الحد النظري للمجموعات

في الرياضيات ، نهاية متتالية من المجموعاتأ1،أ2،...{\displaystyle A_{1},A_{2},\ldots }( مجموعات جزئية من مجموعة مشتركة)X{\displaystyle X}) هي مجموعة تُحدد عناصرها بواسطة المتتالية بإحدى طريقتين متكافئتين: (1) بواسطة حدود عليا وسفلى للمتتالية تتقارب بشكل رتيب إلى نفس المجموعة (على غرار تقارب المتتاليات ذات القيم الحقيقية )، و (2) بواسطة تقارب متتالية من دوال المؤشر التي هي نفسها ذات قيم حقيقية . وكما هو الحال مع متتاليات الكائنات الأخرى، فإن التقارب ليس ضروريًا أو حتى شائعًا.

وبشكل أعم، وكما هو الحال مع المتتابعات ذات القيم الحقيقية، فإن الحد الأدنى والحد الأعلى الأقل تقييدًا لمتتابعة مجموعة موجودان دائمًا، ويمكن استخدامهما لتحديد التقارب: فالحد موجود إذا كان الحد الأدنى والحد الأعلى متطابقين. (انظر أدناه). وتُعدّ هذه الحدود للمجموعات أساسية في نظرية القياس والاحتمالات .

من المفاهيم الخاطئة الشائعة أن الحدين الأدنى والأعلى الموصوفين هنا يتضمنان مجموعات من نقاط التراكم، أي مجموعات منx=ليمكxك،{\displaystyle x=\lim _{k\to \infty }x_{k},}حيث كلxك{\displaystyle x_{k}}موجود في بعضأنك.{\displaystyle A_{n_{k}}.}هذا صحيح فقط إذا تم تحديد التقارب بواسطة المقياس المنفصل (أي،xنx{\displaystyle x_{n}\to x}إذا كان هناكشمال{\displaystyle N}بحيثxن=x{\displaystyle x_{n}=x}للجميعنشمال{\displaystyle n\geq N}يقتصر هذا المقال على تلك الحالة لأنها الحالة الوحيدة ذات الصلة بنظرية القياس والاحتمالات. انظر الأمثلة أدناه. (من جهة أخرى، توجد مفاهيم طوبولوجية أكثر عمومية لتقارب المجموعات تتضمن نقاط تراكمية في ظل مقاييس أو طوبولوجيات مختلفة ).

التعريفات

التعريفان

لنفترض أن(أن)ن=1{\displaystyle \left(A_{n}\right)_{n=1}^{\infty }}هي سلسلة من المجموعات. التعريفان المتكافئان هما كما يلي.

  • باستخدام الاتحاد والتقاطع : تعريف [ 1 ] [ 2 ]الحد الأقصى غير محدودنأن=ن1جنأج{\displaystyle \liminf _{n\to \infty}A_{n}=\bigcup _{n\geq 1}\bigcap _{j\geq n}A_{j}}وليم سوبنأن=ن1جنأج{\displaystyle \limsup _{n\to \infty}A_{n}=\bigcap _{n\geq 1}\bigcup _{j\geq n}A_{j}}إذا كانت هاتان المجموعتان متساويتين، فإن النهاية النظرية للمجموعات للمتتاليةأن{\displaystyle A_{n}}توجد مجموعة مشتركة وتساوي تلك المجموعة. يمكن استخدام أي من المجموعتين المذكورتين أعلاه للحصول على النهاية، وقد توجد طرق أخرى للحصول على النهاية أيضًا.
  • باستخدام دوال المؤشر : let1أن(x){\displaystyle \mathbb {1} _{A_{n}}(x)}متساوي1{\displaystyle 1}لوxأن،{\displaystyle x\in A_{n},}و0{\displaystyle 0}وإلا. عرّف [ 1 ]الحد الأقصى غير محدودنأن={xX:الحد الأقصى غير محدودن1أن(x)=1}{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}={\Bigl \{}x\in X:\liminf _{n\to \infty }\mathbb {1} _{A_{n}}(x)=1{\Bigr \}}}وليم سوبنأن={xX:ليم سوبن1أن(x)=1}،{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }A_{n}={\Bigl \{}x\in X:\limsup _{n\to \infty }\mathbb {1} _{A_{n}}(x)=1{\Bigr \}},}حيث تمثل التعبيرات الموجودة داخل الأقواس على اليمين، على التوالي، الحد الأدنى والحد الأعلى للمتتالية ذات القيم الحقيقية1أن(x).{\displaystyle \mathbb {1} _{A_{n}}(x).}ومرة أخرى، إذا كانت هاتان المجموعتان متساويتين، فإن النهاية النظرية للمجموعات للمتتاليةأن{\displaystyle A_{n}}موجود ويساوي تلك المجموعة المشتركة، ويمكن استخدام أي من المجموعتين كما هو موضح أعلاه للحصول على النهاية.

