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多重遍历平均 / 原文精读
第四单元(上):逐点失败如何形成一个选取分布
本单元转入 B 的 §3,先讨论 Proposition 3.1 和 Proposition 3.2 的第一部分,原文 pp.7–10。目标是把可能的四重逐点失败编码成一个可数可加的概率测度,同时保留正相关、单坐标边缘和不同速度作用下的不变性。
全参数条件分布的确定还要用到 distal 与相对弱混合结构,留在本单元下篇。这里没有把四重主定理当作已获独立验证的结论。
1. 本段所用的两个收敛结果
1.1 标准空间化简
固定四个函数后,可用它们全部整数平移的读数构造标准 Borel 因子。这一步见 B §2.1,pp.3–4;完整构造见本专题的标准因子补充。原空间上的收敛由 Borel 满测收敛集拉回,因而最终结论不要求原空间标准。
此后设 (X,μ,T) 是标准 Borel 概率系统,T 可逆、双可测、保概率且混合。令 I={1,2,3,4}。
1.2 至多三重的逐点输入
B Lemma 2.1(p.4)主张:对任意标准可逆保概率系统 (Y,m,R)、任意非空真子集 J⊊I 和固定有界函数 gi,
N1n=1∑Ni∈J∏gi(Riny)
几乎处处收敛。它不要求 R 遍历或混合,也不把一般极限断言为积分乘积。原稿的证明在 Appendix A,包含所需非连续三元系数的解析改造;本单元把这个准确范围作为假设。
在原始混合系统 T 上,第一单元已证明不同非零整数斜率平均的 L2 极限为积分乘积。将此范数结论与上述几乎处处收敛比较,就知道每个真子集平均在 X 上的逐点极限也是积分乘积。
这里不使用 R 配套稿的高阶 mixing 结论。B 后续维护辅助组独立性时才需要那项更强的结果。
2. 从四重失败得到实值中心化见证
对应 B Proposition 3.1,p.8,证明第一段。
假设 B Theorem 1.1 对某个固定四元组失败。先写
fi=∫fidμ+(fi−∫fidμ).
多线性展开中,全常数项是预期极限;每个包含少于四个中心化函数的项都是真子集平均,已经逐点趋于零。因此,四个中心化函数的乘积平均必须仍在一个正测集上不能趋于零。
再将每个中心化复函数拆成实部与虚部。展开只有有限项,每项是四个实值中心化函数的乘积,乘上一个固定复常数。如果这些实乘积平均都几乎处处趋于零,在有限个满测集的交上,原乘积平均也趋于零。因此至少一个实元组仍然失败。
缩放后可取实函数 fi,使
∥fi∥∞≤1,∫Xfidμ=0,AN(x)=N1n=1∑Ni=1∏4fi(Tinx)
不能在某个正测集上趋于零。第一单元的范数定理仍给出 AN→0 于 L2。
因为 AN 是有界实数列,未趋于零的点必有正的上极限或负的下极限。按可数个正阈值分层,再在必要时将一个 fi 换成相反数,可选 δ>0 及可测集 E,使
μ(E)>0,AN(x)>2δ 对任意晚的某些 N 成立,x∈E.(F)
这里 E 和 δ 已固定;达到该不等式的长度可随 x 改变。
3. 只从一个可数长度集合中选择
对应 B p.8,Proposition 3.1 证明第二段。
3.1 有限比例网格足够保留正偏差
对绝对值不超过 1 的求和项,第一单元已证明
∣AN(x)−AM(x)∣≤max(N,M)2∣N−M∣.
取一个网格宽度不超过 η 的有限集合 F⊆[1,2],包含 1,2,其中 η 先选得足够小。例如可取 η<δ/8。
若 2k≤N<2k+1,可选 c∈F,使 ∣N/2k−c∣≤η。令 M=⌊c2k⌋,便有
∣N−M∣≤η2k+1,∣AN−AM∣≤2η+21−k.
