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「よい集合の原理」で測度の一致を確かめる(π-λ 定理と単調族定理)

2 つの測度が 加法族の全体で一致することを、直接確かめるのは無理です。ボレル集合は書き下せないほど多い。

代わりに、生成する小さい族の上で一致することだけを見ます。それで全体が決まる。ディンキンの - 定理がその保証を与えます[1]

条件は 2 つ。小さい族が有限交叉で閉じていること、そして「一致する集合の全体」が 系になっていること。どちらも確かめやすい形をしています。

集合族 が有限交叉で閉じているとき、 系といいます。

条件はこれだけ。 の半直線 の全体、区間 の全体、長方形の全体などが 系になります。

どれもボレル集合族を生成します。 系は「生成系として使いやすい形に整えたもの」だと思えば済む。

次の 3 条件を満たす族を 系、またはディンキン系といいます[3]

である。
を満たす について となる。
増加列 について となる。

加法族より弱い条件です。合併について要求しているのは増加列だけで、勝手な可算合併では閉じていなくてよい。

なぜこの形かというと、測度の性質がちょうどこの 3 つに対応するためです。全体の値、差の値、下からの連続性。

加法族は両方を兼ねる

系でも 系でもある族は、 加法族になります[1]。逆も明らかなので、両者は同値です。

証明は補集合と有限合併を作るだけ。 は条件 2 から、 系の性質からできます。

可算合併は、有限合併の増加列として条件 3 で拾えます。3 つの条件が過不足なく効いている形。

ディンキンの - 定理

系、 系とし、 とします。このとき次が成り立ちます[1]

シェルピニスキとディンキンの名前が付いています。証明は、 を含む最小の 系が 系でもあることを示す形。

そこまで示せば前の節から 加法族になり、 を含むと分かります。

よい集合の原理

使い方はいつも同じ形をしています[3]。示したい性質を持つ集合の全体を と置き、次の 2 つを確かめる。

生成系 のすべての元が性質を持つ

性質を持つ集合の全体が 系である

のすべての元が性質を持つ

「よい集合の原理」と呼ばれる型です。 加法族の元を 1 つずつ調べる代わりに、族の形だけを見る。

測度の一意性定理

系、 上の測度とします。 の上で値が一致し、さらに次を満たす列があるとします。

このとき の全体で一致します[1]

証明は 系であることを見るだけ。差の条件は有限性から引き算ができて、増加列の条件は下からの連続性から出ます。

なので 。あとは で下からの連続性を当てれば終わりです。

例:分布関数が測度を決める

上の確率測度 に対し、 を分布関数といいます。

半直線の全体は 系で、ボレル集合族を生成します。 が増加列で全体を覆い、測度は有限。

したがって が一致すれば が一致します。分布関数 1 本で確率測度が決まる、という事実の根拠がこれです。

ルベーグ測度が区間の長さで決まることも、同じ議論で出ます。

例: 系でないと崩れる

を 4 点集合とし、生成系を とします。

を一様測度、 ずつ置いた測度とします。 の元では両方とも で一致。

ところが で値が分かれます。

は交叉で閉じていません。閉じていないだけで、一意性は壊れます。

3 つの集合では一致し、 で初めて分かれます。生成系を 系にしておかないと、この穴が塞げません。

単調族定理

似た役割をする定理がもう 1 つあります[2]。単調族とは、増加列の合併と減少列の共通部分で閉じた族のこと。

代数 (有限合併と補集合で閉じた族)を含む最小の単調族は、 と一致します。

- 定理と比べると、生成系に課す条件が強く、族に課す条件が弱い。どちらを使うかは、確かめやすいほうで決めます。

- 定理

生成系は有限交叉だけ。族には差と増加合併を求める

単調族定理

生成系に代数であることを求める。族には増加と減少の両方を求める

関数版の単調族定理

集合ではなく関数で使う形もあります[2] の元の指示関数を含み、線形で、有界な単調極限で閉じた関数の族 を考えます。

このとき は、 可測な有界関数をすべて含みます。

フビニの定理の証明で、切り口の可測性を示すときに使われる形です。指示関数で確かめて、単関数、非負可測関数、可積分関数へと持ち上げる筋道。

例:独立性の判定

確率論では、 加法族の独立性を生成系だけで確かめます。

系とし、その元どうしで が成り立つとします。すると が独立になる。

確率変数の独立性を分布関数だけで判定できるのは、この事実によります。 系であることが効く場面。

測度の一意性を生成系から言うために、生成系 に必要な条件はどれですか。

  • 補集合で閉じていること
  • 有限交叉で閉じていること
  • 可算合併で閉じていること
  • 差集合で閉じていること
__RESULT__

系、つまり有限交叉で閉じていることが要ります。4 点集合の例のように、交叉で閉じていない族では 2 つの測度が生成系で一致しながら全体では分かれます。

よくある誤り

生成系で一致すれば測度が一致すると思う。 系であることが要ります
系が 加法族だと思う。可算合併で閉じているとはかぎりません
系の条件に勝手な可算合併を書く。増加列についてだけ要求します
有限性の仮定を落としてよいと思う。 を満たす覆いが要ります
単調族定理と - 定理を同じ仮定だと思う。生成系に課す条件が違います
系に空集合や全体集合が要ると思う。条件は有限交叉だけです
関数版が集合版から自明に出ると思う。単関数からの持ち上げが要ります
独立性を分布関数で判定できる理由を偶然だと思う。半直線が 系であることが効いています

参考文献

Dynkin system. Wikipedia(英語).
Monotone class theorem. Wikipedia(英語).
Dynkin-System. Wikipedia(ドイツ語).
ボレル集合を一つずつ調べる代わりに、生成する小さい族の上だけで測度の一致を見ます。生成系が有限交叉で閉じていて、一致する集合の全体が λ 系になっていれば、σ 加法族の全体まで一致が伸びる。分布関数 1 本で確率測度が決まるのも、区間の長さでルベーグ測度が決まるのも、この定理の帰結です。4 点集合の例では、交叉で閉じていない族を使ったせいで 2 つの測度が分かれます。