Probability Tools with Examples - UCSD Mathematicsbdriver/280_18-19_prob/Lecture...Contents Part...

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Probability Tools with Examples

April 17, 2019 File:prob.tex

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Part Homework Problems

-3 Math 280C homeworks: Spring 2019 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3.1 Homework 1. Due Wednesday, April 10, 2019 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3.2 Homework 2. Due Wednesday, April 17, 2019 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3-3.3 Homework 3. Due Wednesday, April 24, 2019 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Part I Background Material

1 Limsups, Liminfs and Extended Limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.1 Infinite sums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Basic Metric and Topological Space Notions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.1 Metric spaces as topological spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.1.1 Continuity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.2 Completeness in Metric Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.3 Sequential compactness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4 Supplementary Remarks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.4.1 Word of Caution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.4.2 Riemannian Metrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.5 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

3 Basic Probabilistic Notions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Part II Formal Development

4 Contents

4 Preliminaries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.1 Set Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294.3 Algebraic sub-structures of sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

5 Finitely Additive Measures / Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335.1 Examples of Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345.2 Additive probabilities on infinite products of a discrete space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

5.2.1 Finitely additive measures on R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355.3 *Finitely additive measures on product spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375.4 Simple Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

5.4.1 The algebraic structure of simple functions* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395.5 Simple Integration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

5.5.1 * Appendix: Bonferroni Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455.6 * Finitely Additive Measures on Rd and [0, 1]d . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465.7 * Appendix: Riemann Stieljtes integral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485.8 * Tonelli and Fubini’s Theorem I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495.9 Conditional probabilities and expectations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505.10 Simple Independence and the Weak Law of Large Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

5.10.1 Complex Weierstrass Approximation Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555.11 *Appendix: A Multi-dimensional Weirstrass Approximation Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

6 Countably Additive Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616.1 Outer Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626.2 Construction of σ–Additive Finite Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636.3 A Discrete Kolmogorov’s Extension Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666.4 Construction of σ - Finite Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686.5 Radon Measures on R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696.6 Lebesgue Measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 736.7 Metric-Measure Space Regularity Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

6.7.1 Regularity Exercises for Borel measures on (X,BX) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.8 * The π – λ theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 766.9 * Supplement: Generalizations of Theorem 6.34 to Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 786.10 * Appendix: Completions of Measure Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

7 *Measure construction extras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817.1 Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

7.1.1 An Extension of Measure Strategy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 817.2 Monotone Class Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827.3 * σ - Algebra Regularity and Uniqueness Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827.4 *Other characterizations of B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 837.5 * Appendix: Alternate measure extension construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

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Contents 5

8 *Carathéodory’s Construction of Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878.1 General Extension and Construction Theorem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878.2 Extensions of General Premeasures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 888.3 More Motivation of Carathéodory’s Construction Theorem 8.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

9 Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919.1 Measurable Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919.2 Factoring Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 979.3 Summary of Measurability Statements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 999.4 Generating All Distributions from the Uniform Distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

10 Integration Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10110.1 Integrals of positive functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10110.2 Integrals of Complex Valued Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10510.3 Integration on R . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11010.4 Densities and Change of Variables Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11410.5 Square Integrable Random Variables and Correlations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11510.6 Medians . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11610.7 Some Common Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

10.7.1 Some Discrete Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11710.7.2 Continuous Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

10.8 Stirling’s Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12210.8.1 Two applications of Stirling’s formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12410.8.2 A primitive Stirling type approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

10.9 More Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

11 * More Measure Theory Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13111.1 Comparison of the Lebesgue and the Riemann Integral* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13111.2 Riesz Markov Theorem for [0, 1]d and Rd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

11.2.1 Bone yards to the proof of Theorems 11.15 11.16 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13711.3 Measurability on Complete Measure Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

12 Functional Forms of the π – λ Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13912.1 Multiplicative System Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13912.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

12.2.1 Obsolete stuff follows. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14512.3 A Strengthening of the Multiplicative System Theorem* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14512.4 The Bounded Approximation Theorem* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14512.5 Distributions / Laws of Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147


6 Contents

13 Multiple and Iterated Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14913.1 Iterated Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14913.2 Tonelli’s Theorem and Product Measure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14913.3 Fubini’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15113.4 Fubini’s Theorem and Completions* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15413.5 Kolmogorov’s Extension Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

13.5.1 Regularity and compactness results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15513.5.2 Kolmogorov’s Extension Theorem and Infinite Product Measures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

13.6 Appendix: Standard Borel Spaces* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15813.7 More Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16113.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

14 Lebesgue Measure on Rd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16514.1 Linear Change of variables theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16614.2 General Change of Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16714.3 The Polar Decomposition of Lebesgue Measure* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17214.4 More Spherical Coordinates* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17414.5 Gaussian Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

14.5.1 *Gaussian measures with possibly degenerate covariances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17914.6 More Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18014.7 Other change of variables proofs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

14.7.1 Induction on dimension proof of Theorem 14.13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18014.7.2 δ – function localization proof of the change of variables Theorem 14.13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18214.7.3 Proof of Theorem 14.13 using the Radon Nykodym Thoerem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

15 Independence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18915.1 Basic Properties of Independence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18915.2 Independence for Gaussian Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19515.3 Summing independent random variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19615.4 A Strong Law of Large Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19915.5 A Central Limit Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

15.5.1 * More central limit theorem results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20315.5.2 *Why not Poisson limits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

15.6 Renyi Theorem (an Examples of Independence) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20515.7 The Second Borel-Cantelli Lemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20815.8 Kolmogorov and Hewitt-Savage Zero-One Laws. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211

15.8.1 Hewitt-Savage Zero-One Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21215.9 Another Construction of Independent Random Variables* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

