选择一段文字或公式,即可在这里留下建议。保存后的建议仅作者可见,审核后才会公开。
多重遍历平均 / 原文精读
第四单元(下):给定全部 distal 参数后的条件分布
上篇构造了选取分布 λY,并证明其单坐标边缘和不变性。本篇讨论 B Proposition 3.2 的第 (2)、(3) 项及 Lemma 3.3,原文 pp.9–10:为什么全参数分布不受选长度影响,为什么每个真子集的状态在给定全部参数后仍具有乘积条件分布。
本篇使用 B Proposition 2.2 所列结构结果和 Lemma 2.1 的至多三重逐点收敛作为明确假设。条件分布的推导在这些假设下展开;这里不把 Furstenberg–Zimmer 结构理论、非遍历 distal 逐点版本及其全部文献证明重新证明一遍。
1. 结构概念与所用结果
1.1 相对弱混合
对应 B §2.2,p.4,式 (2.2)。
设 (Y,m,R) 是标准可逆保概率系统,B 是在 R 与 R−1 下保持不变的因子 σ-代数。扩张 Y→B 相对弱混合,指对有界函数 f,g,只要 E(f∣B)=0,就有
H1h=1∑HE[f(g∘Rh)∣B]22⟶0.(RWM)
它控制的是去除因子上可预测部分后的平均条件相关。这里仍保留时间平均,不是逐个时间的相关衰减断言。
1.2 相对紧与 measure-distal
对应 B p.4,式 (2.2) 之后的定义。
对有限个 F1,…,Fr∈L2(m),考虑有限生成的 L∞(B)-模块
M={j=1∑rajFj:aj∈L∞(B)}.
若与 R、R−1 复合都保持这个空间,称其不变。扩张相对紧,指所有这类不变有限生成模块的线性张成在 L2(m) 中稠密。各个模块本身不要求在 L2 中闭;闭包在最后取。
相对 distal 扩张由相对紧扩张和逆极限逐层构成。未指定基底时,distal 指相对于平凡因子。这里是测度论定义,没有给 Y 另选距离,也不以某个点对距离的性质代替它。定义允许非遍历系统;例如恒等变换保持每个一维子空间,因而是紧系统。
1.3 B Proposition 2.2 的准确使用范围
原文位置:B pp.4–6,Proposition 2.2 的五项及其后的流版本。
本篇引用以下结构结果,均不附加遍历性假设。
- 每个标准系统有最大 measure-distal 因子 WY,包含不变因子;Y→WY 相对弱混合。扩张上的最大 distal 因子包含旧 distal 因子的拉回。与变换交换的保测自同构保持 WY。
- distal 系统的因子及连接仍为 distal;一个 distal 系统在其任意因子上相对 distal。对每个非零整数 q,变换 R 为 distal 当且仅当 Rq 为 distal。
- 相对弱混合传到非零整数幂;在任意不变基底连接之上,给各扩张的纤维取条件乘积,所得扩张仍相对弱混合。
- 同一基底上的相对弱混合扩张和相对 distal 扩张相对不交:任何保持基底坐标相同的不变连接,只能是给定基底后相互独立的连接。
- 对 distal 变换 R、任意固定 d≥1 和有界函数 g1,…,gd,
N1n=1∑Nj=1∏dgj(Rjny)
几乎处处收敛;没有断言一般极限是积分乘积。
对于保概率流 SYt,时间一映射的最大 distal 因子 WY 被整个流保持,而且其任意非零有理时间作用都是 distal。这里关于因子作用的断言按固定时间、模零意义理解;时间积分始终在原始联合 Borel 流 Y 上计算。
B 将存在性和相对结构归于 Furstenberg–Zimmer 理论及所引文献,并在 pp.5–6 讨论这些稳定性性质。第 (5) 项的遍历情形来自 Huang–Shao–Ye Theorem C;B p.6 另作非遍历分解说明。因此,单独引用 HSY 的遍历定理,还不能自动代替本篇所需的完整非遍历版本。
2. 相对弱混合为何允许 L2 替换
对应 B Lemma 2.3,pp.6–7,式 (2.4)。这段范数证明可以在式 (RWM) 及其幂稳定性下独立展开。
2.1 完整陈述
若 Y→B 相对弱混合,a1,…,ad 是两两不同的非零整数,gi 有界,则
N1n=1∑N[i=1∏dgi∘Rain−i=1∏dE(gi∣B)∘Rain]2⟶0.(Replace)
望远镜展开将两个乘积之差写成有限和,每一项至少有一个函数的 B-条件均值为零。缩放这些有限项后,只需证明:当 ∣gi∣≤1,且某个 gs 满足 E(gs∣B)=0 时,原乘积平均在 L2 中趋于零。
2.2 固定相关间隔后,把因子数减少一
采用对第一变量线性的复内积。令
vn=i=1∏dgi∘Rain,qi,h=(gi∘Raih)gi.
