ ε2, ∞[) = x E | ε 6 tft(x)

Из (4.4.51) получаем теперь, что

 

 

 

 

 

 

(

)

 

 

E

 

 

E

 

µ tft1([ ε, ∞[)

 

6

1

φ dµ =

1

f2 dµ.

 

ε2

ε2

= tft1([ ε, ∞[).

2

Из предложения 4.4.8 легко извлекается более «привычный» (но все же к.-а. ) вариант неравенства Чебышева, который мы рассмотрим для полноты изложения.

Если L (σ − alg)[E], f B(E, L) и µ P(L), то функция

()

o

 

f dµ · χE B(E, L)

(4.4.54)

cµ

[f] = f −

E

(центрированная версия f) удовлетворяет очевидно следующему известному в теории вероятностей правилу

cµo [f](x) = f(x)

f dµ x E.

(4.4.55)

E

 

 

С операцией центрирования (4.4.54), (4.4.55) можно связать определение дисперсии f; функция f рассматривается при этом как (ограниченная) случайная величина. Для более краткой записи введем следующие обозначения: если L (σ − alg)[E], f B(E, L) и µ P(L), то

(

E

 

) (

E

 

)

Mµ [f] =

f dµ

&

Dµ [f] =

cµo [f]2

(4.4.56)

220

(ввели математическое ожидание и дисперсию f; заметим, что включать E и L в число параметров выражений в левых частях (4.4.56) здесь не требуется, т. к. и E, и L легко восстанавливаются по f и µ соответственно). Отметим здесь же, что в условиях, определяющих (4.4.56), при ε ] 0, ∞[

µ(t coµ [f]t1 ( [ ε, ∞[)) = µ({x E | ε 6 | f(x) − Mµ [f] |}) [ 0, 1]

есть (в к.-а. версии) вероятность того, что значение f уклоняется от Mµ [f] не менее, чем на ε. Для этой вероятности из предложения 4.4.8 имеем нужную оценку: L (σ − alg)[E] f B(E, L) µ P(L) ε ]0, ∞[

µ(t cµo

1

([ ε, ∞[)) 6

1

 

 

[f] t

 

Dµ [f].

(4.4.57)

ε2

В (4.4.57) имеем нужную форму неравенства Чебышева, из которой, в частности, извлекается традиционный для классической теории вероятностей вариант, отвечающий случаю µ Pσ(L).

Мы ограничиваемся упомянутыми элементарными положениями, включающими, в частности, определенное сравнение к.-а. и с.-а. вариантов теории меры (см., в частности, (3.8.30) и предложение 4.4.6). Эти положения касались весьма частных случаев, что и позволяет провести соответствующие рассуждения в достаточно элементарной форме. В связи с более общими построениями, использующими к.-а. меры, см. [10, гл. III, IV], [34].

§4.5. Простейший вариант теоремы о мажорированной сходимости (роль свойства счетной аддитивности)

В§§ 3.5, 3.6 ЯИ был охарактеризован как линейный непрерывный функционал на пространстве B(E, L) всевозможных ярусных функций. Однако свойство непрерывности было связано здесь с sup нормой · пространства B(E). Данную непрерывность можно, в частности, трактовать как секвенциальную. Такая трактовка естественным образом порождает вопрос о сходимости значений ЯИ при поточечной (секвенциальной ) сходимости подинтегральных функций. Этому вопросу в классической теории меры можно сопоставить известную теорему Лебега о мажорированной сходимости (см., например, [3, c. 161]). Полезно, однако, отметить, что в к.-а. варианте упомянутая теорема, вообще говоря, несправедлива даже в своем частном случае, когда требование мажорирования суммируемой функцией

221

j N −→ h(χs);

заменено требованием совокупной ограниченности соответствующей (подинтегральным функциям) последовательности значений sup нормы.

