前置

定义

本章恒设 是概率空间,如果没有特别声明,本章言及的事件都属于 , 随机变量都属于 。

  • 定义 13.1
    (i) 称有限多个事件 是独立的 (independent),如果对每个子集 都有

    (ii) 称一个事件类 是独立的,如果其中任意有限多个事件都是独立的。

  • 定义 13.4

    • (i) 称有限多个事件类 是独立的,如果在每个 中任取一个成员 ,事件 都是独立的;
    • (ii) 称一族事件类 是独立的,如果其中任意有限多个事件类都是独立的。

性质

  1. 若事件 独立,则 的任意子集都独立。
  2. 在有限个事件集合 中添加不改变独立性。
  3. 在事件类 中添加不改变独立性。
  4. 若事件类 独立,则 也独立,其中 。
  5. 定理 13.3 设 是一个事件类,则下列两条等价:
    (i) 是独立的;
    (ii) 是独立的,其中 是 和 中任意一个。
  6. 设 是一族独立事件类,则 也是独立的,其中 ,即一族独立事件类的任意部分族仍然独立。
  7. 在有限个事件类 中添加不改变独立性,即 的独立性与 的独立性相同。
  8. 在一簇事件类 中添加不改变独立性,即 的独立性与 的独立性相同。
  9. 定理 13.5 若 是一族独立事件类,且诸 都是 类,则 也是一族独立事件类.

证明

定理 13.3

设 是一个事件类,则下列两条等价:
(i) 是独立的;
(ii) 是独立的,其中 是 和 中任意一个。

证明:

根据定义 13.1(ii),证明任意事件类的独立性只需验证其任意有限子集的独立性。因此,不妨设有限个事件 独立,只需证明将其中任意一个事件(如 )替换为其对立事件 后,得到的事件类 仍保持独立(若此成立,通过有限次重复替换即可将任意子集中的事件替换为其对立事件,进而由 得到 (i) 与 (ii) 的充分必要性)。

设 为任意非空子集,只需验证以下两个等式:

  1. 不包含 的子集:
    由原事件类 的独立性,对任意 ,显然有:

  1. 包含 的子集:
    由于 ,且 ,由概率的可减性可得:

利用原事件类 的独立性,上式右端化简为:

综上所述,任意取自 的有限子集都满足概率乘法公式,故 独立。

同理,有限次将 替换为 ()均不改变独立性。因此,(i) 与 (ii) 等价。


定理 13.5

设 是一族独立事件类,且对任意 , 都是 -类,则 也是一族独立事件类。

证明

第一步:化简与归纳准备

  1. 有限化:
    根据事件类独立的定义,要证明一族事件类 独立,只需证明其任意有限子族是独立的。
    设 为任意有限子集(其中 ),只需证明 独立。

  2. 添加全集 :
    对于每个 ,令 。由于添加全集 不改变事件类的独立性,且不改变由其生成的 -代数(即 ),也不改变其 -类性质。
    因此,不妨直接假设 对所有 均成立。

注:有了 后,由于 且 ,从每一个 中任取成员 时,证明“全交集满足乘法公式”等价于证明“任意子集交满足乘法公式”。

第二步:逐步扩张(对每个位置使用 - 定理)

我们将通过 次连续的扩张,把每个位置上的 依次替换为 。

第 1 次扩张:将 扩张为

固定任意取定的 (),定义集合类:

我们验证 的性质:

  1. :
    由已知条件 是独立事件类,对任意 及 (),乘法公式显然成立。故 。

  2. 是一个 -类:

  • (i) 含全集:由于 ,且 ,故 。
  • (ii) 对包含差封闭:若 且 ,令 ,则 。由概率的可减性:

故 。

  • (iii) 对单调递增极限封闭:设 且 ,由概率的连续性:

故 。

因为 是 -类且 是 -类,由 - 定理(单调类定理),有:

这表明事件类 是独立的。

第 2 次扩张:将 扩张为

固定任意 及任意 (),定义集合类:

完全同理可证明:

  1. (由第 1 次扩张的结果);

  2. 是一个 -类。

由 - 定理,推得 。
这表明事件类 是独立的。

后续归纳扩张

重复上述过程,依次构造 ,经过 步扩张后,最终得到:
是独立的。

第三步:总结结论

由于有限子集 是任意选择的,根据定义 13.4,一族事件类 是独立的。