1 正則条件付き分布
定義 1.1.Sを標準 Borel 空間、μを(S,B(S))上の確率測度とし、G⊆B(S)を部分 σ-加法族とする。(S,G)から(S,B(S))への確率核Kが、任意のA∈B(S)とG∈Gに対して
μ(A∩G)=∫GK(s,A)dμ(s)を満たすとき、KをGに関するμの 正則条件付き分布 (regular conditional distribution) という。各s∈Sに対応する確率測度K(s,⋅)を 条件付き測度 (conditional measure) という。
定義 1.2.S,Tを標準 Borel 空間、μを(S,B(S))上の確率測度とし、ϕ:S→Tを可測写像とする。像測度ν=ϕ∗μに対して、(T,B(T))から(S,B(S))への確率核kが、任意のA∈B(S)とB∈B(T)について
μ(A∩ϕ−1(B))=∫Bk(t,A)dν(t)を満たすとき、kをϕに関するμの 正則条件付き分布 (regular conditional distribution given a measurable map) という。
2 実数値写像に対する核の構成
補題 2.1.(Ω,F,P)を全質量が1の測度空間、(U,H)を可測空間とし、X:Ω→RとY:Ω→Uを可測写像とする。ν=Y∗Pと置く。このとき、(U,H)から(R,B(R))への確率核Qで、任意のA∈B(R)とB∈Hに対して
P(X−1(A)∩Y−1(B))=∫BQ(u,A)dν(u)を満たすものが存在する。
証明. 各q∈Qに対して、(U,H)上の有限正測度を
ρq(B)=P({X≤q}∩Y−1(B))(B∈H)と定める。ρq≤νであるから、§E10.14 定理 1.3により非負可測関数gqが存在して、
ρq(B)=∫Bgqdν(B∈H)である。Dm={gq≥1+1/m}に対して
(1+1/m)ν(Dm)≤ρq(Dm)≤ν(Dm)<∞であるから、ν(Dm)=0である。したがってgqをmin(gq,1)に置き換え、全点で0≤gq≤1とすることができる。
q<rならばρq≤ρrである。D={gq≥gr+1/m}上で積分すると
∫Dgrdν+ν(D)/m≤ρq(D)≤ρr(D)=∫Dgrdνとなり、ν(D)=0を得る。m、q、rは可算個であるから、あるN0∈Hが存在して、ν(N0)=0であり、U∖N0上で全てのq<rに対してgq≤grが成り立つ。N0上では全てのgqを1[0,∞)(q)に置き換える。変更後も積分表示と可測性は保たれ、単調性は全点で成り立つ。
関数列gn、g−n、gq+1/nは単調かつ有界である。§E10.11 定理 3.1を各B∈H上で適用し、§E10.8 定理 4.1を対応する集合列に適用すると、
∫Bn→∞limgndν∫Bn→∞limg−ndν∫Bn→∞limgq+1/ndν=ν(B),=0,=ρq(B)(q∈Q)を得る。§E10.14 定理 3.1により、これらの極限はそれぞれ1、0、gqにνに関してほとんど至る所で等しい。q∈Qは可算個であるから、いずれかの等式が成り立たない点を一つの可測零集合N1に含めることができる。N1上で再びgq=1[0,∞)(q)と定める。各u∈Uに対して、全てのq<rについてgq(u)≤gr(u)であり、
n→∞limgn(u)=1,n→∞limg−n(u)=0,n→∞limgq+1/n(u)=gq(u)(q∈Q)が成り立つ。
各u∈Uに対して、
Fu(x)=q∈Qq>xinfgq(u)(x∈R)と定める。Fuは[0,1]に値を取る単調非減少関数であり、q∈Qに対してFu(q)=gq(u)である。実際、単調性からgq(u)≤Fu(q)であり、全てのn∈N≥1に対してFu(q)≤gq+1/n(u)であるから、極限を取ると逆向きの不等式を得る。整数での値の極限から
x→−∞limFu(x)=0,x→∞limFu(x)=1である。また、xj↓xとする。任意の有理数q>xについて、十分大きいjではxj<qなのでFu(xj)≤gq(u)である。qについて下限を取るとlimjFu(xj)≤Fu(x)となる。逆向きの不等式は単調性から従うので、Fuは右連続である。
§E10.9 定理 9.1により、R上の Borel 測度Quが存在して
