02-函数列与随机过程的收敛 I


在微积分中,我们学过数列的收敛;在高等微积分中,还会进一步讨论函数列的收敛,情形也更加复杂。由于函数收敛的情况非常丰富,这里分成两部分讨论:一部分是在高等微积分中常用的收敛性,另一部分是在高等概率论中常用的收敛性,也就是随机过程的收敛。本附录着重讨论高等微积分中的收敛性。所论函数可以定义在一般的定义域上,也可以直接把定义域理解为一个一般的概率空间。

B.1 逐点收敛

设 是概率空间,并且对每个 ,

都是随机变量。于是,对每个固定的 , 都是一个实数序列。

定义 B.1. 若对每个 ,

则称 在 上逐点收敛于 ,记作

逐点

等价地,对每个 和每个 ,都存在 ,使得当 时,

这里的 可以依赖于 。

例 B.2. 设

那么对所有 ,

也就是说,

逐点

可以看出,逐点收敛已经是一个相当强的条件。但在这样强的条件下,是否会得到更好的性质呢?

问题. 设 在 上逐点成立。

  1. 若每个 都连续,那么 也连续吗?
  2. 若每个 都可积,那么 也可积吗?而且是否有

答案. 第一个问题的答案是否定的;第二个问题的答案也是否定的。

例 B.3.

  1. 在 上令

那么

也就是说, 逐点收敛于 。然而,每个 都在 上连续,而 在 处不连续。

  1. 对 ,令

那么

因此

但是,令 ,有

所以

因此,对于一些基本性质而言,逐点收敛似乎仍然太弱。下一节将介绍一种更强的收敛概念。

B.2 一致收敛

定义 B.4. 若对所有 ,都存在

其中 与 无关,使得当 时,对每个 都有

则称 在 上一致收敛于 。

请注意,一致收敛总是相对于某个集合而言的。

例 B.5.

  1. 对 ,令

它的极限函数为

此外,对每个 ,取

当 时,对所有 ,

因此, 在 上一致收敛于 。

  1. 对 ,令

由例 B.3(2), 在 上逐点成立。假设 在 上一致成立。取 ,则存在 ,使得对 以及所有 ,都有

然而,取 ,则当 时,

这产生矛盾。因此, 不在 上一致收敛于 。

注 B.6. 若 在 上一致成立,则 在 上逐点成立。反方向不一定成立;例 B.5(2) 就是一个反例。

一致收敛有一个实用的等价定义。

注 B.7. 在 上一致成立,当且仅当

例 B.8.

  1. 对 ,考虑

由例 B.2, 逐点成立。进一步,

所以 在 上一致成立。

  1. 对所有 ,令

由例 B.3(1), 逐点成立。但是

当 时并不趋于 。因此 不在 上一致收敛于 。

  1. 对 ,考虑

由例 B.3(2), 逐点成立。但是

当 时,这个量不趋于 。因此 不在 上一致收敛于 。

在一致收敛的条件下,极限函数具有更好的性质。

定理 B.9. 假设 在 上一致成立。

  1. 若每个 都在 处连续,则 在 处也连续。因此,如果 是连续函数列,那么其极限函数 也是连续的。

    进一步,若 是聚点,则

  1. 若每个 在 上都可积,则 也可积,并且


文章作者: Gustavo
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