Пример. Рассмотрим ИП с полуалгеброй множеств, используемое в § 3.8. Итак, пусть E = N , а L Π[E] определена в (3.8.1), где семейства Z1 и Z2 также соответствуют § 3.8. Кроме того, будем использовать к.-а. (0,1)-меру µ(3.8.28). Рассмотрим последовательность

(χk,

)k

N

:

N −→

Bo(E,

L

)

(4.5.1)

−−→

 

 

 

 

 

 

 

 

(тогда, в частности, χ−−s,B(E, L) при s N ). Из определения индикатора легко следует факт поточечной сходимости

()

χk,

(x)

k

 

E(x) x

 

E,

(4.5.2)

−−→

 

 

N −→ O

 

 

 

 

 

 

 

 

где, как уже отмечалось, OE = ON есть стационарная последовательность, значения которой тождественно равны нулю. Наряду с (4.5.2) справедливо свойство

 

χk,

= 1 k

N

.

(4.5.3)

−−

 

 

 

Итак, мы имеем последовательность в единичной сфере пространства B(E, L). Заметим, что для всякого s N последовательность χs Bo(E, L) является стационарной и, в частности, сходящейся:

()

χs(j)

ясно, что h(χs) = 1 (см. (3.8.11). Поэтому согласно (3.8.25)

(4.5.4)

χs = 1 s N ,

E

 

в то время как для функции OE = ON справедливо равенство

 

OE = h(OE) = 0.

(4.5.5)

E

 

 

 

 

 

 

Из (4.5.4) и (4.5.5) мы получаем (несмотря на (4.5.2), 4.5.3)) свойство

(E

)

 

 

E

OE .

 

χk

k N

9

(4.5.6)

В (4.5.6) наглядно проявляет себя эффект конечной аддитивности.

2

222

Отметим, что для обоснования теоремы о мажорированной сходимости (в с.-а. случае) нам потребуется несколько обобщить понятие (секвенциальной) сходимости множеств. Условимся о следующих обозначениях: если

 

 

 

(Aj)j N : N −→ P(E),

 

 

 

 

(4.5.7)

то полагаем, что

 

)

 

 

 

 

∩ (

 

)

 

 

(

 

 

 

 

 

 

lim inf Aj =

m

 

 

Ak

&

 

lim sup Aj =

m

 

 

 

Ak . (4.5.8)

j→∞

N

−−−→

 

)

(

j

→∞

N

 

−−−→

 

)

(

 

 

 

 

k

 

 

 

 

k m,

 

 

 

 

 

 

 

 

m,

 

 

В (4.5.7) определены два п/м E; при всяком выборе последовательности (4.5.7) для множеств (4.5.8) имеем вложение

j

 

j

j

.

(4.5.9)

lim inf A

 

lim sup A

 

 

→∞

 

j→∞

 

 

Можно привести простые примеры, когда в (4.5.9) отсутствует равенство. Кроме того, если фиксирована последовательность (4.5.7), то

( ∩

A

)

m

 

j

 

j

&

(

A

)

m

 

lim sup

A

j

.

(4.5.10)

 

 

k

 

 

 

 

k

 

( k

−−−→

 

 

 

N

 

 

→∞

)

(

 

−−−→

 

 

 

N

j

→∞

 

 

)

 

 

m,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k m,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение 4.5.1. Если (Aj)j N — последовательность (4.5.7)

и A

P(E), то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(A )

 

A

def

(lim inf A

 

A

 

(lim sup A

 

= A) .

2

j N

) (

j =

 

 

(

j

 

j ∞

 

) &

 

j→∞

j

)

 

Предложение 4.5.1. Если(Aj)j N — последовательность (4.5.7)

и A

P(E), то

 

 

((Aj)j N ↓↑ A) = ((Aj)j N

A).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство предоставляется читателю в качестве упражнения.

Предложение 4.5.2. Если L (σ − alg)[E], (Lj)j N LN и L L, то

(

)

(

(

)

(Lj)j N

L

 

µ(Lj) j N → µ(L) µ (σ − add)+[L]).

Доказательство. Фиксируем L, (Lj)j N и L в согласии с условиями.