当 k 足够大时,右边小于 δ。因此式 (F) 中任意晚的偏差,可被网格长度 M=⌊c2k⌋ 上的 AM(x)>δ 代替。
3.2 可测选择不需要一般选择定理
固定 F×Z≥0 的一个枚举。对每个整数 a≥1 和 x∈E,选择枚举中第一个满足
k≥a,A⌊c2k⌋(x)>δ
的候选对,令 Na(x)=c2k。这样的候选由上一节保证存在;必要时选择的 k 还可超过固定的舍入阈值。
每个候选的合格集合可测,“它是第一个合格者”的集合只需再减去前面有限个合格集合,所以 Na 可测。对 x∈/E,定义 Na(x)=2a。于是处处有
Na(x)∈{c2k:c∈F, k≥a},Na(x)≥2a,
且在 E 上,A⌊Na(x)⌋(x)>δ。在补集采用确定长度,是后面控制补集积分的关键。
4. 悬挂流与相位函数
对应 B §3.1,p.7 的式 (3.1),以及 p.8 的相位构造与式 (3.3)。
4.1 把整数时间嵌入连续时间
令
C=X×[0,1),mC=μ⊗du,SCt(x,u)=(T⌊u+t⌋x,{u+t}).
花括号表示小数部分。整数部分的加法恒等式保证 SCs+t=SCsSCt。对固定 t,先利用 T 的整数幂保测,再利用圆周旋转 u↦{u+t} 保持 Lebesgue 测度,即得 SCt 保持 mC。可逆性解释了负的整数部分。
记空间坐标为 ξ(x,u)=x,相位为 υ(x,u)=u(mod1)。将上一节的选择扩充为 Na(x,u)=Na(x),它不依赖初始相位。
4.2 用相位函数保证没有额外进位
取非负、非零的连续圆周函数 α,β,支撑分别包含于
(1/4,1/2),(0,1/16).
定义 T4 上的连续实函数
Ψ(v1,v2,v3,v4)=α(2v1−v2)β(v2−v1),T=R/Z.
若 vi=υ(SCit(x,u))=u+it(mod1),则
2v1−v2=u(mod1),v2−v1=t(mod1).
写 t=n+s、0≤s<1,便有 Ψ=α(u)β(s)。它不为零时,u∈(1/4,1/2)、s∈(0,1/16),所以对 i=1,2,3,4,
0<u+is<1.
于是 ⌊u+i(n+s)⌋=in,从而空间坐标恰为
ξ(SCit(x,u))=Tinx.
相位函数没有改变原平均的空间读数,而是把可能造成进位误差的相位部分排除。
4.3 连续平均与离散平均的统一误差
令 bβ=∫01β(s)ds>0。对任意实数 L≥2,在前 ⌊L⌋ 个完整单位区间上积分,得到
L1∫0LΨ((υ(SCit(x,u)))i∈I)i=1∏4fi(ξ(SCit(x,u)))dt=α(u)bβA⌊L⌋(x)+O(L−1).(Phase)
误差对 x,u,L 一致。它来自三个有限边界变化:末尾不足一个单位区间;1/L 与 1/⌊L⌋ 的归一化差;求和指标从 0,…,⌊L⌋−1 改成 1,…,⌊L⌋。所有求和项有界,三项都为 O(L−1),常数只依赖固定的 α,β。
5. 选取平均仍保留统一正相关
在式 (Phase) 中令 L=Na(x,u)。由于 Na≥2a,统一误差积分后为 O(2−a)。在 E×[0,1) 上,主项积分至少为
δμ(E)bβ∫01α(u)du>0.
在 Ec×[0,1) 上,选择长度为确定的 2a,所以主项积分的绝对值至多为
bβ(∫01α)∥1Ec∥2∥A2a∥2⟶0.
这里正好用到中心化四重平均的 L2 极限为零。因而存在 ε0>0,对全部足够大的 a,
∫CNa(z)1∫0Na(z)Ψ((υ(SCitz))i∈I)i=1∏4fi(ξ(SCitz))dtdmC(z)≥ε0.(Positive)
这就是 B Proposition 3.1 的式 (3.2)。它没有把任意依点选取的长度交给普通 L2 收敛处理;正测集上专门保留坏长度,补集上则使用确定长度。
6. 从有限选取分布到可数可加的极限测度
对应 B §3.2、Proposition 3.2 的定义与第一部分证明,p.9。
6.1 扩张与有限阶段分布
设 (Y,mY,SYt) 是标准 Borel 保概率流,πY:Y→C 是流因子,即保持测度且与每个固定时间作用交换,按模零意义理解。流作用联合可测。选取长度拉回为 Na(πYy)。
对 Y×R 上的有界可测函数 H,定义概率积分
∫HdQa=∫YNa(πYy)1∫0Na(πYy)H(y,t)dtdmY(y).
