§E10.43条件付き測度

最終更新

可測写像による像測度は、写像の値がどのように分布するかを表すが、各値に対応する元の空間上の分布までは記述しない。例えば、同じ値を取る点の集合であるファイバーに沿って確率測度を分解するには、写像の値ごとに確率測度を与える確率核が必要となる。標準 Borel 空間では、可測写像の値や部分 σ-加法族によって指定される情報に沿う分解を、条件付き測度によって記述することができる。条件付き測度は、個々の確率測度を積分して元の測度を復元するという意味で、測度核と測度の合成を分解の側から捉えるものである。

1 正則条件付き分布

定義 1.1.SSを標準 Borel 空間、μ\muを(S,B(S))(S,\mathcal B(S))上の確率測度とし、G⊆B(S)\mathcal G\subseteq\mathcal B(S)を部分 σ-加法族とする。(S,G)(S,\mathcal G)から(S,B(S))(S,\mathcal B(S))への確率核KKが、任意のA∈B(S)A\in\mathcal B(S)とG∈GG\in\mathcal Gに対して

μ(A∩G)=∫GK(s,A) dμ(s)\mu(A\cap G)=\int_G K(s,A)\,d\mu(s)

を満たすとき、KKをG\mathcal Gに関するμ\muの 正則条件付き分布 (regular conditional distribution) という。各s∈Ss\in Sに対応する確率測度K(s,⋅)K(s,\cdot)を 条件付き測度 (conditional measure) という。

定義 1.2.S,TS,Tを標準 Borel 空間、μ\muを(S,B(S))(S,\mathcal B(S))上の確率測度とし、ϕ:S→T\phi:S\to Tを可測写像とする。像測度ν=ϕ∗μ\nu=\phi_*\muに対して、(T,B(T))(T,\mathcal B(T))から(S,B(S))(S,\mathcal B(S))への確率核kkが、任意のA∈B(S)A\in\mathcal B(S)とB∈B(T)B\in\mathcal B(T)について

μ(A∩ϕ−1(B))=∫Bk(t,A) dν(t)\mu(A\cap\phi^{-1}(B))=\int_B k(t,A)\,d\nu(t)

を満たすとき、kkをϕ\phiに関するμ\mu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)(\Omega,\mathcal F,P)を全質量が11の測度空間、(U,H)(U,\mathcal H)を可測空間とし、X:Ω→RX:\Omega\to\RとY:Ω→UY:\Omega\to Uを可測写像とする。ν=Y∗P\nu=Y_*Pと置く。このとき、(U,H)(U,\mathcal H)から(R,B(R))(\R,\mathcal B(\R))への確率核QQで、任意のA∈B(R)A\in\mathcal B(\R)とB∈HB\in\mathcal Hに対して

P(X−1(A)∩Y−1(B))=∫BQ(u,A) dν(u)P(X^{-1}(A)\cap Y^{-1}(B))=\int_B Q(u,A)\,d\nu(u)

を満たすものが存在する。

証明. 各q∈Qq\in\Qに対して、(U,H)(U,\mathcal H)上の有限正測度を

ρq(B)=P({X≤q}∩Y−1(B))(B∈H)\rho_q(B)=P(\{X\leq q\}\cap Y^{-1}(B)) \qquad(B\in\mathcal H)

と定める。ρq≤ν\rho_q\leq\nuであるから、§E10.14 定理 1.3により非負可測関数gqg_qが存在して、

ρq(B)=∫Bgq dν(B∈H)\rho_q(B)=\int_B g_q\,d\nu \qquad(B\in\mathcal H)

である。Dm={gq≥1+1/m}D_m=\{g_q\geq1+1/m\}に対して

(1+1/m)ν(Dm)≤ρq(Dm)≤ν(Dm)<∞(1+1/m)\nu(D_m)\leq\rho_q(D_m)\leq\nu(D_m)<\infty

であるから、ν(Dm)=0\nu(D_m)=0である。したがってgqg_qをmin⁡(gq,1)\min(g_q,1)に置き換え、全点で0≤gq≤10\leq g_q\leq1とすることができる。

q<rq<rならばρq≤ρr\rho_q\leq\rho_rである。D={gq≥gr+1/m}D=\{g_q\geq g_r+1/m\}上で積分すると

∫Dgr dν+ν(D)/m≤ρq(D)≤ρr(D)=∫Dgr dν\int_D g_r\,d\nu+\nu(D)/m \leq\rho_q(D)\leq\rho_r(D)=\int_D g_r\,d\nu