Пусть

 

(4.5.11)

(Lj)j N

L.

223

Из определения 4.5.1, (4.5.10) и (4.5.11) вытекает, что

 

 

 

 

↑ L

 

 

(4.5.12)

 

 

Lk

m

N

 

 

(k −−−→

)

 

 

 

 

 

 

 

m,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и, кроме того, справедливо свойство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lk

m

N

↓ L.

 

 

(4.5.13)

(k −−−→

)

 

 

 

 

 

 

m,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полагаем для краткости, что m N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lk

& Vm

 

 

Lk .

(4.5.14)

Um =

=

 

−−−→

(

−−−→

)

(

 

 

k

 

)

 

k

m,

 

 

 

 

 

 

m,

 

 

Тогда из (4.5.12) и (4.5.13) получаем следующие свойства сходимости

( ) ( )

(Um)m N ↑ L & (Vm)m N ↓ L .

Здесь (Um)m N : N → L и (Vm)m N : N → L. Пусть ν (σ − add)+[L].

Тогда (см.(4.2.23), (4.2.24))

(

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

(

 

 

 

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν(Um) m N ↑ ν(L))& (

 

ν(Vm) m N ↓ ν(L)).

 

 

 

 

 

(4.5.15)

Отметим, кроме того, с учетом (4.5.14) что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ν(Um) 6 ν(Lm) 6 ν(Vm) m N .

 

 

 

 

 

 

 

 

−−−→

Пусть

ε

o

] 0,

 

[.

С учетом (4.5.15) подберем

N

N такое, что

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N,

 

 

 

 

 

 

(| ν(Um) − ν(L) | < εo)& (| ν(Vm) − ν(L) | < εo).

 

 

 

 

 

 

 

Пусть

n

 

−−−→

 

Тогда, с одной стороны,

(

n

)

6

(

n

)

6

(

n

)

 

С другой

 

 

N,

.

ν U

 

ν L

 

ν V

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

стороны, по выбору n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(| ν(Un) − ν(L)| < εo)& (| ν(Vn) − ν(L)| < εo).

 

 

 

 

 

(4.5.16)

В частности, ν(L) − ν(Un) < εo, а потому ν(L) − ν(Ln) < εo. Из второго неравенства в (4.5.16) следует, что ν(Vn)−ν(L) < εo, а тогда ν(Ln)−ν(L) < < εo. В итоге

| ν(Ln) − ν(L)| < εo.

Коль скоро выбор n был произвольным, установлено, что

ν(L )

ν(L)

< ε

 

m

−−−→

| m

|

 

o

 

N, .

 

224

Поскольку и выбор εo был произвольным, получаем, что

()

ν(Lj) jN −→ ν(L).

Итак, установлено, что при условии (4.5.11)

 

 

 

 

 

(

)

 

 

 

 

µ (σ − add)+[L].

 

 

 

 

 

 

 

µ(Lj)

 

jN −→ µ(L)

 

 

2

 

Всюду до конца настоящего параграфа полагаем, что E ̸= .

Предложение 4.5.3. Если (gj)jN :

N → RE, то истинна следующая

импликация

 

 

 

 

 

 

(

 

 

 

 

)

 

 

 

(

(

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c ] 0, ∞[).

gj(x) jN −→ 0 x E) = (

 

(gj)1(] c, ∞[) jN

 

 

Доказательство. Фиксируем (gj)jN в согласии с условиями и полага-

ем, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ε

 

] 0,

 

 

 

 

gj(x) jN −→ 0 x E.

 

 

 

Пусть

 

[. Получаем теперь, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

g

 

1

( ]

ε,

[) = {

x

 

E

|

ε < g

x

j

N

.

 

 

 

 

 

j = ( j)

 

 

 

 

 

j( )}

 

 

Получили последовательность (Aj)jN в P(E), для которой множества

(

A

 

 

& A

 

lim sup A

j)

 

= lim inf A

 

 

j→∞

j) (

=

j→∞

таковы, что A A . Покажем, что A = . В самом деле, допустим противное: A ≠ . Выберем x A ; тогда

 

 

 

 

 

 

m

 

 

k

 

−−−→ :

ε < g

k(

)

.