固定 h≥1,用保测性同时平移 −asn,得到
⟨vn+h,vn⟩=∫Yqs,hi=s∏qi,h∘R(ai−as)ndm.
对因子数归纳。差斜率 ai−as 两两不同且非零,所以归纳假设把平均中的其余函数替换为其 B-条件期望,误差在 L2 中趋于零。与固定有界 qs,h 配对后,该误差的积分也趋于零。
替换后的其余乘积是 B-可测且绝对值不超过 1,因此
N→∞limsupN1n=1∑N−h⟨vn+h,vn⟩≤∥E(qs,h∣B)∥1.(Corr)
固定 h 时删去末尾 h 项只造成 O(h/N) 误差。若 d=1,没有其余乘积,式 (Corr) 直接成立。这给出归纳起点。
这里没有要求相关的 Cesàro 极限存在;一个上极限界已经足够。
2.3 有限 Hilbert 空间不等式如何使用上极限
第一单元的有限估计,在固定 H 后令 N→∞,再用式 (Corr),给出
N→∞limsupN1n=1∑Nvn22≤H1+H2h=1∑H−1∥E(qs,h∣B)∥1.
因为 E(gs∣B)=0,相对弱混合用于 Ras 给出
H1h=1∑H∥E(qs,h∣B)∥22⟶0.
由概率空间上的 ∥u∥1≤∥u∥2,再对 h 使用 Cauchy–Schwarz,便有
H1h=1∑H∥E(qs,h∣B)∥1≤[H1h=1∑H∥E(qs,h∣B)∥22]1/2⟶0.
最后 H→∞,证明中心化乘积的平均趋于零,进而由有限望远镜展开得到式 (Replace)。
2.4 条件期望与流时间平移交换
设因子 B 被每个 SYt 保持。对固定 t,有
E(G∘SYt∣B)=E(G∣B)∘SYt.
证明只需对任意有界 B-可测函数 H 测试:把左边的积分写为 ∫G(H∘SY−t)dmY,再用 H∘SY−t 仍然 B-可测及保测换元,即得到右边的积分。
因此,式 (Replace) 可传到确定长度的连续平均。写 t=n+s、0≤s<1,对每个固定 s 应用于函数 Gi∘SYais。每个 s 的 L2 误差趋于零,误差又有统一的有界函数范数控制。Minkowski 不等式及 s 上的支配收敛使积分后的 L2 误差趋于零;末尾不足一个单位区间造成 O(L−1) 误差。
此结论针对确定的长度 L。不能直接把它套到依点选择的 Na(y) 上;下一节先用逐点收敛消去选择,再使用这个范数替换。
3. 离散逐点收敛如何传到全部连续长度
对应 B p.10,Proposition 3.2 证明中讨论参数分布和真子集分布的两个段落。
3.1 时间分解中的 Fubini 次序
设某个系统 (Z,ν,R) 上已知固定斜率乘积平均的逐点收敛。现在 R=SZ1 来自流,固定有界 Gi。对每个固定 s∈[0,1),将逐点定理用于移位函数 Gi∘SZis,得到
N1n=0∑N−1i∏Gi(SZi(n+s)z)
对几乎每个 z 收敛。
由于流联合可测,Cauchy 失败集合可由这些可测有限和的可数并交写出,故在 Z×[0,1) 中可测。对每个固定 s,该集合的 z-截面测度为零;Fubini 因而说明,对几乎每个 z,平均对几乎每个 s 收敛。
求和项有统一上界,故对这样的 z 可在 s 上用支配收敛。注意
N1∫0Ni∏Gi(SZitz)dt=∫01N1n=0∑N−1i∏Gi(SZi(n+s)z)ds.