لإثبات تكافؤ التعريفات، انظر إلى الحد الأدنى. يوضح استخدام قانون دي مورغان أدناه سبب كفاية هذا للحد الأعلى. بما أن دوال المؤشر لا تأخذ إلا قيمًا0{\displaystyle 0}و1،{\displaystyle 1,}الحد الأقصى غير محدودن1أن(x)=1{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }\mathbb {1} _{A_{n}}(x)=1}إذا وفقط إذا1أن(x){\displaystyle \mathbb {1} _{A_{n}}(x)}يأخذ قيمة0{\displaystyle 0}مرات محدودة فقط. أو بعبارة أخرى، xن1جنأج{\textstyle x\in \bigcup _{n\geq 1}\bigcap _{j\geq n}A_{j}} إذا وفقط إذا كان هناكن{\displaystyle n}بحيث يكون العنصر فيأم{\displaystyle A_{m}}لكلمن،{\displaystyle m\geq n,}أي إذا وفقط إذاxأن{\displaystyle x\not \in A_{n}}لعدد محدود فقطن.{\displaystyle n.} لذلك،x{\displaystyle x}موجود فيالحد الأقصى غير محدودنأن{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}}إذا وفقط إذاx{\displaystyle x}موجود في كل شيء إلا في عدد محدود منأن.{\displaystyle A_{n}.}ولهذا السبب، فإن العبارة المختصرة للحد الأدنى هي "x{\displaystyle x}هو فيأن{\displaystyle A_{n}}"في أغلب الأحيان تقريبًا"، وعادةً ما يتم التعبير عنها بكتابة "أن{\displaystyle A_{n}}abfo".

وبالمثل، عنصرx{\displaystyle x}تكون في الحد الأعلى إذا، بغض النظر عن حجمهان{\displaystyle n}أي، يوجدمن{\displaystyle m\geq n}بحيث يكون العنصر فيأم.{\displaystyle A_{m}.}إنه،x{\displaystyle x}تكون في الحد الأعلى إذا وفقط إذاx{\displaystyle x}يوجد في عدد لا نهائي منأن.{\displaystyle A_{n}.}ولهذا السبب، فإن العبارة المختصرة للحد الأعلى هي "x{\displaystyle x}هو فيأن{\displaystyle A_{n}}"بشكل متكرر إلى ما لا نهاية"، وعادة ما يتم التعبير عنها بكتابة "أن{\displaystyle A_{n}}io".

وبعبارة أخرى، تتكون النهاية الدنيا من عناصر "تبقى إلى الأبد" (تبقى في كل مجموعة بعد حد معين) .ن{\displaystyle n}بينما تتكون القيمة العليا الحدية من عناصر "لا تغادر أبدًا" (توجد في مجموعة ما بعد كلن{\displaystyle n}أو بشكل أكثر رسمية:

ليمنشمالأن=ل{\textstyle \lim _{n\in \mathbb {N} }A_{n}=L\quad \Longleftrightarrow }  لكلxل{\displaystyle x\in L}  يوجدن0شمال{\displaystyle n_{0}\in \mathbb {N} }معxأن{\displaystyle x\in A_{n}}للجميعنن0{\displaystyle n\geq n_{0}}و
لكلyXل{\displaystyle y\in X\!\setminus \!L}يوجدص0شمال{\displaystyle p_{0}\in \mathbb {N} }معyأص{\displaystyle y\not \in A_{p}}للجميعصص0{\displaystyle p\geq p_{0}}.