(4.5.17)

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

m,

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Однако

gj(x ) jN 0, что противоречит (4.5.17). Тем самым установле-

но, что

(

= )а тогда и

A

=

.

В итоге (см. определение 4.5.1)

 

 

 

 

 

 

 

A

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Aj)jN

 

.

 

 

 

 

 

Так как ε ] 0, ∞[ выбиралось произвольно, имеем из определения (Aj)jN

 

требуемое свойство сходимости последовательностей

(g )1( ] c,

[)

,

c

 

] 0,

 

[.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

( j

)jN

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие 4.5.1. Если (gj)jN : N → RE, то истинна импликация

 

 

(

(

 

 

)

 

 

 

 

 

 

(

 

 

)

 

c ] 0, ∞[).

 

 

gj(x) jN 0 x E) = (

t gj t( ] c, ∞[) jN

 

225

Доказательство очевидно (см. предложение 4.5.3).

Предложение 4.5.4. Если L (σ − alg)[E] и (gi)iN :

((( ) ) (

gi(x) iN 0 x E & c [ 0, ∞[: gj 6 c

(() )

N → B(E, L), то

))

j N =

= gi dµ → 0 µ (σ − add)+[L] . (4.5.18)

iN

E

Доказательство. Фиксируем L и (gi)iN в согласии с условиями. Пусть

(( ) ) ( ) gi(x) iN 0 x E & c [ 0, ∞[: gj 6 c j N .

t

gj

t

B

+

(E, L) j N .

Легко видеть, что (см. (4.4.1))

 

Тогда hj =

 

 

 

 

 

 

 

 

gj = hj j N .

 

Стало быть, для некоторого числа a [ 0, ∞[

 

 

 

 

 

 

hj 6 a

j N .

(4.5.19)

Пусть ν (σ − add)+[L]. Покажем, что имеем место сходимость

 

 

 

 

 

 

(E

)

 

 

 

 

 

 

gi

iN −→ 0.

(4.5.20)

В самом деле, пусть κ ] 0, ∞[. Тогда, в частности,

κ

b = 2(ν(E) + 1) ] 0, ∞[

(напомним, что ν(E) [ 0, ∞[.) Мы имеем теперь при всяком j N , что множества

t

 

1

( ] − ∞, b]) = {x E | hj(x) 6 b} L,

 

Uj =

gj t

 

 

t

gj t

1

( ] b, ∞[) = {x E | b < hj(x)} L

(4.5.21)

Vj =

 

 

образуют в совокупности разбиение множества E

 

 

 

(Uj Vj = E)& (Uj ∩ Vj = );

(4.5.22)

226

отметим, кроме того, с учетом (3.7.9) и неотрицательности hj, что

()

 

 

hj ν =

hj

L

(add)+[L]

 

 

 

 

L

 

L

 

 

 

 

 

 

 

(на самом же деле hj ν =

L hj LL (σ − add)+[L] в силу предложе-

ния 4.4.4), а тогда с учетом (∫(4.5.21) )и (4.5.22) имеем цепочку равенств

hj +

hj = (hj ν)(Uj) + (hj ν)(Vj) = (hj ν)(E) =

hj dν.

Uj

Vj

 

 

 

E

 

Заметим, что в силу следствия 4.5.1 и (4.5.10)

(Vj)jN .

С учетом предложения 4.5.2 имеем свойство сходимости

(

)

(4.5.23)

 

ν(Vj) jN −→ 0.

Кроме того, легко видеть, что для каждого k N

 

hkχVk 5 Vk ,

а тогда с учетом неотрицательности ν получаем, что

hk = hkχVk 6 Vk = (Vk),

hk [ 0, ∞[.

Vk

E

 

E

 

Vk

В силу (4.5.23) имеем теперь очевидную сходимость

 

 

hj

jN −→ 0.