となり、ν(D)=0\nu(D)=0を得る。mm、qq、rrは可算個であるから、あるN0∈HN_0\in\mathcal Hが存在して、ν(N0)=0\nu(N_0)=0であり、U∖N0U\setminus N_0上で全てのq<rq<rに対してgq≤grg_q\leq g_rが成り立つ。N0N_0上では全てのgqg_qを1[0,∞)(q)\mathbf1_{[0,\infty)}(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gng_n、g−ng_{-n}、gq+1/ng_{q+1/n}は単調かつ有界である。§E10.11 定理 3.1を各B∈HB\in\mathcal 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、

∫Blim⁡n→∞gn dν=ν(B),∫Blim⁡n→∞g−n dν=0,∫Blim⁡n→∞gq+1/n dν=ρq(B)(q∈Q)\begin{aligned} \int_B\lim_{n\to\infty}g_n\,d\nu&=\nu(B),\\ \int_B\lim_{n\to\infty}g_{-n}\,d\nu&=0,\\ \int_B\lim_{n\to\infty}g_{q+1/n}\,d\nu&=\rho_q(B) \qquad(q\in\Q) \end{aligned}

を得る。§E10.14 定理 3.1により、これらの極限はそれぞれ11、00、gqg_qにν\nuに関してほとんど至る所で等しい。q∈Qq\in\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N1N_1に含めることができる。N1N_1上で再びgq=1[0,∞)(q)g_q=\mathbf1_{[0,\infty)}(q)と定める。各u∈Uu\in Uに対して、全てのq<rq<rについてgq(u)≤gr(u)g_q(u)\leq g_r(u)であり、

lim⁡n→∞gn(u)=1,lim⁡n→∞g−n(u)=0,lim⁡n→∞gq+1/n(u)=gq(u)(q∈Q)\lim_{n\to\infty}g_n(u)=1,\qquad \lim_{n\to\infty}g_{-n}(u)=0,\qquad \lim_{n\to\infty}g_{q+1/n}(u)=g_q(u) \quad(q\in\Q)

が成り立つ。

各u∈Uu\in Uに対して、

Fu(x)=inf⁡q∈Qq>xgq(u)(x∈R)F_u(x)=\inf_{\substack{q\in\Q\\q>x}}g_q(u) \qquad(x\in\R)

と定める。FuF_uは[0,1][0,1]に値を取る単調非減少関数であり、q∈Qq\in\Qに対してFu(q)=gq(u)F_u(q)=g_q(u)である。実際、単調性からgq(u)≤Fu(q)g_q(u)\leq F_u(q)であり、全てのn∈N≥1n\in\NNに対してFu(q)≤gq+1/n(u)F_u(q)\leq g_{q+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

lim⁡x→−∞Fu(x)=0,lim⁡x→∞Fu(x)=1\lim_{x\to-\infty}F_u(x)=0,\qquad \lim_{x\to\infty}F_u(x)=1

である。また、xj↓xx_j\downarrow xとする。任意の有理数q>xq>xについて、十分大きいjjではxj<qx_j<qなのでFu(xj)≤gq(u)F_u(x_j)\leq g_q(u)である。qqについて下限を取るとlim⁡jFu(xj)≤Fu(x)\lim_jF_u(x_j)\leq F_u(x)となる。逆向きの不等式は単調性から従うので、FuF_uは右連続である。

§E10.9 定理 9.1により、R\R上の Borel 測度QuQ_uが存在して

Qu((a,b])=Fu(b)−Fu(a)(a<b)Q_u((a,b])=F_u(b)-F_u(a) \qquad(a<b)

を満たす。(−n,n]↑R(-n,n]\uparrow\RであるからQu(R)=1Q_u(\R)=1である。また、固定したx∈Rx\in\Rに対して(−n,x]↑(−∞,x](-n,x]\uparrow(-\infty,x]であるので、

