定理(波莱尔-坎泰利引理)
设 (Ω,F,P) 是一个概率空间[reference
],
{An}n=1∞ 是
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=1∑∞P(An)<∞,
则这列事件中有无限多个同时发生的概率为零[reference
][reference
]:
P(n→∞limsupAn)=0.
第二部分(间接部分)
若 {An}n=1∞ 是相互独立的事件列[reference
],且事件概率之和发散,即
n=1∑∞P(An)=∞,
则这列事件中有无限多个同时发生的概率为一[reference
]:
P(n→∞limsupAn)=1.
证明
第一部分证明[reference
]
记 An 发生无限多次的事件为
n→∞limsupAn=m=1⋂∞n=m⋃∞An.
由 Boole 不等式,对任意 m≥1,
P(n=m⋃∞An)≤n=m∑∞P(An).
因为 ∑n=1∞P(An)<∞,所以当 m→∞ 时,级数的余项趋于零:
n=m∑∞P(An)→0.
于是
P(n=m⋃∞An)→0.
由概率的上连续性,
P(n→∞limsupAn)=m→∞limP(n=m⋃∞An)=0.
证毕。
第二部分证明[reference
]
因为 {An} 相互独立,所以其补事件 {Anc} 也相互独立[reference
]。
对任意 m≥1 和 m1>m,
P(n=m⋂m1Anc)=n=m∏m1P(Anc)=n=m∏m1(1−P(An)).
利用不等式 1−x≤e−x(对所有 x≥0 成立)[reference
],
n=m∏m1(1−P(An))≤n=m∏m1e−P(An)=exp(−n=m∑m1P(An)).
由 ∑n=1∞P(An)=∞,对任意固定的 m,也有 ∑n=m∞P(An)=∞[reference
]。
令 m1→∞,则
exp(−n=m∑m1P(An))→0.
因此
P(n=m⋂∞Anc)=0.
于是
P(n→∞liminfAnc)=m→∞limP(n=m⋂∞Anc)=0.
最后,由事件的上极限与补事件的下极限之间的关系,
n→∞limsupAn=(n→∞liminfAnc)c,
得到
P(n→∞limsupAn)=1.
证毕。
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