Qu((a,b])=Fu(b)−Fu(a)(a<b)を満たす。(−n,n]↑RであるからQu(R)=1である。また、固定したx∈Rに対して(−n,x]↑(−∞,x]であるので、
Qu((−∞,x])=Fu(x)を得る。Q(u,A)=Qu(A)と置くと、各q∈QについてQ(u,(−∞,q])=gq(u)である。
Dを、u↦Q(u,A)がH可測であり、全てのB∈Hに対して補題の積分表示が成り立つA∈B(R)の全体とする。Qu(R)=1であるからR∈Dである。A∈DならばQ(u,R∖A)=1−Q(u,A)であり、積分表示を全空間の等式から引くことでR∖A∈Dを得る。二つずつ交わらない集合列Aj∈Dに対しては
Q(u,j⋃Aj)=j∑Q(u,Aj)である。右辺は可測であり、§E10.11 定理 1.1とPの可算加法性から、和集合についても積分表示が成り立つ。したがってDは Dynkin 系である。有理数qを端点とする半直線(−∞,q]はDに属し、π 系をなす。任意の実数xについて(−∞,x]=⋂q∈Q, q>x(−∞,q]であるから、§E10.6 命題 5.4により、この π 系はB(R)を生成する。§E10.9 定理 1.8によりD=B(R)であり、Qは求める確率核である。▨
3 標準 Borel 空間上の存在と一意性
定理 3.1.Sを標準 Borel 空間、μを(S,B(S))上の確率測度とする。
このとき、次が成り立つ。
- 任意の部分 σ-加法族G⊆B(S)に関して、μの正則条件付き分布が存在する。
- 任意の標準 Borel 空間Tと可測写像ϕ:S→Tに関して、μの正則条件付き分布が存在する。
証明.μ(S)=1であるからS=∅である。§E10.38 定理 4.1により、ある非空の Borel 集合E⊆Rへの可測同型h:S→Eが存在する。実際、Sが非可算ならばE=Rとすることができ、Sが高々可算ならばB(S)=P(S)であるので、N≥1の部分集合への任意の全単射を取ればよい。EはRの Borel 集合であるから、§E10.38 補題 1.2により、任意のA∈B(S)に対してh(A)∈B(R)である。
(U,H)を可測空間、Y:S→Uを可測写像とし、ν=Y∗μと置く。補題 2.1をX=hとYに適用し、UからRへの確率核Qを取る。h(S)=Eであるから、
∫UQ(u,E)dν(u)=1である。0≤Q(u,E)≤1より、N={u:Q(u,E)<1}は可測なν-零集合である。一点s0∈Sを固定して、
L(u,A)={Q(u,h(A)),1A(s0),u∈/N,u∈N(A∈B(S))と定める。u∈/NではQ(u,⋅)のEへの制限は確率測度であり、L(u,⋅)はそのh−1による像測度である。u∈NではL(u,⋅)はs0に集中する確率測度である。各AについてL(⋅,A)は可測であるから、Lは確率核である。さらに、全てのA∈B(S)とB∈Hに対して、
∫BL(u,A)dν(u)=∫BQ(u,h(A))dν(u)=μ(A∩Y−1(B))が成り立つ。
(U,H)=(S,G)とし、Yを恒等写像とすると、Y:(S,B(S))→(S,G)は可測であり、ν=μ∣Gである。したがって、得られた核LはGに関する正則条件付き分布である。また、(U,H)=(T,B(T))とし、Y=ϕとすると、Lはϕに関する正則条件付き分布である。▨
定理 3.2.Sを標準 Borel 空間、μを(S,B(S))上の確率測度とする。
このとき、次が成り立つ。
- 部分 σ-加法族G⊆B(S)に関する二つの正則条件付き分布K1,K2に対して、N∈Gが存在し、μ(N)=0であり、全てのs∈S∖Nと全てのA∈B(S)についてK1(s,A)=K2(s,A)が成り立つ。
- 標準 Borel 空間Tへの可測写像ϕ:S→Tに関する二つの正則条件付き分布k1,k2に対して、M∈B(T)が存在し、(ϕ∗μ)(M)=0であり、全てのt∈T∖Mと全てのA∈B(S)についてk1(t,A)=k2(t,A)が成り立つ。
証明.§E10.38 定理 4.1により、Rの Borel 集合Eへの可測同型h:S→Eを取る。
C={S}∪{h−1(E∩(−∞,q]):q∈Q}はB(S)を生成する可算な π 系である。任意のC∈Cに対して、K1(⋅,C)とK2(⋅,C)は、(S,G)上の有限測度G↦μ(C∩G)のμ∣Gに関する密度である。§E10.14 定理 3.1により、二つの密度が異なる集合NC∈Gはμ-零集合である。N=⋃C∈CNCと置くと、N∈Gかつμ(N)=0である。