Qu((−∞,x])=Fu(x)Q_u((-\infty,x])=F_u(x)

を得る。Q(u,A)=Qu(A)Q(u,A)=Q_u(A)と置くと、各q∈Qq\in\QについてQ(u,(−∞,q])=gq(u)Q(u,(-\infty,q])=g_q(u)である。

D\mathcal Dを、u↦Q(u,A)u\mapsto Q(u,A)がH\mathcal H可測であり、全てのB∈HB\in\mathcal Hに対して補題の積分表示が成り立つA∈B(R)A\in\mathcal B(\R)の全体とする。Qu(R)=1Q_u(\R)=1であるからR∈D\R\in\mathcal Dである。A∈DA\in\mathcal DならばQ(u,R∖A)=1−Q(u,A)Q(u,\R\setminus 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\R\setminus A\in\mathcal Dを得る。二つずつ交わらない集合列Aj∈DA_j\in\mathcal Dに対しては

Q(u,⋃jAj)=∑jQ(u,Aj)Q\left(u,\bigcup_jA_j\right)=\sum_jQ(u,A_j)

である。右辺は可測であり、§E10.11 定理 1.1とPP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\mathcal Dは Dynkin 系である。有理数qqを端点とする半直線(−∞,q](-\infty,q]はD\mathcal Dに属し、π 系をなす。任意の実数xxについて(−∞,x]=⋂q∈Q, q>x(−∞,q](-\infty,x]=\bigcap_{q\in\Q,\ q>x}(-\infty,q]であるから、§E10.6 命題 5.4により、この π 系はB(R)\mathcal B(\R)を生成する。§E10.9 定理 1.8によりD=B(R)\mathcal D=\mathcal B(\R)であり、QQ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.SSを標準 Borel 空間、μ\muを(S,B(S))(S,\mathcal B(S))上の確率測度とする。

このとき、次が成り立つ。

  1. 任意の部分 σ-加法族G⊆B(S)\mathcal G\subseteq\mathcal B(S)に関して、μ\muの正則条件付き分布が存在する。
  2. 任意の標準 Borel 空間TTと可測写像ϕ:S→T\phi:S\to Tに関して、μ\muの正則条件付き分布が存在する。

証明.μ(S)=1\mu(S)=1であるからS≠∅S\neq\emptysetである。§E10.38 定理 4.1により、ある非空の Borel 集合E⊆RE\subseteq\Rへの可測同型h:S→Eh:S\to Eが存在する。実際、SSが非可算ならばE=RE=\Rとすることができ、SSが高々可算ならばB(S)=P(S)\mathcal B(S)=\mathcal P(S)であるので、N≥1\NNの部分集合への任意の全単射を取ればよい。EEはR\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)A\in\mathcal B(S)に対してh(A)∈B(R)h(A)\in\mathcal B(\R)である。

(U,H)(U,\mathcal H)を可測空間、Y:S→UY:S\to Uを可測写像とし、ν=Y∗μ\nu=Y_*\muと置く。補題 2.1をX=hX=hとYYに適用し、UUからR\Rへの確率核QQを取る。h(S)=Eh(S)=Eであるから、

∫UQ(u,E) dν(u)=1\int_U Q(u,E)\,d\nu(u)=1

である。0≤Q(u,E)≤10\leq Q(u,E)\leq1より、N={u:Q(u,E)<1}N=\{u:Q(u,E)<1\}は可測なν\nu-零集合である。一点s0∈Ss_0\in Sを固定して、

L(u,A)={Q(u,h(A)),u∉N,1A(s0),u∈N(A∈B(S))L(u,A)= \begin{cases} Q(u,h(A)),&u\notin N,\\ \mathbf1_A(s_0),&u\in N \end{cases} \qquad(A\in\mathcal B(S))

と定める。u∉Nu\notin NではQ(u,⋅)Q(u,\cdot)のEEへの制限は確率測度であり、L(u,⋅)L(u,\cdot)はそのh−1h^{-1}による像測度である。u∈Nu\in NではL(u,⋅)L(u,\cdot)はs0s_0に集中する確率測度である。各AAについてL(⋅,A)L(\cdot,A)は可測であるから、LLは確率核である。さらに、全てのA∈B(S)A\in\mathcal B(S)とB∈HB\in\mathcal Hに対して、