所以连续平均先沿整数长度收敛。长度 L 与 ⌊L⌋ 之间的归一化和末段误差为 O(L−1),从而得到全部实数长度收敛。
3.2 为什么任意趋于无穷的选取长度给出同一个极限
上述结论是在每个良好起点上,对全部实数 L→∞ 成立。因此无论 Na(z) 怎样依赖该起点,只要 Na(z)→∞,它都趋于同一个逐点极限。
有界收敛再说明:先按确定长度取极限的积分,与沿选择长度取极限的积分相同。这里先建立逐点结论再允许选取长度,不能仅由一个无速率的 L2 结论作同样推断。
4. 全参数分布由确定长度平均决定
4.1 参数与条件测度
令 ωY:Y→WY 是时间一映射的最大 distal 因子,νY=(ωY)∗mY。在标准空间上选取正则条件概率,使
mY=∫WYmY,wdνY(w).
给定 λY 上的状态 (yi)i∈I,定义
Pi=ωY(yi),P=(Pi)i∈I,ΛY=LawλY(P).
条件概率在 νY-零测集外确定即可;因为每个 Pi 的边缘为 νY,任意版本差异在有限个坐标上的影响仍为 ΛY-零测。
4.2 Proposition 3.2(2) 的完整表述与推导
对每个固定有界 Hi:WY→C,原稿式 (3.5) 为
∫WY4i=1∏4Hi(wi)dΛY=L→∞lim∫YL1∫0Li=1∏4Hi(ωY(SYity))dtdmY(y).(Parameter)
右边是确定长度的极限,不是超滤极限。
理由是 WY 为 distal。为避免预设一个对全部实时间同时严格等变的因子模型,直接在原流上定义
Gi,s(y)=Hi(ωY(SYisy)),s∈[0,1).
对每个固定 s,因子在这个时间下保持不变,所以 Gi,s 是一个 WY-可测函数类。选择它在 WY 上的有界代表元,对时间一因子变换应用 distal 离散逐点定理,再拉回到 Y,便得到
N1n=0∑N−1i=1∏4Hi(ωY(SYi(n+s)y))
对几乎每个 y 收敛。此处只有可数个整数 n,固定 s 后可删除相应的可数并零测集。
这些有限和本身在 (s,y) 上联合可测,来自原始流 SY 及 Borel 版本的 ωY。因此 Fubini 在 Y×[0,1) 上应用,第三节的时间分解给出全部连续长度的逐点收敛。不需要让所选的因子代表元随 s 联合可测,也不需要另造全实时间的点态因子作用。
沿 Na(πYy) 取值,仍具有同一个逐点极限。对积分使用有界收敛,再对照上篇的式 (Selected),即得到式 (Parameter)。
因此,虽然选择可能改变四个完整状态的联合分布,它不能改变这里全部 distal 参数的确定长度分布。
5. 先给定真子集自己的参数
5.1 真子集分布先消去选择长度
固定非空真子集 J⊊I。B Lemma 2.1 保证 Y 上斜率 i∈J 的逐点收敛,不要求 Y 混合。第三节时间分解于是说明,该真子集的选取分布等于确定长度的联合分布。
此时才在确定长度平均上使用式 (Replace),把每个状态函数 Gi 换成
Gi(w)=∫YGi(y)dmY,w(y)=E(Gi∣WY)(w).
这里的横线表示因子上的条件平均,不表示复共轭。
5.2 带参数权重的等式
对每个 i∈J,再取有界参数函数 hi。对状态函数
Gi(y)hi(ωY(y))
重复上一段,其条件期望为 Gi(w)hi(w)。因而
∫i∈J∏Gi(yi)hi(Pi)dλY=∫i∈J∏Gi(Pi)hi(Pi)dλY.
有限线性组合的参数乘积生成 PJ=(Pi)i∈J 的 σ-代数。由有界单调类论证,参数权重可换成任意有界 H(PJ)。因此
EλY[i∈J∏Gi(yi)∣PJ]=i∈J∏Gi(Pi).(Subarray)
由于空间标准,可先对生成 Borel σ-代数的可数代数中的指示函数建立这些等式,在一个共同满测参数集上确定条件概率,再延伸到所有有界可测函数。于是式 (Subarray) 等价于
LawλY((yi)i∈J∣PJ)=i∈J⨂mY,Pi.
