σ-代數

在數學中，某個集合 X 上的 σ-代數（英語：σ-algebra）又叫 σ-域（英語：σ-field），是 X 的某群子集合所構成的特殊子集族。這個子集族對於補集運算和可數個併集運算具有封閉性（因此對於可數個交集運算也是封閉的）。σ-代數在測度論裏可以用來定義所謂的「可測集合」，是測度論的基礎概念之一。

σ-代數的概念大約起始於1900~1930年，它隨着測度論的發展而逐漸清晰。最著名的 σ-代數是關於實數軸測度的波萊爾σ-代數（得名於法國數學家埃米·波萊爾），以及1901年亨利·勒貝格建立的勒貝格σ-代數。而現代的測度理論的公理化體系就建立在勒貝格的相關理論之上。在這個領域中，σ-代數不僅僅是用於建立公理體系，也是一個強有力的工具，在定義許多重要的概念如條件期望值和鞅的時候，都需要用到。

動機

σ-代數的提出有至少三個作用：定義測度，操作集合的極限，以及管理集合所表示的部分資訊。

測度

測度是給$X$的子集賦予非負實數值的函數；可以把測度想成給集合的一個精確的「大小」或「體積」的定義。直覺上來講，若干個互不相交集合的併集的大小應當等於它們各自的大小之和，即使有無窮多個這樣的不交集。

定義

定義 — 
$X$ 為一集合，假設有子集族 ${\mathcal {F}}\subseteq {\mathcal {P}}(X)$（ ${\mathcal {P}}(X)$ 代表 $X$ 的冪集）滿足下列條件

1. $X\in {\mathcal {F}}$
2. $(\forall A\in {\mathcal {F}})\left\{(A\in {\mathcal {F}})\Rightarrow [(X-A)\in {\mathcal {F}}]\right\}$
3. $(\forall {\mathcal {A}})\left\{[({\mathcal {A}}\cong \mathbb {N} )\wedge ({\mathcal {A}}\subseteq {\mathcal {F}})]\Rightarrow \left(\bigcup {\mathcal {A}}\in {\mathcal {F}}\right)\right\}$

則稱 ${\mathcal {F}}$ 是 $X$ 的一個 σ-代數。

注意到定義第3條的${\mathcal {A}}\cong \mathbb {N}$，意思是 ${\mathcal {A}}$ 和自然數系 $\mathbb {N}$ 等勢，直觀的意思就是 ${\mathcal {A}}$ 裏的元素跟自然數一樣多。

以上定義的直觀意義為：一群 $X$ 的子集合所組成的集合 ${\mathcal {F}}$ ，為 $X$ 上的一個 σ-代數意思是滿足：

• $X$ 本身就是 ${\mathcal {F}}$ 的元素；
• 如果集合 $A$ 在 ${\mathcal {F}}$ 中，那麼它的補集 $X-A$ 也在${\mathcal {F}}$中；
• 如果有可數個集合 $A_{1},A_{2},\cdots$ 都在 ${\mathcal {F}}$ 中，那麼它們的併集也在${\mathcal {F}}$ 中。

在測度論裏有序對 $\left(X,{\mathcal {F}}\right)$ 會被稱為一個可測空間。而任何在 ${\mathcal {F}}$ 中的子集 $A$，則稱為可測集合（measurable set）；而在概率論中， ${\mathcal {F}}$ 被稱為事件族（family of events）， ${\mathcal {F}}$ 中的子集 $A$ 則稱為事件。

例子

• $X$上最小的σ-代數是$\{\varnothing ,X\}$。
• $X$上最大的σ-代數是$X$的冪集${\mathcal {P}}(X)$（也就是所有 $X$ 的子集合所組成的集合）

最小σ-代數

定理 — 
設 ${\mathcal {F}}\subseteq {\mathcal {P}}(X)$ 是 $X$ 的一個子集族，則：

$\sigma ({\mathcal {F}}):=\bigcap {\bigg \{}\Sigma \,{\bigg |}\,(\Sigma {\text{ is a sigma algebra of }}X)\wedge ({\mathcal {F}}\subseteq \Sigma ){\bigg \}}$

也是$X$ 的σ代數。

證明

根據 $\sigma ({\mathcal {F}})$ 的定義（嚴謹來說，依據分類公理所新增的公理），對所有集合 $A$ 有： $A\in \sigma ({\mathcal {F}})\Leftrightarrow (\forall \Sigma )\left\{[\,(\Sigma {\text{ is a algebra of }}X)\wedge ({\mathcal {F}}\subseteq \Sigma )\,]\Rightarrow (A\in \Sigma )\right\}$ (a) 以下將逐條檢驗σ代數的定義，來驗證 $\sigma ({\mathcal {F}})$ 的確是 $X$ 的σ代數： (1) $X\in \sigma ({\mathcal {F}})$ 對所有的集族 $\Sigma$ 來說，只要 $\Sigma$ 是σ代數，按照定義理當有 $X\in \Sigma$ ，所以由式(a)的右方的確可以得出 $X\in \sigma ({\mathcal {F}})$ 。 (2)若 $A\in \Sigma$ ，則 $X-A$ 也在 $\sigma ({\mathcal {F}})$ 中 若 $A\in \Sigma$ ，那根據式(a)，對所有的集族 $\Sigma$ 來說，只要 $\Sigma$ 是σ代數 且${\mathcal {F}}\subseteq \Sigma$，理當有 $A\in \Sigma$，所以對所有 $\Sigma$ 只要滿足這兩個條件，理當有 $X-A\in \Sigma$，所以由式(a)的右方的確有： $(\forall A)\{[A\in \sigma ({\mathcal {F}})]\Rightarrow [X-A\in \sigma ({\mathcal {F}})]\}$ (3)可數個併集也在 $\sigma ({\mathcal {F}})$ 中 若 $\{A_{1},\,A_{2},\,\dots \}\subseteq \sigma ({\mathcal {F}})$ ，由式(a)，只要 $\Sigma$ 滿足(a)左方的兩個條件，就有 $\{A_{1},\,A_{2},\,\dots \}\subseteq \Sigma$ ，所以： $\bigcup \{A_{1},\,A_{2},\,\dots \}\in \Sigma$ 所以再從(a)右方，就可以得到： $\bigcup \{A_{1},\,A_{2},\,\dots \}\in \sigma ({\mathcal {F}})$ 綜上所述， $\sigma ({\mathcal {F}})$ 的確是 $X$ 的σ代數。$\Box$

根據以上的定理，可以做以下的定義：

定義 — 
${\mathcal {F}}\subseteq {\mathcal {P}}(X)$ 是 $X$ 的一個子集族，則：

$\sigma ({\mathcal {F}}):=\bigcap {\bigg \{}\Sigma \,{\bigg |}\,(\Sigma {\text{ is a sigma algebra of }}X)\wedge ({\mathcal {F}}\subseteq \Sigma ){\bigg \}}$

稱為包含 ${\mathcal {F}}$ 的最小σ-代數。

例子

• 設集合$X=\{a,b,c,d\}$，那麼$\sigma (\{\{a\}\})=\{\varnothing ,\{a\},\{b,c,d\},X\}$ 是集合$X$上含有 $\{a\}$ 的σ-代數中最「小」的一個。

性質

σ-代數是一個代數也是一個λ系，它對集合的交集、併集、差集、可數交集、可數併集運算都是封閉的。