∫BL(u,A) dν(u)=∫BQ(u,h(A)) dν(u)=μ(A∩Y−1(B))\int_B L(u,A)\,d\nu(u) =\int_B Q(u,h(A))\,d\nu(u) =\mu(A\cap Y^{-1}(B))

が成り立つ。

(U,H)=(S,G)(U,\mathcal H)=(S,\mathcal G)とし、YYを恒等写像とすると、Y:(S,B(S))→(S,G)Y:(S,\mathcal B(S))\to(S,\mathcal G)は可測であり、ν=μ∣G\nu=\mu|_{\mathcal G}である。したがって、得られた核LLはG\mathcal Gに関する正則条件付き分布である。また、(U,H)=(T,B(T))(U,\mathcal H)=(T,\mathcal B(T))とし、Y=ϕY=\phiとすると、LLはϕ\phiに関する正則条件付き分布である。▨

定理 3.2.SSを標準 Borel 空間、μ\muを(S,B(S))(S,\mathcal B(S))上の確率測度とする。

このとき、次が成り立つ。

  1. 部分 σ-加法族G⊆B(S)\mathcal G\subseteq\mathcal B(S)に関する二つの正則条件付き分布K1,K2K_1,K_2に対して、N∈GN\in\mathcal Gが存在し、μ(N)=0\mu(N)=0であり、全てのs∈S∖Ns\in S\setminus Nと全てのA∈B(S)A\in\mathcal B(S)についてK1(s,A)=K2(s,A)K_1(s,A)=K_2(s,A)が成り立つ。
  2. 標準 Borel 空間TTへの可測写像ϕ:S→T\phi:S\to Tに関する二つの正則条件付き分布k1,k2k_1,k_2に対して、M∈B(T)M\in\mathcal B(T)が存在し、(ϕ∗μ)(M)=0(\phi_*\mu)(M)=0であり、全てのt∈T∖Mt\in T\setminus Mと全てのA∈B(S)A\in\mathcal B(S)についてk1(t,A)=k2(t,A)k_1(t,A)=k_2(t,A)が成り立つ。

証明.§E10.38 定理 4.1により、R\Rの Borel 集合EEへの可測同型h:S→Eh:S\to Eを取る。

C={S}∪{h−1(E∩(−∞,q]):q∈Q}\mathcal C=\{S\}\cup\{h^{-1}(E\cap(-\infty,q]):q\in\Q\}

はB(S)\mathcal B(S)を生成する可算な π 系である。任意のC∈CC\in\mathcal Cに対して、K1(⋅,C)K_1(\cdot,C)とK2(⋅,C)K_2(\cdot,C)は、(S,G)(S,\mathcal G)上の有限測度G↦μ(C∩G)G\mapsto\mu(C\cap G)のμ∣G\mu|_{\mathcal 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∈GN_C\in\mathcal Gはμ\mu-零集合である。N=⋃C∈CNCN=\bigcup_{C\in\mathcal C}N_Cと置くと、N∈GN\in\mathcal Gかつμ(N)=0\mu(N)=0である。

s∉Ns\notin Nを固定すると、二つの確率測度K1(s,⋅)K_1(s,\cdot)とK2(s,⋅)K_2(s,\cdot)はC\mathcal 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)\mathcal B(S)上で一致する。

写像ϕ\phiに関する核については、ν=ϕ∗μ\nu=\phi_*\muと置く。各C∈CC\in\mathcal Cに対して、k1(⋅,C)k_1(\cdot,C)とk2(⋅,C)k_2(\cdot,C)は、B↦μ(C∩ϕ−1(B))B\mapsto\mu(C\cap\phi^{-1}(B))のν\nu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\mathcal C全体について合わせてMMとする。各t∉Mt\notin Mで二つの確率測度はC\mathcal C上で一致するので、π–λ 定理によりB(S)\mathcal 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.SSを標準 Borel 空間、μ\muを(S,B(S))(S,\mathcal B(S))上の確率測度とし、f:S→[0,∞]f:S\to[0,\infty]を Borel 可測関数とする。

