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集合系的终极配方

有無嘢啊 马是我的 2024-03-17
本文为系列文章 “集合系的分类” 的第五篇、结束篇。该系列文章尝试把测度论中涉及的各种集合系(或称集族)串联起来,帮助理解,为后续的测度论学习打下扎实的基础。

系列文章:

  《集合系的原材料》

  《集合系的常见配方》

  《有限集合运算全家桶》

  《更高级的原材料》

所需知识:可列集


前面系列文章介绍的最后一个常见配方,是被称作 “有限集合运算全家桶” 的(或代数)。而之后的文章《更高级的原材料》则引入两种新的 “原材料”:单调不减序列的并集单调不增序列的交集。我们继续往集合系 “” 里面添加原材料吧!
1. 终极配方  域

单调不减序列的并集” 和 “单调不增序列的交集”们应该选择其中的哪一个来添加呢?不着急,在文章《更高级的原材料》末尾的结论2

  • 单调不减序列的并集 + 补集  单调不增序列的交集
  • 单调不减序列的交集 + 补集  单调不增序列的并集

而集合系作为,已经对补集运算封闭,因此上述两种材料添加哪一种其实都是一样的!

而且,作为的集合系也已经对有限并集有限交集封闭,在对单调不减序列的并集(或单调不增序列的交集)封闭之后,根据文章《更高级的原材料》结论1,集合系也同时对可列并集可列交集封闭!

大家把这种对所有有限集合运算都封闭,同时又对可列并集、可列交集封闭的集合系称为  域,或  代数。下面是简化后的定义:
定义
集合  上的集合系  如果满足以下条件:
  •   
  •   

  •   
则称集合系  为  域,或  代数
证明

我们证明一下集合系对所有有限集合运算、可列交集也封闭。

1. 集合系  对可列交集封闭
对于集合系  中的任意序列  ,其可列交集可表示为:
  
由于集合系对补集运算、可列并运算都封闭,可知  ,即集合系对可列交集也封闭。
2. 集合系  是域
由于集合系对可列交集封闭,如文章《更高级的原材料》结论1所说,集合系自然也对有限交集封闭。再加上集合系已对补集运算封闭,足以说明集合系  是域,从而对所有有限集合运算都是封闭的。
测度论里会把集合系  域里面的集合元素称为可测集,在  域上建立测度,然后把  域  和全集  放在一起,组成可测空间  。你现在知道  域有多重要了吧。

2. 特殊用途的集合系
上一节,我们在域的基础上添加 “单调不减序列的并集”,集合系就直接演变为  域。也就是说,如果我们能够先找到一个域,然后再证明这个集合系对可列运算封闭,即可得到一个  域。实际中这样好操作吗?大佬用他们的经验告诉我们:
‍‍在应用中确定一个集合系是单调系往往比较简单,但代数(域)的构造仍然比较复杂,真要做起来还是比较烦琐。在应用中主要的矛盾是对交的封闭。

—— 任佳刚、巫静的《测度与概率教程》

听不懂?没事,我给你翻译翻译:

大佬建议我们从对交集运算封闭的集合系(  系)入手,再确定集合系是否满足其它条件,使之成为  域。我们换个角度来理解:对于  系,至少还需要满足什么条件才能成为  域?或者再换个角度,如果  域剔除掉 “对有限交集封闭” 的这个条件,会成为一个怎样的集合系?

分析一 

列文章《集合系的原材料》提到

差集    真子集差 +  交集 + 空集
既然我们决定剔除交集运算,那就必须保留真子集差和空集,否则会丢失差集的一些性质。

分析二

接着我们考虑一下并集和补集,我们知道:

交集 + 补集    并集 + 补集  全集

为了剔除交集运算,我们不能同时保留并集、补集运算;但这种情况下会失去获取全集的一种渠道,我们必须保留获取全集的另一个渠道:直接引入全集

分析三

面说了必须保留真子集差和空集,现在又必须直接引入全集,三种原材料自然地蕴含了补集运算

分析四

前面也说了不能同时保留并集和补集运算,既然前面的分析已确认包含了补集运算,我们只能选择剔除并集运算

分析五

再次根据系列文章《更高级的原材料》的结论2:

  • 单调不减序列的并集 + 补集  单调不增序列的交集
  • 单调不减序列的交集 + 补集  单调不增序列的并集
既然现在已确认包含了补集运算,“单调不减序列的并集”、“单调不减序列的交集”,我们从中任选一个即可。

在上述分析的基础上,我们过一下原材料清单:
  • 有限交集?这次须要剔除的目标;

  • 有限并集?因全集与真子集差、空集蕴含补集运算,必须剔除并集运算(分析四);

  • 全集  ?必须直接引入(分析二)

  • 空集  ?因差集剔除交集而必须保留(分析一);

  • 真子集差?因差集剔除交集而必须保留(分析一);

  • 弱真子集差?真子集差已蕴含该运算,不单独引入;

  • 补集?全集和真子集差、空集已蕴含该运算,不单独引入(分析三);

  • 单调不减序列的并集?直接引入(分析五);

  • 单调不增序列的交集?因单调不减序列的并集和补集已蕴含该运算,不单独引入(分析五)。

于是原材料清单在剔除交集运算后仅剩下:全集  、空集  、真子集差以及单调不减序列的并集。将真子集差与空集  合在一起等价替换为子集差,则有下面的定义:

定义

集合  上的集合系  如果满足以下条件:
  •   
  •   

  •   
则称集合系  为  系

这材料组合实在是奇葩啊!

这个集合系,恰恰在测度论里面有很广泛的用途,如单调类定理。希望上面的分析能有助于大家对  系的理解和记忆。

3. 系列总结

我们在域的基础上添加了可列集合运算,使之成为  域。然后又针对实际应用的情况,将有限交集从  域中剔除,从而得到  系。至此,所有测度论相关的集合系均已串联起来:
 
 
不同的书籍可能对集合系有不同的定义方法,但他们的本质都是一样的。借助这一系列文章的串联方法,相信能更好地把握各种集合系的核心特征。

后面将会有系列文章专门讲述单调类定理,以及如何从一般的集合系生成相关的  域。
拓展

从最初仅对有限集合运算运算封闭的域,到后来对可列个集合运算封闭的  域,是从有限到无穷的演进。但无穷集并不只是可列集,对于基数为  个集合、甚至更多集合的运算,其封闭性是否值得探究?

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