s∈/Nを固定すると、二つの確率測度K1(s,⋅)とK2(s,⋅)はC上で一致する。二つの測度が一致する集合全体は、全空間を含み、補集合と二つずつ交わらない集合列の和に関して閉じている。§E10.9 定理 1.8により、二つの測度はB(S)上で一致する。
写像ϕに関する核については、ν=ϕ∗μと置く。各C∈Cに対して、k1(⋅,C)とk2(⋅,C)は、B↦μ(C∩ϕ−1(B))のνに関する密度である。二つの密度が異なる可測零集合をC全体について合わせてMとする。各t∈/Mで二つの確率測度はC上で一致するので、π–λ 定理によりB(S)上で一致する。▨
4 積分による復元とファイバーへの集中
命題 4.1.Sを標準 Borel 空間、μを(S,B(S))上の確率測度とし、f:S→[0,∞]を Borel 可測関数とする。
このとき、次が成り立つ。
- 部分 σ-加法族G⊆B(S)に関する正則条件付き分布Kに対して、s↦∫Sf(x)K(s,dx)はG可測であり、全てのG∈Gについて
∫Gfdμ=∫G(∫Sf(x)K(s,dx))dμ(s)
が成り立つ。特に、測度と核の合成について(μ∣G)K=μである。
- 標準 Borel 空間Tへの可測写像ϕ:S→Tに関する正則条件付き分布kに対して、ν=ϕ∗μと置くと、t↦∫Sf(x)k(t,dx)は Borel 可測であり、全てのB∈B(T)について
∫ϕ−1(B)fdμ=∫B(∫Sf(x)k(t,dx))dν(t)
が成り立つ。特にνk=μである。
証明. 二つの内側の積分の可測性は§E10.42 命題 1.3による。G∈Gを固定し、(S,G)上の測度αGをαG(H)=μ(G∩H)と定める。正則条件付き分布の定義により、合成測度は
(αGK)(A)=∫GK(s,A)dμ(s)=μ(G∩A)(A∈B(S))である。§E10.42 定理 2.2の積分公式をαGとKに適用すると、最初の等式を得る。
B∈B(T)を固定し、βB(D)=ν(B∩D)と定める。定義から
(βBk)(A)=∫Bk(t,A)dν(t)=μ(A∩ϕ−1(B))である。同じ積分公式をβBとkに適用すると、二番目の等式を得る。G=SとB=Tをそれぞれ代入すれば、測度の復元公式を得る。▨
命題 4.2.S,Tを標準 Borel 空間、μを(S,B(S))上の確率測度、ϕ:S→Tを可測写像とする。kをϕに関する正則条件付き分布とし、ν=ϕ∗μと置く。このとき、あるN∈B(T)が存在して、ν(N)=0であり、全てのt∈T∖Nについて
ϕ∗(k(t,⋅))=δt,k(t,ϕ−1({t}))=1が成り立つ。ここでδtは点tに集中する確率測度である。
証明.§E10.38 定理 4.1により、B(T)を生成する可算な π 系Cを取ることができる。各C∈Cと各B∈B(T)に対して、
∫Bk(t,ϕ−1(C))dν(t)=μ(ϕ−1(C∩B))=ν(C∩B)=∫B1C(t)dν(t)である。§E10.14 定理 3.1により、k(t,ϕ−1(C))=1C(t)がνに関してほとんど至る所で成り立つ。Cは可算であるから、いずれかのC∈Cについて等式が成り立たない点を一つの Borel 零集合Nに含めることができる。
t∈/Nを固定すると、T上の二つの確率測度ϕ∗(k(t,⋅))とδtはC上で一致する。§E10.9 定理 1.8により、両測度は全ての Borel 集合上で一致する。標準 Borel 空間では一点集合{t}が Borel 集合であるから、k(t,ϕ−1({t}))=δt({t})=1である。▨
例 4.3.S={a,b,c,d}とT={0,1}にそれぞれ全べき集合を σ-加法族として入れ、S上の確率測度μを
μ({a})=81,μ({b})=83,μ({c})=μ({d})=41によって定める。ϕ:S→Tをϕ(a)=ϕ(b)=0、ϕ(c)=ϕ(d)=1と定める。このとき、像測度ν=ϕ∗μはν({0})=ν({1})=1/2を満たす。各A⊆Sに対して