このとき、次が成り立つ。

  1. 部分 σ-加法族G⊆B(S)\mathcal G\subseteq\mathcal B(S)に関する正則条件付き分布KKに対して、s↦∫Sf(x)K(s,dx)s\mapsto\int_S f(x)K(s,dx)はG\mathcal G可測であり、全てのG∈GG\in\mathcal Gについて ∫Gf dμ=∫G(∫Sf(x)K(s,dx))dμ(s)\int_G f\,d\mu =\int_G\left(\int_S f(x)K(s,dx)\right)d\mu(s) が成り立つ。特に、測度と核の合成について(μ∣G)K=μ(\mu|_{\mathcal G})K=\muである。
  2. 標準 Borel 空間TTへの可測写像ϕ:S→T\phi:S\to Tに関する正則条件付き分布kkに対して、ν=ϕ∗μ\nu=\phi_*\muと置くと、t↦∫Sf(x)k(t,dx)t\mapsto\int_S f(x)k(t,dx)は Borel 可測であり、全てのB∈B(T)B\in\mathcal B(T)について ∫ϕ−1(B)f dμ=∫B(∫Sf(x)k(t,dx))dν(t)\int_{\phi^{-1}(B)} f\,d\mu =\int_B\left(\int_S f(x)k(t,dx)\right)d\nu(t) が成り立つ。特にνk=μ\nu k=\mu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∈GG\in\mathcal Gを固定し、(S,G)(S,\mathcal G)上の測度αG\alpha_GをαG(H)=μ(G∩H)\alpha_G(H)=\mu(G\cap 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))(\alpha_GK)(A)=\int_G K(s,A)\,d\mu(s)=\mu(G\cap A) \qquad(A\in\mathcal B(S))

である。§E10.42 定理 2.2の積分公式をαG\alpha_GとKKに適用すると、最初の等式を得る。

B∈B(T)B\in\mathcal B(T)を固定し、βB(D)=ν(B∩D)\beta_B(D)=\nu(B\cap D)と定める。定義から

(βBk)(A)=∫Bk(t,A) dν(t)=μ(A∩ϕ−1(B))(\beta_Bk)(A)=\int_B k(t,A)\,d\nu(t)=\mu(A\cap\phi^{-1}(B))

である。同じ積分公式をβB\beta_Bとkkに適用すると、二番目の等式を得る。G=SG=SとB=TB=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,TS,Tを標準 Borel 空間、μ\muを(S,B(S))(S,\mathcal B(S))上の確率測度、ϕ:S→T\phi:S\to Tを可測写像とする。kkをϕ\phiに関する正則条件付き分布とし、ν=ϕ∗μ\nu=\phi_*\muと置く。このとき、あるN∈B(T)N\in\mathcal B(T)が存在して、ν(N)=0\nu(N)=0であり、全てのt∈T∖Nt\in T\setminus Nについて

ϕ∗(k(t,⋅))=δt,k(t,ϕ−1({t}))=1\phi_*(k(t,\cdot))=\delta_t,\qquad k(t,\phi^{-1}(\{t\}))=1

が成り立つ。ここでδt\delta_tは点tt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)\mathcal B(T)を生成する可算な π 系C\mathcal Cを取ることができる。各C∈CC\in\mathcal Cと各B∈B(T)B\in\mathcal 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)\int_B k(t,\phi^{-1}(C))\,d\nu(t) =\mu(\phi^{-1}(C\cap B)) =\nu(C\cap B) =\int_B\mathbf1_C(t)\,d\nu(t)

である。§E10.14 定理 3.1により、k(t,ϕ−1(C))=1C(t)k(t,\phi^{-1}(C))=\mathbf1_C(t)がν\nuに関してほとんど至る所で成り立つ。C\mathcal Cは可算であるから、いずれかのC∈CC\in\mathcal Cについて等式が成り立たない点を一つの Borel 零集合NNに含めることができる。

t∉Nt\notin Nを固定すると、TT上の二つの確率測度ϕ∗(k(t,⋅))\phi_*(k(t,\cdot))とδt\delta_tはC\mathcal 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}\{t\}が Borel 集合であるから、k(t,ϕ−1({t}))=δt({t})=1k(t,\phi^{-1}(\{t\}))=\delta_t(\{t\})=1である。▨