可测长度和联合可测流保证积分有意义,内层归一化使总质量为 1。把 Qa 由
(y,t)⟼(SYity)i∈I
推到 Y4,得到可数可加的概率测度 λY,a。对乘积测试函数,
∫Y4i=1∏4Gi(yi)dλY,a=∫YNa(πYy)1∫0Na(πYy)i=1∏4Gi(SYity)dtdmY(y).
这些有限阶段的单坐标边缘一般不必已经等于 mY。需要先证明其极限为 mY。
6.2 单坐标边缘在全部长度上收敛
固定一个有界可测 G 和一个 i∈I。普通单函数逐点遍历定理用于这个流,说明
L1∫0LG(SYity)dt
几乎处处沿全部实数 L→∞ 收敛。所需事实也可从离散 Birkhoff 直接得到:令
Gi(y)=∫01G(SYisy)ds.
当 L=N 是整数时,上面的平均恰为
N1n=0∑N−1Gi((SYi)ny).
Birkhoff 给出一个几乎处处极限 Li(y),且 ∫LidmY=∫GidmY=∫GdmY。非整数长度与整数部分之间的误差为 O(∥G∥∞/L),所以全实数长度也收敛。
因为 Na(πYy)≥2a,沿这些依点选择的长度仍收敛到同一个 Li(y)。平均始终被 ∥G∥∞ 控制,故有界收敛给出
∫Y4G(yi)dλY,a⟶∫YGdmY.(Marginal)
这里没有假设 Y 遍历,也没有要求选择函数在流下不变。每个固定 G 单独取得满测收敛集已足够;不需要对所有有界函数取共同零测集。
6.3 固定一个超滤子,而非逐个系统选择子序列
B 在 p.8 末固定同一个自由超滤子 U,后面所有扩张均使用它。对有界复数列 (za),超滤极限 z=lima→Uza 的含义是:对每个 ε>0,集合 {a:∣za−z∣<ε} 属于 U。
自由超滤子不含有限集,包含所有余有限集;对有界数列,紧致性保证超滤极限存在且唯一。它与有限线性组合及连续运算相容,并且延续普通收敛的极限。这里仅用这些性质,不需要把它理解成一条实际选出的公共子序列。
逐个系统任意抽取收敛子序列,可能破坏系统间的投影兼容性。共同的 U 保证后面拉回测试函数后仍使用同一个取极限操作。
6.4 为何不是只有有限可加分布
将标准 Borel 空间 Y 实现为某个紧度量空间 K 的 Borel 子集。把 λY,a 看成 K4 上的概率测度。对 F∈C(K4),定义
Λ(F)=a→Ulim∫FdλY,a.
Λ 是正线性泛函,Λ(1)=1,并且 ∣Λ(F)∣≤∥F∥∞。Riesz 表示定理因此给出一个可数可加的 Borel 概率测度 λ 于 K4。可数可加性来自这个表示步骤,不是对任意集合逐一取超滤极限自动得到的。
式 (Marginal) 对所有单坐标连续函数成立,所以 λ 的每个单坐标边缘都是 mY,这里 mY 视为 K 上支撑于 Y 的测度。因而
λ(K4∖Y4)≤i=1∑4λ{yi∈/Y}=0.
限制到 Borel 子集 Y4,得到所需概率测度 λY,其各边缘均为 mY。
6.5 把公式延伸到所有有界可测乘积测试
原文位置:B p.9,紧空间正泛函构造后的 L1 近似段。
先设 ∣Gi∣≤1。在紧度量空间上,连续函数在 L1(mY) 中稠密;可取 gi∈C(K),使 ∣gi∣≤1 且 ∥Gi−gi∣Y∥1<ε。保持统一界可以通过截断到复单位圆盘做到。
望远镜展开给出
i∏Gi(yi)−i∏gi(yi)≤i∑∣Gi(yi)−gi(yi)∣.