5.3 这一结论还不是原文式 (3.6)
式 (Subarray) 只给定了真子集自己的参数 PJ。原文要求给定全部参数 P,包含 J 外的参数。一般而言,增加条件信息可以破坏独立性,所以不能直接把条件栏中的 PJ 改成 P。下一节使用相对不交性完成这一步。
6. 相对不交性把条件从真子集参数扩充到全部参数
对应 B p.10,Proposition 3.2 证明最后一段,结论为式 (3.6)。
6.1 真子集状态是其参数上的相对弱混合扩张
记 ΛJ 为 PJ 的分布。第五节已经确定真子集状态的测度为
λJ=∫WYJi∈J⨂mY,widΛJ((wi)i∈J).
它在不同速度的时间一作用 (SYi)i∈J 下不变。每个 Y→WY 对 SYi 相对弱混合,因而由结构结果 §1.3(3),(YJ,λJ)→(WYJ,ΛJ) 相对弱混合。
这个特定条件乘积结论可以直接从条件相关计算看出。令
F=a(w)i∈J∏fi(yi),G=c(w)i∈J∏gi(yi),
其中所有函数有界,至少一个 fs 满足 E(fs∣WY)=0。给定全部基底参数 w=(wi)i∈J,纤维本来就是乘积,故条件相关为
E[F(G∘RJh)∣w]=a(w)c(RWhw)i∈J∏E[fi(gi∘SYih)∣WY](wi),
其中 RJ=(SYi)i∈J、RW=(SWYi)i∈J。
把其他有界因子估成常数,其平方 L2(ΛJ) 范数由第 s 个因子的平方 L2(νY) 范数控制。这里只用 ΛJ 的第 s 个边缘为 νY,不要求参数彼此独立。对 h 取 Cesàro 平均后,该项由相对弱混合趋于零。
一般的有界、条件均值为零函数,可用有限张量和减去其基底条件期望来作 L2 逼近。每个张量减去条件均值后,望远镜展开成至少一个因子条件中心化的项。逼近误差在时间上有统一控制,例如
∥E[(F−F0)(G∘RJh)∣w]∥2≤∥G∥∞∥F−F0∥2.
逼近的次序可以明确固定:先选中心化有限张量和 F0,使 ∥F−F0∥2 小;随后固定这个有界的 F0,按 ∥F0∥∞ 选取有界有限张量和 G0,使 ∥G−G0∥2 足够小。恒等式
F(G∘RJh)−F0(G0∘RJh)=(F−F0)(G∘RJh)+F0((G−G0)∘RJh)
结合 RJ 保测和条件期望的 L2 压缩性,给出与 h 无关的误差上界
∥G∥∞∥F−F0∥2+∥F0∥∞∥G−G0∥2.
先对有限张量和取时间平均极限,再使这两个误差趋于零,即得到式 (RWM)。这不要求所有近似张量有一个未加说明的共同 L∞ 上界。
6.2 全参数系统是同一基底上的相对 distal 扩张
全参数系统为 (WYI,ΛY),时间一作用是 (SWYi)i∈I。每个坐标系统都是 distal;ΛY 的单坐标边缘为 νY,并在该乘积作用下不变,所以它是这些 distal 系统的一个连接。
由结构结果 §1.3(2),这个全参数系统仍为 distal,并且在它的因子 (WYJ,ΛJ) 上相对 distal。
至此得到同一基底上的两条扩张:一条是 J 个完整状态组成的相对弱混合扩张;另一条是全部参数组成的相对 distal 扩张。
6.3 原选取分布给出了这两条扩张的一个连接
把 λY 推到
((yi)i∈J,(Pi)i∈I)
的联合分布。这两个部分在 J 个参数上恰好相同;联合分布在对应的时间一作用下不变。
结构结果 §1.3(4) 的相对不交性因此适用:这个连接只能在给定 PJ 后相互独立。
若记 ΛY(dP∣PJ) 为全参数在给定子数组后的条件分布,则联合分布必须为
∫[i∈J⨂mY,wi(dyi)]ΛY(dP∣PJ=wJ)dΛJ(wJ).(Join)
这一步所用的相对不交性是明确引用的结构定理;前两小节负责逐项核实它在这里的假设。
6.4 再给定全部参数后的条件概率
式 (Join) 中,J 个状态的条件分布只依赖 PJ,不依赖其余参数。因此,对任意有界 H(P) 和有界状态函数 Gi,
∫H(P)i∈J∏Gi(yi)dλY=∫H(P)i∈J∏[∫YGi(y)dmY,Pi(y)]dΛY(P).