متواليات رتيبة

التسلسل(أن){\displaystyle \left(A_{n}\right)}يُقال إنها غير متزايدة إذاأن+1أن{\displaystyle A_{n+1}\subseteq A_{n}}لكلن،{\displaystyle n,}وغير متناقصة إذاأنأن+1{\displaystyle A_{n}\subseteq A_{n+1}}لكلن.{\displaystyle n.}في كل حالة من هذه الحالات، توجد نهاية المجموعة. لنأخذ على سبيل المثال متتالية غير متزايدة(أن).{\displaystyle \left(A_{n}\right).}ثم جنأج=ج1أج و جنأج=أن.{\displaystyle \bigcap _{j\geq n}A_{j}=\bigcap _{j\geq 1}A_{j}{\text{ and }}\bigcup _{j\geq n}A_{j}=A_{n}.} ويترتب على ذلك أن الحد الأقصى غير محدودنأن=ن1جنأج=ج1أج=ن1جنأج=ليم سوبنأن.{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}=\bigcup _{n\geq 1}\bigcap _{j\geq n}A_{j}=\bigcap _{j\geq 1}A_{j}=\bigcap _{n\geq 1}\bigcup _{j\geq n}A_{j}=\limsup _{n\to \infty }A_{n}.} وبالمثل، إذا(أن){\displaystyle \left(A_{n}\right)}إذا كانت غير متناقصة ليمنأن=ج1أج.{\displaystyle \lim _{n\to \infty }A_{n}=\bigcup _{j\geq 1}A_{j}.}

يتم تعريف مجموعة كانتور بهذه الطريقة.