例 4.3.S={a,b,c,d}S=\{a,b,c,d\}とT={0,1}T=\{0,1\}にそれぞれ全べき集合を σ-加法族として入れ、SS上の確率測度μ\muを

μ({a})=18,μ({b})=38,μ({c})=μ({d})=14\mu(\{a\})=\frac18,\qquad \mu(\{b\})=\frac38,\qquad \mu(\{c\})=\mu(\{d\})=\frac14

によって定める。ϕ:S→T\phi:S\to Tをϕ(a)=ϕ(b)=0\phi(a)=\phi(b)=0、ϕ(c)=ϕ(d)=1\phi(c)=\phi(d)=1と定める。このとき、像測度ν=ϕ∗μ\nu=\phi_*\muはν({0})=ν({1})=1/2\nu(\{0\})=\nu(\{1\})=1/2を満たす。各A⊆SA\subseteq Sに対して

k(0,A)=141A(a)+341A(b),k(1,A)=121A(c)+121A(d)k(0,A)=\frac14\mathbf1_A(a)+\frac34\mathbf1_A(b),\qquad k(1,A)=\frac12\mathbf1_A(c)+\frac12\mathbf1_A(d)

と定める。各k(t,⋅)k(t,\cdot)は非負の点質量の和が11である確率測度であり、各k(⋅,A)k(\cdot,A)はTT上の可測関数であるから、kkは確率核である。任意のA⊆SA\subseteq SとB⊆TB\subseteq Tに対して

∫Bk(t,A) dν(t)=121B(0)k(0,A)+121B(1)k(1,A)=1B(0)(181A(a)+381A(b))+1B(1)(141A(c)+141A(d))=μ(A∩ϕ−1(B))\begin{aligned} \int_B k(t,A)\,d\nu(t) &=\frac12\mathbf1_B(0)k(0,A)+\frac12\mathbf1_B(1)k(1,A)\\ &=\mathbf1_B(0)\left(\frac18\mathbf1_A(a)+\frac38\mathbf1_A(b)\right) +\mathbf1_B(1)\left(\frac14\mathbf1_A(c)+\frac14\mathbf1_A(d)\right)\\ &=\mu(A\cap\phi^{-1}(B)) \end{aligned}

となるので、kkはϕ\phiに関する正則条件付き分布である。B=TB=Tを代入すると、全てのA⊆SA\subseteq Sについて(νk)(A)=μ(A)(\nu k)(A)=\mu(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})=1k(0,\phi^{-1}(\{0\}))=k(0,\{a,b\})=1,\qquad k(1,\phi^{-1}(\{1\}))=k(1,\{c,d\})=1

であり、各k(t,⋅)k(t,\cdot)は対応するファイバーに集中する。任意のf:S→[0,∞]f:S\to[0,\infty]に対しても、

∫T(∫Sf(x)k(t,dx))dν(t)=12(14f(a)+34f(b))+12(12f(c)+12f(d))=∫Sf dμ\int_T\left(\int_S f(x)k(t,dx)\right)d\nu(t) =\frac12\left(\frac14f(a)+\frac34f(b)\right) +\frac12\left(\frac12f(c)+\frac12f(d)\right) =\int_S f\,d\mu

である。

例 4.4.R\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}\Sigma=\{A\subseteq\R:A\text{ または }\R\setminus A\text{ が高々可算}\}

とする。このとき、§E10.38 例 4.2により、(R,Σ)(\R,\Sigma)は標準 Borel 空間ではない。各A∈ΣA\in\Sigmaに対して

μ(A)={0,A が高々可算,1,R∖A が高々可算\mu(A)= \begin{cases} 0,&A\text{ が高々可算},\\ 1,&\R\setminus A\text{ が高々可算} \end{cases}

と定める。Σ\Sigmaの元からなる二つずつ交わらない集合列(An)n∈N≥1(A_n)_{n\in\NN}を取る。全てのAnA_n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)\mu(\bigcup_nA_n)=0=\sum_n\mu(A_n)である。あるAjA_jが余可算ならば、n≠jn\neq jに対してAn⊆R∖AjA_n\subseteq\R\setminus A_j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)\mu(\bigcup_nA_n)=1=\sum_n\mu(A_n)である。したがってμ\muは確率測度である。