 

 

 

(Vj

)

 

 

С учетом этого свойства фиксируем такой индекс p N , что

 

 

 

κ

p, .

 

 

hj dν <

 

 

j −−

(4.5.24)

 

2

Vj

С другой стороны, из (4.5.21) имеем для всякого j N

hjχUj 5 Uj ,

227

откуда с учетом неотрицательности ν вытекает, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

hj = hjχUj 6 Uj = (Uj) 6 (E) =

κ

 

ν E)

 

κ

 

 

·

(

<

 

.

2

 

ν(E) + 1

2

Uj

E

E

 

 

 

−−→

 

 

 

 

 

С учетом (4.5.24) мы получаем, как следствие, j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p,

 

 

 

 

 

 

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E

E

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

t gj t =

hj dν < κ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gj

 

 

 

 

 

 

 

см. следствие 4.4.1. Поскольку выбор κ был произвольным, установлена

сходимость

 

(E

)

 

 

 

iN −→ 0.

 

 

gi

Но и выбор ν также был произвольным. Стало быть,

(E

 

)

 

µ (σ − add)+[L],

gi

iN −→ 0

чем и завершается доказательство импликации (4.5.18).

Теорема 4.5.1. Если L (σ − alg)[E], f B(E, L) и (fi)iN

B(E, L), то

((( ) ) (

fi(x) iN → f(x) x E & c [ 0, ∞[: fj 6 c j N

(() ∫ )

2

: N →

))

=

=

fi

i

→ f dµ µ (σ − add)+[L] .

(4.5.25)

 

 

 

N

 

E

 

 

E

 

Доказательство практически очевидно (см. предложение 4.5.4), но в целях полноты изложения мы его приведем, фиксируя L, f и (fi)iN в согласии с условиями и полагая истинной посылку доказываемой импликации (4.5.25). Имеем

( )

φj = fj − f = fj(x) − f(x) x E B(E, L) j N .

( )

Тогда φi(x) iN 0 x E. Кроме того, по аксиомам нормы

φj 6 fj + f j N .

228

Стало быть, в силу предложения 4.5.5 имеем место сходимость

()

 

φi

i

−→ 0 µ (σ − add)+[L].

(4.5.26)

 

E

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

Вместе с тем φj =

fj dµ −

f dµ µ (σ − add)+[L]

j N . С

E

 

E

 

 

E

 

учетом (4.5.26)имеем:

 

 

 

(E

)

 

 

E

f dµ µ (σ − add)+[L].

 

fi

iN

−→

2

Отметим, кстати, что, если зафиксировать меру µ, по которой осуществляется интегрирование, то условия посылки в (4.5.25) могут быть ослаблены, что и делается в классической теории меры (см., например, [3]).

Следствие 4.5.2. Если L (σ − alg)[E], f B(E, L) и (fi)iN

B(E, L), то

((( ) ) (

fi(x) iN → f(x) x E & c [ 0, ∞[: fj 6 c j N

(() ∫ )

= fi dµ → f dµ µ (σ − add)+[L] L L .

iN

: N →

))

=

(4.5.27)

L L

Доказательство. Фиксируем L, f и (fi)iN в согласии с условиями, полагая истинной посылку доказываемой импликации (4.5.27). Пусть ν

(σ − add)+[L] и Λ L. Тогда φ = fχ B(E, L) и

φi = fiχ B(E, L) i N .

()

При этом φi(x) iN → φ(x) x E. В самом деле, при x Λ имеем φj(x) = fj(x) при j N и, кроме того, φ(x) = f(x). Если же x E \ Λ,

то φj(x) = φ(x) = 0 при всех j N. Кроме того, φj 6 fj j N. В силу теоремы 4.5.1 имеем сходимость

 

(E

)

E

 

 

 

 

φi

iN −→

φ dν.

 

(4.5.28)

Из (3.7.4) имеем также следующие равенства

 

)

(E

 

 

) (E

 

φj = fj dν j N &

φ dν =

f dν .

229

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]