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無限回起きるかどうかを級数だけで決める|ボレル・カンテリの補題

事象の列 について、「無限回起きる」という事象を集合で書けます。

どの番号から見ても先にまだ が現れる点の全体です。 加法族が可算合併と可算交叉で閉じているので、この集合も可測になります。

ボレル・カンテリの補題は、この集合の測度を級数だけで判定します[1]。エミール・ボレルとフランチェスコ・パオロ・カンテリによるものです。

limsup と liminf

対になる集合も同じ形で書けます。

こちらは「ある番号から先はずっと起きる」という事象です。包含 が成り立ちます。

数列の上極限・下極限とちょうど同じ構造。指示関数で書くと となり、対応がはっきりします。

第 1 補題

測度の総和が有限なら、無限回起きる集合は零集合になります[1]。

独立性は仮定しません。任意の測度空間で成り立つので、確率でなくても使えます。

証明は劣加法性 1 回で済みます。 なので、次が言える。

右辺は収束級数の裾なので、 で に落ちます。左辺は によらないので です。

例:測度収束から概収束する部分列

が に測度収束するとします。番号を選んで、次を満たすようにできます。

右辺の総和は で有限。第 1 補題から、これらの集合に無限回入る点は零集合しかありません。

外の点では、ある から先ずっと が成り立ちます。つまり部分列が概収束する。

測度論の中でボレル・カンテリがいちばんよく働く場面です。

第 2 補題

級数が発散する場合は、独立性を足せば逆向きの結論が出ます[2]。

確率空間で が独立、かつ なら、。無限回起きることが確実になります。

証明は補集合を評価します。 を使うと、有限個の積が次のように押さえられる。

指数の中が へ発散するので、右辺は 。したがって がすべての で成り立ち、共通部分も確率 です。

2 つを合わせると、独立な事象については確率が か しかありません。0-1 法則の一種です[3]。

第 1 補題

なら無限回は起きない。独立性は要らない

第 2 補題

と独立性から、無限回が確率 で起きる

上の帯は途中から一度も色が付きません。下の帯は間隔を空けながら、いつまでも色が付き続けます。

独立性を外すと第 2 補題が崩れる

を満たす事象 をとり、 とすべての で置きます。

ですが、 なので確率は です。 ではありません。

もっと極端な例もあります。 で とすると、測度の和は調和級数で発散します。

測度は です。独立でない列では、級数が発散しても結論が出ません[3]。

第 1 補題に独立性が要らないのは、劣加法性だけで済むから。第 2 補題は積に分解する必要があり、そこで独立性を使います。

測度空間としての確率空間

確率空間とは、全測度が の測度空間 のことです。呼び名が変わるだけで、中身は測度論そのもの。

測度空間確率空間
可測集合事象
可測関数確率変数
積分期待値
概収束概収束(ほとんど確実に)
測度収束確率収束

言葉が 2 系統あるのは歴史的な事情です。測度論で証明した定理は、そのまま確率論の定理になります。

例:コイン投げで表が無限回出る

公正なコインを独立に投げ続けます。 を「 回目が表」とすると で、和は発散。

独立なので第 2 補題が使えて、表が無限回出る確率は です。当たり前に見える主張に、きちんと根拠が付きます。

「10 回連続で表」という事象でも同じ。 回目から 10 回を見る事象は独立でないので、 回ごとに区切って独立な部分列を作ります。

区切った列では で和が発散するため、10 連続の表も無限回起きる。文章がいつか打ち出されるという主張も、同じ形で示せます[1]。

例:ほとんどすべての実数は正規数

ボレルは、 のほとんどすべての数が正規数であることを示しました[1]。どの桁の並びも、あるべき頻度でちょうど現れる数のこと。

証明の骨格に第 1 補題が使われます。頻度が偏る事象の確率が十分速く減ることを示し、無限回起きないと結論する。

具体的な数を 1 つ挙げるのは難しい。それでも「ほとんどすべて」は言えるという、測度論らしい形の主張です。

上のルベーグ測度で とします。正しいものはどれですか。

  • が発散するので
  • は発散するが は空集合
  • が収束するので
  • になる
__RESULT__

和は調和級数なので発散します。それでも は減少列なので、共通部分は空。第 2 補題には独立性が要り、この列は独立ではありません。

よくある誤り

第 1 補題に独立性が要ると思う。劣加法性だけで済みます
第 2 補題に独立性が要らないと思う。外すと で崩れます
第 2 補題が一般の測度で成り立つと思う。確率測度についての主張です
と をとり違える。前者が無限回、後者がいつかから先ずっとです
級数が発散すれば必ず無限回起きると思う。独立でない列では言えません
確率 を「必ず起きる」と読む。零集合の例外は残ります
確率論が測度論と別の理論だと思う。全測度が の測度空間そのものです
正規数の例が具体的な数を与えると思う。ほとんどすべて、としか言っていません

参考文献

Borel–Cantelli lemma. Wikipedia(英語).
Lemma von Borel-Cantelli. Wikipedia(ドイツ語).
Lemme de Borel-Cantelli. Wikipédia(フランス語).
$\limsup A_n$ は「無限回起きる」を集合で書いたものです。測度の総和が有限なら、そこは零集合になる。証明は劣加法性 1 回で終わり、独立性も確率測度も要りません。逆に総和が発散する場合は独立性が要り、外すと $A_n = A$ で崩れます。測度収束する列から概収束する部分列を抜くとき、この補題が効く。コイン投げで表が無限回出ることや、ほとんどすべての実数が正規数であることも同じ道具で言えます。