我回答另一個知乎問題【概率是什么?Sigma algebra, Borel field 是什么意思,意義何在?】剛好也適合這個問題,再補充一部分給你:
測度論是概率論的理論基礎,所以概率中的一些概念抽象化就是對應的測度論中的概念。
概率是要度量“事件發(fā)生的可能性”的大小,事件的抽象化描述就是集合,需要考察“事件的全體”,對應到測度論就是“集合系”?!笔录l(fā)生的可能性“是對事件的一種度量,對應到測度論就是“集合的測度”。
不是每個事件都可以定義其概率(發(fā)生的可能性的大小)的,對應的就是不是每個集合都可以定義測度,可以定義測度集合就是可測集。同時,事件必然要涉及到事件的組合運算(復雜事件是可由基本事件表示出來),對應的就是集合的交、并、差、余、極限的運算到復雜集合,所以又需要保證做可列次這些運算不能超出全體范圍(即可測集的范圍要足夠大,以保證集合的可列次交、并、差、余、極限的運算,之后還在里面)
那么什么樣的集合系,才能保證其中的集合是可測集(可以定義測度,又對那些運算封閉)呢?測度論中講了,只要集合系是σ-代數(shù)(也叫σ-域)就可以了。σ-代數(shù)的基本定義是:1. 全集在里面;2. 里面每個集合的余集在里面;3. 里面任意可列個集合的并集在里面。有了這三條基本定義,就可以推出:空集、可列次交、并、差、上限集、下限集運算之后都能在里面。就滿足需要了。
所以,集合X+該集合上的一個σ-代數(shù)F,(X,F(xiàn))就是一個可測空間了,即可以定義測度的空間(F中任一集合都可以定義其測度(某種度量))。進一步再定義了測度μ,那么(X, F, μ)就是測度空間。
對應到概率論中,樣本空間Ω,事件域F(是個σ-代數(shù)),概率測度P,放一起(Ω,F(xiàn),P)就是概率測度空間。概率測度P是滿足特殊要求的一種測度:P(Ω)=1.
Borel Feild就是Borel σ-代數(shù),表示實數(shù)軸上的σ-代數(shù),可由實軸上的所有開集生成(的σ-代數(shù)),也可由實數(shù)軸上所有的(-∞,a]這樣的區(qū)間生成(σ-代數(shù)),是相等的。按σ-代數(shù)前面說的,實數(shù)軸上開集、閉集的至多可列次交、并、差(余)、上限集、下限集、極限集的運算,都超不出該Borel σ-代數(shù)的范圍。
Borel σ-代數(shù)(我用Br表示)有什么用?其實概率論中的隨機變量,對應測度論中的可測函數(shù),而可測函數(shù)就是從可測空間(X,F(xiàn))到(R,Br)的可測映射。
再說說隨機變量,前面說了概率論中要用集合表示事件,但事件五花八門,怎么統(tǒng)一用一種簡單的集合表示呢?這就用到映射的概念,建立一種從樣本空間(基本事件的全體)到實數(shù)軸的映射(一一對應)就可以了,這種映射就是隨機變量。有了它,基本事件映射到實數(shù)軸上就是的基本區(qū)間,基本事件經過運算生成的復雜事件,映射到實數(shù)軸上就是實數(shù)軸上Borel σ-代數(shù)中的集合。
因為有了這個對應關系,要度量“事件發(fā)生的可能性的大小”(即概率測度),只要度量“實數(shù)軸上Borel σ-代數(shù)中的集合” 就可以了(前面說了Br因為是σ-代數(shù)是可以定義測度的,給Br中的集合定義概率測度就行了)。
所以,隨機變量的測度論語言定義是這樣的:設(Ω,F(xiàn),P)為概率測度空間,若對實數(shù)軸上Borel σ-代數(shù)中的任一集合(稱為Borel集)B,都有 {w∈Ω: X(w) ∈B} ∈F,則稱X(w)為隨機變量。
總之,隨機變量就是建立了“隨機事件”到“實數(shù)軸上Borel σ-代數(shù)”的一種對應,并且保證了建立了這種對應的隨機事件都是可以定義概率測度的。
既然隨機事件{w∈Ω: x(w) ∈B}屬于F,那么可以有概率,即P{w∈Ω: x(w) ∈B}是有意義的,為了簡單,概率中就記P{w∈Ω: X(w)∈B} = P{X ∈B} 了。
特別地,若取B=(-∞,x), 則事件{X∈B}的概率
P{X∈B} = P{X≤x} := F(x)
就定義成隨機變量X的分布函數(shù)。因為對任意的區(qū)間(a,b], 都可表示成
P{X ∈(a,b] } =P{a<X≤b} = P{X≤b} - P{X≤a} = F(b)-F(a)
進而,由這樣的區(qū)間經過至多可列次交、并、差運算的復雜的實數(shù)軸上的Borel集都可以用F(x)給出其概率。
當然,隨機變量也可以定義為從樣本空間到平面R2上的映射,就是二元隨機變量。