ملكيات

  • إذا كان الحد1أن(x)،{\displaystyle \mathbb {1} _{A_{n}}(x),}مثلن{\displaystyle n}يمتد إلى ما لا نهاية، موجود للجميعx{\displaystyle x}ثمليمنأن={xX:ليمن1أن(x)=1}.{\displaystyle \lim _{n\to \infty }A_{n}=\left\{x\in X:\lim _{n\to \infty }\mathbb {1} _{A_{n}}(x)=1\right\}.}وإلا، فإن الحد الأقصى لـ(أن){\displaystyle \left(A_{n}\right)}غير موجود.
  • يمكن إثبات أن الحد الأدنى موجود في الحد الأعلى:الحد الأقصى غير محدودنأنليم سوبنأن،{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}\subseteq \limsup _{n\to \infty }A_{n},}على سبيل المثال، بمجرد ملاحظة ذلكxأن{\displaystyle x\in A_{n}}يشير مصطلح "جميعها تقريبًا" إلى "غالبًا ما يكون محدودًا".xأن{\displaystyle x\in A_{n}}بشكل متكرر لا نهائياً.
  • باستخدام خاصية الرتابة لـبن=جنأج{\textstyle B_{n}=\bigcap _{j\geq n}A_{j}}و منجن=جنأج،{\textstyle C_{n}=\bigcup _{j\geq n}A_{j},}الحد الأقصى غير محدودنأن=ليمنجنأج و ليم سوبنأن=ليمنجنأج.{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}=\lim _{n\to \infty }\bigcap _{j\geq n}A_{j}\quad {\text{ and }}\quad \limsup _{n\to \infty }A_{n}=\lim _{n\to \infty }\bigcup _{j\geq n}A_{j}.}
  • باستخدام قانون دي مورغان مرتين، مع متمم المجموعةأج:=Xأ،{\displaystyle A^{c}:=X\setminus A,}الحد الأقصى غير محدودنأن=ن(جنأجج)ج=(نجنأجج)ج=(ليم سوبنأنج)ج.{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}=\bigcup _{n}\left(\bigcup _{j\geq n}A_{j}^{c}\right)^{c}=\left(\bigcap _{n}\bigcup _{j\geq n}A_{j}^{c}\right)^{c}=\left(\limsup _{n\to \infty }A_{n}^{c}\right)^{c}.}إنه،xأن{\displaystyle x\in A_{n}}عبارة "في أغلب الأحيان، باستثناء الحالات المحدودة" هي نفسها عبارة "في أغلب الأحيان".xأن{\displaystyle x\not \in A_{n}}بشكل محدود في كثير من الأحيان.
  • انطلاقاً من التعريف الثاني أعلاه وتعريفات الحد الأدنى والحد الأعلى لمتتالية ذات قيم حقيقية،1الحد الأقصى غير محدودنأن(x)=الحد الأقصى غير محدودن1أن(x)=رشفةن1معلوماتجن1أج(x){\displaystyle \mathbb {1} _{\liminf _{n\to \infty }A_{n}}(x)=\liminf _{n\to \infty }\mathbb {1} _{A_{n}}(x)=\sup _{n\geq 1}\inf _{j\geq n}\mathbb {1} _{A_{j}}(x)}و1ليم سوبنأن(x)=ليم سوبن1أن(x)=معلوماتن1رشفةجن1أج(x).{\displaystyle \mathbb {1} _{\limsup _{n\to \infty }A_{n}}(x)=\limsup _{n\to \infty }\mathbb {1} _{A_{n}}(x)=\inf _{n\geq 1}\sup _{j\geq n}\mathbb {1} _{A_{j}}(x).}
  • يفترضF{\displaystyle {\mathcal {F}}}هي جبر 𝜎 من مجموعات جزئية منX.{\displaystyle X.}إنه،F{\displaystyle {\mathcal {F}}}هي مجموعة غير فارغة ومغلقة تحت المكمل وتحت اتحادات وتقاطعات مجموعات قابلة للعد . إذن، وفقًا للتعريف الأول أعلاه، إذا كان كلأنF{\displaystyle A_{n}\in {\mathcal {F}}}ثم كلاهماالحد الأقصى غير محدودنأن{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}}وليم سوبنأن{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }A_{n}}هي عناصر منF.{\displaystyle {\mathcal {F}}.}

أمثلة

  • يتركأن=(-1ن،1-1ن].{\displaystyle A_{n}=\left(-{\tfrac {1}{n}},1-{\tfrac {1}{n}}\right].}ثم

الحد الأقصى غير محدودنأن=نجن(-1ج،1-1ج]=ن[0،1-1ن]=[0،1){\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}=\bigcup _{n}\bigcap _{j\geq n}\left(-{\tfrac {1}{j}},1-{\tfrac {1}{j}}\right]=\bigcup _{n}\left[0,1-{\tfrac {1}{n}}\right]=[0,1)} و ليم سوبنأن=نجن(-1ج،1-1ج]=ن(-1ن،1)=[0،1){\displaystyle \limsup _{n\to \infty }A_{n}=\bigcap _{n}\bigcup _{j\geq n}\left(-{\tfrac {1}{j}},1-{\tfrac {1}{j}}\right]=\bigcap _{n}\left(-{\tfrac {1}{n}},1\right)=[0,1)} لذاليمنأن=[0،1){\displaystyle \lim _{n\to \infty }A_{n}=[0,1)}موجود.