在 λY 下,右边积分不超过 4ε,因为边缘恰为 mY。在 λY,a 下,由式 (Marginal) 应用于各个固定有界函数 ∣Gi−gi∣,右边积分的超滤极限也不超过 4ε。
连续乘积的积分已经由 Λ 决定。让 ε↓0,便得到 B 式 (3.4) 对所有有界可测 Gi 成立:
∫Y4i∏Gi(yi)dλY=a→Ulim∫YNa(πYy)1∫0Na(πYy)i∏Gi(SYity)dtdmY(y).(Selected)
一般有界函数通过缩放处理。这个延伸同时说明所得测度与选择紧模型无关,因为可测矩形的指示函数是这种乘积测试,足以唯一确定 Y4 上的概率测度。
7. 不变性并不要求选择函数不变
对应 B p.9,Proposition 3.2 证明最后一段。
固定实数 s。在式 (Selected) 中,把第 i 个函数换成 Gi∘SYis。有限阶段的内层积分就变成
Na(πYy)1∫0Na(πYy)i∏Gi(SYi(t+s)y)dt.
代换 r=t+s,它与原积分的区别只在积分区间从 [0,Na] 移到了 [s,Na+s]。若 ∣Gi∣≤1,两个区间的对称差长度不超过 2∣s∣,所以逐点误差至多
Na(πYy)2∣s∣≤2∣s∣2−a.
该界在 y 上一致,且对固定 s 趋于零。取超滤极限后,得到
∫i∏Gi(SYisyi)dλY=∫i∏Gi(yi)dλY.
乘积测试足以决定测度,因此 λY 在不同速度的乘积作用
(yi)i∈I⟼(SYisyi)i∈I
下不变。
整个比较过程始终在同一个初始点 y 计算同一个长度 Na(πYy)。没有把 y 换成 SYsy,也没有用到 Na 在流下不变。这是依点选择与不变性仍可相容的原因。
8. 扩张与逆极限的兼容性
对应 B p.10,Proposition 3.2 证明第一段。
8.1 因子投影后的分布不变
设 θ:Y′→Y 是 C 之上的保测流因子,即
πY′=πY∘θ,θ∘SY′t=SYt∘θ
,按相应测度的模零意义成立。在 Y′ 上用 Gi∘θ 测试式 (Selected)。选择长度是同一个 Na∘πY′,由因子关系等于 Na∘πY∘θ。
把函数及积分推到 Y,每个有限阶段的乘积测试积分就与 Y 上的对应积分相同。若流因子关系最初只对每个固定时间模零成立,联合可测性与 Fubini 允许在时间积分中使用它;不必事先选择一个对所有实数时间同时逐点成立的集合。
各系统使用同一个超滤子,因而
(θ4)∗λY′=λY.(Factor)
这里 θ4 是逐坐标应用 θ。式 (Factor) 是原稿所说构造具有投影兼容性的具体含义。
8.2 在全可数乘积上实现逆极限
B p.10 将可数逆极限写得很简略。这里采用 A Proposition 3.2(p.8) 的完整乘积实现,以处理因子关系只对每个固定时间模零成立的情形。
设 Y1←Y2←⋯ 是 C 之上的可数扩张链,连接映射为 θn:Yn+1→Yn。取完整的标准 Borel 乘积
Ω=n=1∏∞Yn.
对前 r 个坐标,使用 mYr 及有限个连接映射定义联合分布。这些有限维分布相容,故标准 Borel 空间上的一致圆柱测度延拓定理给出概率测度 m∞。其每个坐标边缘为 mYn,且它集中在满足全部相容关系
yn=θn(yn+1)(n≥1)
的序列上。相容关系可数,每条关系的概率为一,所以这个相容集合可测且满测。
在整个 Ω 上定义逐坐标流
S∞t((yn)n)=(SYntyn)n.
它是联合 Borel 作用。固定 t 后,一个只涉及前 r 个坐标的圆柱集,其概率可在 Yr 上计算。连接映射对这个固定时间模零等变,且 SYrt 保测,因此该圆柱集的概率在作用后不变。圆柱集决定概率测度,所以每个固定 t 都保持 m∞。
重要的是保留整个乘积作为底空间:没有要求那个满测相容集合对所有实时间同时逐点不变。坐标投影 θm∞:Ω→Ym 是保测流因子,相容关系按模零成立;通过第一个坐标得到到 C 的因子。这样便在所用范畴中实现了逆极限。
对 Ω 构造选取分布后,上篇已经证明的因子兼容性给出
((θm∞)4)∗λΩ=λYm.