全てのs∈Rs\in\RとA∈ΣA\in\Sigmaに対して

K1(s,A)=μ(A),K2(s,A)=1A(s)K_1(s,A)=\mu(A),\qquad K_2(s,A)=\mathbf1_A(s)

と定める。各K1(s,⋅)K_1(s,\cdot)はμ\mu、各K2(s,⋅)K_2(s,\cdot)は一点ssに集中する確率測度であり、各K1(⋅,A)K_1(\cdot,A)は定数関数、各K2(⋅,A)K_2(\cdot,A)はΣ\Sigma可測な指示関数である。したがってK1,K2K_1,K_2は(R,Σ)(\R,\Sigma)から(R,Σ)(\R,\Sigma)への確率核である。

任意のA,G∈ΣA,G\in\Sigmaに対して、少なくとも一方が高々可算ならばA∩GA\cap Gは高々可算であり、μ(A∩G)=0=μ(A)μ(G)\mu(A\cap G)=0=\mu(A)\mu(G)である。両方が余可算ならばR∖(A∩G)=(R∖A)∪(R∖G)\R\setminus(A\cap G)=(\R\setminus A)\cup(\R\setminus G)は高々可算であり、μ(A∩G)=1=μ(A)μ(G)\mu(A\cap G)=1=\mu(A)\mu(G)である。よって

∫GK1(s,A) dμ(s)=μ(A)μ(G)=μ(A∩G)=∫GK2(s,A) dμ(s)\int_G K_1(s,A)\,d\mu(s)=\mu(A)\mu(G) =\mu(A\cap G) =\int_G K_2(s,A)\,d\mu(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)\mathcal B(S)とG\mathcal GをともにΣ\Sigmaに置き換えた積分等式を満たす。

一方、任意のs∈Rs\in\Rに対してA={s}∈ΣA=\{s\}\in\Sigmaと取ると、

K1(s,{s})=0≠1=K2(s,{s})K_1(s,\{s\})=0\neq1=K_2(s,\{s\})

である。任意のN∈ΣN\in\Sigmaでμ(N)=0\mu(N)=0を満たすものは高々可算であるから、R∖N\R\setminus Nは空ではない。したがって、任意の可測零集合NNに対して、あるs∈R∖Ns\in\R\setminus NとあるA∈ΣA\in\Sigmaが存在し、K1(s,A)≠K2(s,A)K_1(s,A)\neq K_2(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]S=[0,1]とし、μ\muを Lebesgue Borel 測度のSSへの制限とする。G\mathcal Gを、SS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\mathcal Gは補集合について閉じている。また、G\mathcal 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\mathcal GはB(S)\mathcal B(S)の部分 σ-加法族である。

全てのs∈Ss\in SとA∈B(S)A\in\mathcal B(S)に対してK(s,A)=μ(A)K(s,A)=\mu(A)と定めると、KKは(S,G)(S,\mathcal G)から(S,B(S))(S,\mathcal B(S))への確率核である。G∈GG\in\mathcal Gが可算ならばμ(G)=0\mu(G)=0であり、S∖GS\setminus Gが可算ならばμ(S∖G)=0\mu(S\setminus G)=0である。いずれの場合も

μ(A∩G)=μ(A)μ(G)=∫GK(s,A) dμ(s)\mu(A\cap G)=\mu(A)\mu(G)=\int_G K(s,A)\,d\mu(s)

となるので、KKはG\mathcal Gに関する正則条件付き分布である。

固定した各G∈GG\in\mathcal GについてK(s,G)=1G(s)K(s,G)=\mathbf1_G(s)がほとんど至る所で成り立つ。しかし、任意のs∈Ss\in Sに対して{s}∈G\{s\}\in\mathcal Gであり、

K(s,{s})=0≠1=1{s}(s)K(s,\{s\})=0\neq1=\mathbf1_{\{s\}}(s)

である。したがって、全てのG∈GG\in\mathcal Gについて同時にK(s,G)=1G(s)K(s,G)=\mathbf1_G(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KK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。

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