  • غيّر الأمثلة السابقة إلىأن=((-1)نن،1-(-1)نن].{\displaystyle A_{n}=\left({\tfrac {(-1)^{n}}{n}},1-{\tfrac {(-1)^{n}}{n}}\right].}ثم

الحد الأقصى غير محدودنأن=نجن((-1)جج،1-(-1)جج]=ن(12ن،1-12ن]=(0،1){\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}=\bigcup _{n}\bigcap _{j\geq n}\left({\tfrac {(-1)^{j}}{j}},1-{\tfrac {(-1)^{j}}{j}}\right]=\bigcup _{n}\left({\tfrac {1}{2n}},1-{\tfrac {1}{2n}}\right]=(0,1)} و ليم سوبنأن=نجن((-1)جج،1-(-1)جج]=ن(-12ن-1،1+12ن-1]=[0،1]،{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }A_{n}=\bigcap _{n}\bigcup _{j\geq n}\left({\tfrac {(-1)^{j}}{j}},1-{\tfrac {(-1)^{j}}{j}}\right]=\bigcap _{n}\left(-{\tfrac {1}{2n-1}},1+{\tfrac {1}{2n-1}}\right]=[0,1],} لذاليمنأن{\displaystyle \lim _{n\to \infty }A_{n}}لا يوجد، على الرغم من حقيقة أن النهايات اليسرى واليمنى للفترات تتقارب إلى 0 و1 على التوالي.

  • يتركأن={0،1ن،2ن،...،ن-1ن،1}.{\displaystyle A_{n}=\left\{0,{\tfrac {1}{n}},{\tfrac {2}{n}},\ldots ,{\tfrac {n-1}{n}},1\right\}.}ثم

جنأج=سؤال[0،1]{\displaystyle \bigcup _{j\geq n}A_{j}=\mathbb {Q} \cap [0,1]} هي مجموعة جميع الأعداد النسبية بين 0 و1 (شاملة)، لأنه حتى بالنسبة لـج<ن{\displaystyle j<n}و0كج،{\displaystyle 0\leq k\leq j,}كج=نكنج{\displaystyle {\tfrac {k}{j}}={\tfrac {nk}{nj}}}يُعدّ هذا عنصراً مما سبق. لذلك، ليم سوبنأن=سؤال[0،1].{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }A_{n}=\mathbb {Q} \cap [0,1].} على الجانب الآخر،جنأج={0،1}،{\displaystyle \bigcap _{j\geq n}A_{j}=\{0,1\},}وهذا يعني الحد الأقصى غير محدودنأن={0،1}.{\displaystyle \liminf _{n\to \infty }A_{n}=\{0,1\}.} في هذه الحالة، التسلسلأ1،أ2،...{\displaystyle A_{1},A_{2},\ldots }ليس له حد أقصى. لاحظ أنليمنأن{\displaystyle \lim _{n\to \infty }A_{n}}ليست مجموعة نقاط التراكم، والتي ستكون الفترة بأكملها[0،1]{\displaystyle [0,1]}(وفقًا للمقياس الإقليدي المعتاد ).

استخدامات الاحتمالات

تُعدّ حدود المجموعات، ولا سيما الحد الأدنى والحد الأعلى، أساسيةً في نظرية الاحتمالات والقياس . تُستخدم هذه الحدود لحساب (أو إثبات) احتمالات وقياسات مجموعات أخرى ذات غايةٍ أسمى. فيما يلي،(X،F،P){\displaystyle (X,{\mathcal {F}},\mathbb {P} )}هو فضاء احتمالي ، مما يعنيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}هي جبر سيجما لمجموعات جزئية منX{\displaystyle X}وP{\displaystyle \mathbb {P} }هو مقياس احتمالي مُعرَّف على جبر سيجما هذا. تُعرف المجموعات في جبر سيجما بالأحداث .