每个状态坐标在 λΩ 下的边缘都是 m∞,所以相容关系在每个状态坐标中仍几乎处处成立。因此,阶段拉回的 σ-代数在 λΩ 下模零递增。所有阶段坐标又生成完整乘积的 σ-代数,故这些阶段空间的拉回并集在 L2(λΩ) 中稠密。
具体地,一个涉及有限多个坐标的函数,可借相容关系提升到所涉及的最大阶段;再由生成代数的简单函数逼近得到一般 L2 函数。这项稠密性不要求四个状态坐标独立。
8.3 新分布下的流连续性
原稿还说明不同速度的乘积流在新 L2 空间中保持强连续。这里使用标准事实:可分 Hilbert 空间上的可测酉表示自动强连续。标准概率空间的 L2 可分,而原始联合可测保概率流产生这样的酉表示,所以原流具有所需强连续性。对归一化乘积函数 F((yi))=∏iGi(yi),望远镜展开及固定边缘分布给出
∥F∘(SYit)i−F∥L2(λY)≤i∑∥Gi∘SYit−Gi∥L2(mY).
右边随 t→0 趋于零。有限乘积的线性张成在新空间中稠密,而作用在不变测度下为等距算子,故强连续性延伸到全部 L2(λY)。
9. 正相关保留到极限分布,并可继续迭代
9.1 含有相位权重的函数为何也可测试
式 (Selected) 先对乘积函数给出。式 (Positive) 中的 Ψ 是四个相位的联合函数,不一定本身为单个乘积。
但 Ψ∈C(T4),有限三角多项式可一致逼近它,而每个三角单项式都分解为四个一坐标相位函数的乘积。因此可先对有限和使用式 (Selected),再用统一误差和 ∣fi∣≤1 取极限。得到 B 式 (3.8):
∫C4Ψ((υ(zi))i)i=1∏4fi(ξ(zi))dλC≥ε0.(Retained)
有限阶段的不等式对全部足够大 a 成立,余有限集属于自由超滤子,因此同一正下界保留在极限中。
9.2 为什么把一个坐标的速度归一化
对任意 b∈I,定义新流
Mb(Y)=(Y4,λY,(yi)i↦(SYit/byi)i).
它保概率,因为前面的不同速度不变性允许使用任意实时间 t/b。投影到第 b 个坐标后,该坐标的速度变为 1,所以此投影是到原流 Y 的等变因子,进而仍是 C 之上的扩张。
因此可对 Mb(Y) 再使用同一组选取长度和同一个超滤子。原稿随后的方阵构造就是通过这样的重复操作形成的。重复之前还须确定保留了哪些条件分布,这正是本单元下篇要处理的问题。
本段的范围
在 B Lemma 2.1 的至多三重逐点结果作为假设、并使用第一单元的普通 mixing 下 L2 定理后,Proposition 3.1 的正相关选择得到完整推导。
对任意标准保概率流扩张,Proposition 3.2 的概率测度存在、固定单坐标边缘、不同速度不变性、因子与可数逆极限兼容性,也按原文逐步展开。超滤极限没有被直接当作可数可加测度;这一点由紧空间上的正泛函表示与边缘集中性保证。
尚未在这里证明 Proposition 3.2 的全 distal 参数分布及给定全部参数后的真子集条件独立性。也没有据此断言四坐标独立;式 (Retained) 恰保留了一个非零四重相关。
原文对照
- B pp.3–4,§2.1:固定函数的标准模型化简。
- B p.4,Lemma 2.1:一般系统上真子集逐点收敛的准确范围。
- B p.7,式 (3.1):单位屋顶悬挂流。
- B p.8,Proposition 3.1,式 (3.2)–(3.3):中心化失败、网格选择与相位权重。
- B p.9,式 (3.4) 及 Proposition 3.2 证明前半:可数可加选取分布。
- B p.9 末至 p.10 首段:不变性、投影和逆极限兼容性。
- B p.10,式 (3.7)–(3.8):归一化流与保留的正相关。
- A p.8,Proposition 3.2 证明末段:全可数乘积上的逆极限及选取分布的阶段稠密性。