按条件期望的定义,这等价于
EλY[i∈J∏Gi(yi)∣P]=i∈J∏Gi(Pi).
再由标准空间上的可数生成代数确定条件概率,得到原文式 (3.6):
LawλY((yi)i∈J∣P)=i∈J⨂mY,Pi.(Full)
空的 J 只给出空乘积为 1 的平凡陈述。结论没有包括 J=I;完整四状态的相关可以仍然非零。
7. 归一化后的参数为何仍在最大 distal 因子中
对应 B Lemma 3.3,p.10,紧接式 (3.7)。
回到上篇的归一化流
Mb(Y)=(Y4,λY,(yi)i↦(SYit/byi)i),b∈I.
第 i 个参数的时间一作用是 SWYi/b。这个有理时间作用为 distal:若 r=p/q=0,则
(SWYp/q)q=SWYp.
右边是 distal 时间一作用的整数幂,因此 distal;再用“一个变换 distal 当且仅当其非零整数幂 distal”,推出左边的底层变换 SWYp/q 也 distal。
全参数数组是这些有理速度 distal 系统的一个不变连接,所以它自身为 distal 因子。最大性于是说明,它属于 Mb(Y) 时间一映射的最大 distal 因子。
继续迭代时,旧的 distal 因子拉回到扩张上,仍包含在新的最大 distal 因子中。逐次应用这一性质,便得到 Lemma 3.3 对每次有限迭代中原参数数组的结论。
相位参数也在这类因子中。例如单位屋顶悬挂的时间一映射保留相位 u,所以相位因子是恒等作用,属于紧系统。上篇保留正相关所用的相位权重,因而可以作为完整 distal 参数的一个函数使用。
8. 推导顺序与剩余依赖
本段的顺序不能交换。
- 用至多三重逐点收敛,先证明真子集的选择长度分布等于确定长度分布。
- 对确定长度平均使用相对 L2 替换,得到给定该子集自身参数的条件乘积。
- 证明这一状态系统对参数子数组相对弱混合,而完整参数系统对同一子数组相对 distal。
- 用相对不交性把条件信息从子数组扩充到整个参数数组。
仅有第二步的条件乘积,并不能直接推出第四步。也不能把相对 L2 替换直接放进随起点变化的长度中。
尚需另外核验的结构部分是 B Proposition 2.2 的完整适用范围,特别是非遍历 distal 逐点版本和相对不交性,以及 B Lemma 2.1 所用的解析证明。本篇没有使用“普通 mixing 推出所有有限阶 mixing”;那项配套结论将在后面保持辅助组结构时单独出现。
原文与前置文献
- B p.4,式 (2.2) 及其后定义:相对弱混合、有限生成模块、相对紧与相对 distal。
- B pp.4–6,Proposition 2.2:本篇逐项引用的结构结果。
- B pp.6–7,Lemma 2.3,式 (2.4):相对 L2 替换及连续时间版本。
- B pp.9–10,Proposition 3.2(2)(3),式 (3.5)–(3.6):全参数分布与完整条件信息。
- B p.10,Lemma 3.3:归一化后参数的 distal 性及有限迭代。
Huang–Shao–Ye 的 Pointwise convergence of multiple ergodic averages and strictly ergodic models,arXiv:1406.5930v2,Theorem C,p.2,假设为 Lebesgue 概率空间上的可逆、遍历、measure-distal 系统。其结论是任意固定有限阶平均几乎处处收敛,不要求乘积极限;非遍历推广是 B 中另需说明的部分。
Jamneshan 的 An uncountable Furstenberg–Zimmer structure theory,arXiv:2103.17167v4,Theorem 4.1(ii)',p.24,给出用不变有限生成 L∞-模块描述相对紧扩张的形式。其陈述对这些模块取并后再作 L2 闭包,不要求单个模块已经闭。这里核对了这一表述,不把该文及 B 的全部结构推论视为已在本专题独立证明。