弱收斂與高等測度論

連續映射定理

若 X_n 依分布收斂到 X,則對某函數 g 而言 g(X_n) 會如何?第一卷你見過實數線上連續 g 的情形。連續映射定理把它推廣到度量空間之間的映射,並且關鍵地,把「處處連續」放寬為「在要緊處連續」。它是讓你把弱收斂推過變換的工具,是從泛函極限定理讀出泛函(最大值、積分、擊中時間)極限律背後的引擎。

設 S、S' 為度量空間、g: S -> S' 為可測映射。令 D_g 為 g 的不連續點集(一個波雷爾集)。定理陳述:若 X_n => X 於 S 中且極限律對不連續集不賦予質量,即 P(X in D_g) = 0,則 g(X_n) => g(X) 於 S' 中。換言之,只要極限幾乎必然落在 g 連續之處,像律就收斂。證明藉由斯科羅霍德表示一行搞定:實現具正確律的 Y_n -> Y 幾乎必然;因 Y 幾乎必然避開 D_g,連續性給出 g(Y_n) -> g(Y) 幾乎必然,故 g(X_n) => g(X)。等價地,利用 f 與 g 的合成在 D_g 外連續,檢驗對 f in C_b(S') 有 E[f(g(X_n))] -> E[f(g(X))]。

放寬為幾乎處處連續,正是使本定理在路徑空間如此有用之處。C[0,1] 上的上確界泛函 X |-> sup_t X(t) 連續,但在 D[0,1](帶斯科羅霍德拓樸的右連左極路徑空間)上,像「在固定時刻 t 的值」這類泛函恰好在 t 處跳躍的路徑上不連續;定理仍適用,因為布朗或李維極限在固定確定時刻跳躍的機率為零。這就是 Donsker 定理如何即刻給出隨機漫步最大值的極限律:對布朗極限套用連續的 sup 泛函。

若 sqrt(n)(X_bar_n - mu) => N(0, sigma^2)(中央極限定理),套用連續映射 g(x) = x^2:則 n(X_bar_n - mu)^2 => sigma^2 * chi^2_1,因 g 處處連續故 D_g 為空。這是 delta 方法最簡單的實例,而它正是連續映射定理套用於高斯極限的光滑函數。

把中央極限定理推過連續映射,以得到變換後統計量的極限律。

假設 P(X in D_g) = 0 不能省略。若極限在 g 的不連續點上放正質量,結論可能徹底失效;g 僅僅可測是不夠的。

又称
CMTmapping theorem連續映射原理