لوأ1،أ2،...{\displaystyle A_{1},A_{2},\ldots }هو تسلسل رتيب للأحداث فيF{\displaystyle {\mathcal {F}}}ثمليمنأن{\displaystyle \lim _{n\to \infty }A_{n}}موجود و P(ليمنأن)=ليمنP(أن).{\displaystyle \mathbb {P} \left(\lim _{n\to \infty }A_{n}\right)=\lim _{n\to \infty }\mathbb {P} \left(A_{n}\right).}

معضلات بوريل-كانتيلي

في الاحتمالات، يمكن أن تكون لميتا بوريل-كانتيلي مفيدتين لإثبات أن احتمال النهاية العليا لتسلسل من الأحداث يساوي 1 أو 0. نص لميتا بوريل-كانتيلي الأولى (الأصلية) هو

أول بوريل-كانتيلي ليما إذان=1P(أن)<{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\mathbb {P} \left(A_{n}\right)<\infty }ثمP(ليم سوبنأن)=0.{\displaystyle \mathbb {P} \left(\limsup _{n\to \infty }A_{n}\right)=0.}

إن معضلة بوريل-كانتيلي الثانية هي عكس جزئي لما يلي:

بوريل-كانتيلي ليما الثانية - إذاأ1،أ2،...{\displaystyle A_{1},A_{2},\ldots }هي أحداث مستقلة ون=1P(أن)={\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\mathbb {P} \left(A_{n}\right)=\infty }ثمP(ليم سوبنأن)=1.{\displaystyle \mathbb {P} \left(\limsup _{n\to \infty }A_{n}\right)=1.}

تقارب شبه مؤكد

يُعدّ إثبات التقارب شبه المؤكد لسلسلة من المتغيرات العشوائية أحد أهم تطبيقات الاحتمالات . ويُعرف هذا الحدث بأنه حدث تحقق سلسلة من المتغيرات العشوائية.Y1،Y2،...{\displaystyle Y_{1},Y_{2},\ldots }يتقارب إلى متغير عشوائي آخرY{\displaystyle Y}يُعبَّر عنه رسميًا على النحو التالي{ليم سوبن|Yن-Y|=0}.{\textstyle \left\{\limsup _{n\to \infty }\left|Y_{n}-Y\right|=0\right\}.}لكن سيكون من الخطأ كتابة هذا ببساطة على أنه سرد للأحداث. أي أن هذا ليس الحدثليم سوبن{|Yن-Y|=0}{\textstyle \limsup _{n\to \infty }\left\{\left|Y_{n}-Y\right|=0\right\}}بل إن مكمل الحدث هو {ليم سوبن|Yن-Y|0}={ليم سوبن|Yن-Y|>1ك بالنسبة للبعض ك}=ك1ن1جن{|Yج-Y|>1ك}=ليمكليم سوبن{|Yن-Y|>1ك}.{\displaystyle {\begin{aligned}\left\{\limsup _{n\to \infty }\left|Y_{n}-Y\right|\neq 0\right\}&=\left\{\limsup _{n\to \infty }\left|Y_{n}-Y\right|>{\frac {1}{k}}{\text{ for some }}k\right\}\\&=\bigcup _{k\geq 1}\bigcap _{n\geq 1}\bigcup _{j\geq n}\left\{\left|Y_{j}-Y\right|>{\tfrac {1}{k}}\right\}\\&=\lim _{k\to \infty }\limsup _{n\to \infty }\left\{\left|Y_{n}-Y\right|>{\tfrac {1}{k}}\right\}.\end{aligned}}} لذلك، P({ليم سوبن|Yن-Y|0})=ليمكP(ليم سوبن{|Yن-Y|>1ك}).{\displaystyle \mathbb {P} \left(\left\{\limsup _{n\to \infty }\left|Y_{n}-Y\right|\neq 0\right\}\right)=\lim _{k\to \infty }\mathbb {P} \left(\limsup _{n\to \infty }\left\{\left|Y_{n}-Y\right|>{\tfrac {1}{k}}\right\}\right).}

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 ريسنيك، سيدني آي. (1998). مسار الاحتمالات . بوسطن: بيركهاوزر. ISBN 3-7643-4055-X.
  2. غوت، آلان (2013). الاحتمالات: دورة دراسات عليا . نصوص سبرينغر في الإحصاء. المجلد 75. نيويورك، نيويورك: سبرينغر نيويورك. doi : 10.1007/978-1-4614-4708-5 . ISBN  978-1-4614-4707-8.