k(0,A)=411A(a)+431A(b),k(1,A)=211A(c)+211A(d)と定める。各k(t,⋅)は非負の点質量の和が1である確率測度であり、各k(⋅,A)はT上の可測関数であるから、kは確率核である。任意のA⊆SとB⊆Tに対して
∫Bk(t,A)dν(t)=211B(0)k(0,A)+211B(1)k(1,A)=1B(0)(811A(a)+831A(b))+1B(1)(411A(c)+411A(d))=μ(A∩ϕ−1(B))となるので、kはϕに関する正則条件付き分布である。B=Tを代入すると、全てのA⊆Sについて(νk)(A)=μ(A)を得る。また、
k(0,ϕ−1({0}))=k(0,{a,b})=1,k(1,ϕ−1({1}))=k(1,{c,d})=1であり、各k(t,⋅)は対応するファイバーに集中する。任意のf:S→[0,∞]に対しても、
∫T(∫Sf(x)k(t,dx))dν(t)=21(41f(a)+43f(b))+21(21f(c)+21f(d))=∫Sfdμである。
例 4.4.R上の可算・余可算 σ-加法族を
Σ={A⊆R:A または R∖A が高々可算}とする。このとき、§E10.38 例 4.2により、(R,Σ)は標準 Borel 空間ではない。各A∈Σに対して
μ(A)={0,1,A が高々可算,R∖A が高々可算と定める。Σの元からなる二つずつ交わらない集合列(An)n∈N≥1を取る。全てのAnが高々可算ならば、その和集合も高々可算であり、μ(⋃nAn)=0=∑nμ(An)である。あるAjが余可算ならば、n=jに対してAn⊆R∖Ajは高々可算であり、和集合は余可算であるから、μ(⋃nAn)=1=∑nμ(An)である。したがってμは確率測度である。
全てのs∈RとA∈Σに対して
K1(s,A)=μ(A),K2(s,A)=1A(s)と定める。各K1(s,⋅)はμ、各K2(s,⋅)は一点sに集中する確率測度であり、各K1(⋅,A)は定数関数、各K2(⋅,A)はΣ可測な指示関数である。したがってK1,K2は(R,Σ)から(R,Σ)への確率核である。
任意のA,G∈Σに対して、少なくとも一方が高々可算ならばA∩Gは高々可算であり、μ(A∩G)=0=μ(A)μ(G)である。両方が余可算ならばR∖(A∩G)=(R∖A)∪(R∖G)は高々可算であり、μ(A∩G)=1=μ(A)μ(G)である。よって
∫GK1(s,A)dμ(s)=μ(A)μ(G)=μ(A∩G)=∫GK2(s,A)dμ(s)となる。二核は、部分 σ-加法族に関する正則条件付き分布の定義のB(S)とGをともにΣに置き換えた積分等式を満たす。
一方、任意のs∈Rに対してA={s}∈Σと取ると、
K1(s,{s})=0=1=K2(s,{s})である。任意のN∈Σでμ(N)=0を満たすものは高々可算であるから、R∖Nは空ではない。したがって、任意の可測零集合Nに対して、あるs∈R∖NとあるA∈Σが存在し、K1(s,A)=K2(s,A)となる。標準 Borel 空間という仮定を外すと、全ての可測集合について共通する零集合外での一意性は成立しない。
例 4.5.S=[0,1]とし、μを Lebesgue Borel 測度のSへの制限とする。Gを、Sの可算集合と補集合が可算である集合の全体とする。このとき、Gは補集合について閉じている。また、Gに属する可算個の集合の和は、全てが可算ならば可算であり、一つでも補集合が可算ならば補集合が可算である。したがってGはB(S)の部分 σ-加法族である。
全てのs∈SとA∈B(S)に対してK(s,A)=μ(A)と定めると、Kは(S,G)から(S,B(S))への確率核である。G∈Gが可算ならばμ(G)=0であり、S∖Gが可算ならばμ(S∖G)=0である。いずれの場合も
μ(A∩G)=μ(A)μ(G)=∫GK(s,A)dμ(s)となるので、KはGに関する正則条件付き分布である。
固定した各G∈GについてK(s,G)=1G(s)がほとんど至る所で成り立つ。しかし、任意のs∈Sに対して{s}∈Gであり、
K(s,{s})=0=1=1{s}(s)である。したがって、全てのG∈Gについて同時にK(s,G)=1G(s)が成り立つ点は存在しない。定理 3.2により、別の正則条件付き分布もKと共通零集合外で全ての Borel 集合上で一致するので、この同時成立をほとんど至る所で満たす正則条件付き分布は存在しない。