波莱尔-坎泰利引理 (Borel-Cantelli Lemma)

Published 2026-07-02 00:00 429 words 3 min read

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定理(波莱尔-坎泰利引理) 设 $(\Omega, \mathcal{F}, P)$ 是一个概率空间[reference:3],$\{An\}{n=1}^{\infty}$ 是 $\mathcal{F}$ 中的一列事件[reference:4]。 第一部分(直接部分) 若事件概率之和收敛,即 \sum{n=1}^{\infty} P(An) < \infty,...

定理(波莱尔-坎泰利引理)

(Ω,F,P)(\Omega, \mathcal{F}, P) 是一个概率空间[reference

],{An}n=1\{A_n\}_{n=1}^{\infty}F\mathcal{F} 中的一列事件[reference
]。

第一部分(直接部分)

若事件概率之和收敛,即

n=1P(An)<,\sum_{n=1}^{\infty} P(A_n) < \infty,

则这列事件中有无限多个同时发生的概率为零[reference

][reference
]:

P(lim supnAn)=0.P\left(\limsup_{n \to \infty} A_n\right) = 0.

第二部分(间接部分)

{An}n=1\{A_n\}_{n=1}^{\infty}相互独立的事件列[reference

],且事件概率之和发散,即

n=1P(An)=,\sum_{n=1}^{\infty} P(A_n) = \infty,

则这列事件中有无限多个同时发生的概率为一[reference

]:

P(lim supnAn)=1.P\left(\limsup_{n \to \infty} A_n\right) = 1.

证明

第一部分证明[reference
]

AnA_n 发生无限多次的事件为

lim supnAn=m=1n=mAn.\limsup_{n \to \infty} A_n = \bigcap_{m=1}^{\infty} \bigcup_{n=m}^{\infty} A_n.

由 Boole 不等式,对任意 m1m \ge 1

P(n=mAn)n=mP(An).P\left(\bigcup_{n=m}^{\infty} A_n\right) \le \sum_{n=m}^{\infty} P(A_n).

因为 n=1P(An)<\sum_{n=1}^{\infty} P(A_n) < \infty,所以当 mm \to \infty 时,级数的余项趋于零:

n=mP(An)0.\sum_{n=m}^{\infty} P(A_n) \to 0.

于是

P(n=mAn)0.P\left(\bigcup_{n=m}^{\infty} A_n\right) \to 0.

由概率的上连续性,

P(lim supnAn)=limmP(n=mAn)=0.P\left(\limsup_{n \to \infty} A_n\right) = \lim_{m \to \infty} P\left(\bigcup_{n=m}^{\infty} A_n\right) = 0.

证毕。


第二部分证明[reference
]

因为 {An}\{A_n\} 相互独立,所以其补事件 {Anc}\{A_n^c\} 也相互独立[reference

]。

对任意 m1m \ge 1m1>mm_1 > m

P(n=mm1Anc)=n=mm1P(Anc)=n=mm1(1P(An)).P\left(\bigcap_{n=m}^{m_1} A_n^c\right) = \prod_{n=m}^{m_1} P(A_n^c) = \prod_{n=m}^{m_1} (1 - P(A_n)).

利用不等式 1xex1 - x \le e^{-x}(对所有 x0x \ge 0 成立)[reference

],

n=mm1(1P(An))n=mm1eP(An)=exp(n=mm1P(An)).\prod_{n=m}^{m_1} (1 - P(A_n)) \le \prod_{n=m}^{m_1} e^{-P(A_n)} = \exp\left(-\sum_{n=m}^{m_1} P(A_n)\right).

n=1P(An)=\sum_{n=1}^{\infty} P(A_n) = \infty,对任意固定的 mm,也有 n=mP(An)=\sum_{n=m}^{\infty} P(A_n) = \infty[reference

]。

m1m_1 \to \infty,则

exp(n=mm1P(An))0.\exp\left(-\sum_{n=m}^{m_1} P(A_n)\right) \to 0.

因此

P(n=mAnc)=0.P\left(\bigcap_{n=m}^{\infty} A_n^c\right) = 0.

于是

P(lim infnAnc)=limmP(n=mAnc)=0.P\left(\liminf_{n \to \infty} A_n^c\right) = \lim_{m \to \infty} P\left(\bigcap_{n=m}^{\infty} A_n^c\right) = 0.

最后,由事件的上极限与补事件的下极限之间的关系,

lim supnAn=(lim infnAnc)c,\limsup_{n \to \infty} A_n = \left(\liminf_{n \to \infty} A_n^c\right)^c,

得到

P(lim supnAn)=1.P\left(\limsup_{n \to \infty} A_n\right) = 1.

证毕。

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