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” 的域(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和单调不增序列的交集。我们继续往集合系 “域” 里面添加原材料吧!
“单调不减序列的并集” 和 “单调不增序列的交集”,我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:
而集合系作为域,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,作为域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》的结论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: |
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。 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。 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。
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》 |
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
系列文章《集合系的原材料》提到过:
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:
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。
前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。
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。
再次根据系列文章《更高级的原材料》的结论2:
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。
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: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:
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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。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? |