16 The Standard Poisson Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21716.1 Poisson Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21716.2 Exponential Random Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218

16.2.1 Appendix: More properties of Exponential random Variables* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218


Contents 7

16.3 The Standard Poisson Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22016.4 Poission Process Extras* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

17 Lp – spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22517.1 Modes of Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22517.2 Almost Everywhere and Measure Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22617.3 Jensen’s, Hölder’s and Minkowski’s Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22917.4 Completeness of Lp – spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23117.5 Density Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23217.6 Relationships between different Lp – spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233

17.6.1 Summary: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23517.7 Uniform Integrability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

17.7.1 Uniform Integrability Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23917.7.2 Atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240

17.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24017.9 Appendix: Convex Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241

18 Hilbert Space Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24718.1 Compactness Results for Lp – Spaces* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25218.2 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254

19 Conditional Expectation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25519.1 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25719.2 Conditioning Gaussian Random Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

19.2.1 Regular Conditional Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26319.3 Additional Properties of Conditional Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26419.4 Conditional Independence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26819.5 Construction of Regular Conditional Distributions* . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270

20 *The Radon-Nikodym Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27320.1 Proof of the Change of Variables Theorem* 14.13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

21 Some Ergodic Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277

Part III Stochastic Processes I

21.0.1 Probability Kernels and Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

22 The Markov Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28722.1 The Markov Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28722.2 Markov Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28922.3 Discrete Time Homogeneous Markov Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29322.4 Continuous time homogeneous Markov processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294


8 Contents

22.5 Continuous Time Markov Chains on Denumerable State Spaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30022.6 First Step Analysis and Hitting Probabilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30322.7 Simple Random Walk Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30822.8 Minimal Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31122.9 Finite state space chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313

22.9.1 Invariant distributions and return times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31622.9.2 Some worked examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31722.9.3 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

22.10Appendix: Bounded rates down to earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32022.11Appendix: Kolmogorov’s extension theorem II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32122.12Removing the standard Borel restriction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32222.13*Appendix: More Probability Kernel Constructions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324

23 (Sub and Super) Martingales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32523.1 (Sub and Super) Martingale Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32523.2 Decompositions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32923.3 Stopping Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33123.4 Stochastic Integrals and Optional Stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33623.5 Submartingale Maximal Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33823.6 Summary of some of the more notable Chapter 23 convergence results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34023.7 Submartingale Upcrossing Inequality and Convergence Theorems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34123.8 *Supermartingale inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346

23.8.1 Maximal Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34623.8.2 The upcrossing inequality and convergence result . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347

23.9 Martingale Closure and Regularity Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34823.10Backwards (Reverse) Submartingales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35123.11Some More Martingale Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353

23.11.1More Random Walk Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35423.12Appendix: Some Alternate Proofs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356

24 Some Martingale Examples and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35924.1 Aside on Large Deviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35924.2 A Polya Urn Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36124.3 Galton Watson Branching Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36324.4 Kakutani’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

Part IV (Weak) Convergence of Random Sums


Contents 9

25 Random Sums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37325.1 Weak Laws of Large Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

25.1.1 A WLLN Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37425.2 Kolmogorov’s Convergence Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37625.3 The Strong Law of Large Numbers Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379

25.3.1 Strong Law of Large Number Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38125.4 Kolmogorov’s Three Series Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383

25.4.1 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38525.5 Maximal Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38725.6 Bone Yards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390

25.6.1 Kronecker’s Lemma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39025.6.2 Older variants on the proof of Kolmogorov’s three series Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

26 Weak Convergence Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39326.1 Convolutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39326.2 Total Variation Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39426.3 A Coupling Estimate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39726.4 Weak Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39926.5 “Derived” Weak Convergence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40626.6 Convergence of Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40826.7 Weak Convergence Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41026.8 Compactness and tightness of measures on (R,BR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41426.9 Extensions to Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416

26.9.1 Finitely additive measures for Rn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41726.10Metric Space Extensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421

26.10.1A point set topology review . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42326.10.2Proof of Skorohod’s Theorem 26.86 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42326.10.3Proof of Proposition – The Portmanteau Theorem 26.87 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42526.10.4Proof of Prokhorov’s compactness Theorem 26.89 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

27 Characteristic Functions (Fourier Transform) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42927.1 Basic Properties of the Characteristic Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42927.2 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43127.3 Tail Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43227.4 Continuity Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43427.5 A Fourier Transform Inversion Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43827.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44127.7 Appendix: Bochner’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44327.8 Appendix: Some Calculus Estimates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446


10 Contents

28 Weak Convergence of Random Sums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45128.1 Lindeberg-Feller CLT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45328.2 More on Infinitely Divisible Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45828.3 Stable Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46228.4 *Appendix: Lévy exponent and Lévy Process facts – Very Preliminary!! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463

Part V Stochastic Processes II

29 Gaussian Random Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47129.1 Gaussian Integrals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47129.2 Existence of Gaussian Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47329.3 Gaussian Field Interpretation of Pre-Brownian Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474

30 Versions and Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47730.1 Kolmolgorov’s Continuity Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47730.2 Kolmolgorov’s Tightness Criteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480

31 Brownian Motion I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48331.1 Donsker’s Invariance Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48331.2 Path Regularity Properties of BM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48431.3 Scaling Properties of B. M. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488

32 Filtrations and Stopping Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48932.1 Measurability Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48932.2 Stopping and optional times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49032.3 Filtration considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

32.3.1 ***More Augmentation Results (This subsection neeed serious editing.) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

33 Continuous time (sub)martingales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49933.1 Submartingale Inequalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50133.2 Regularizing a submartingale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502

References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509

34 Homework Problem Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51134.1 Resnik repeats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511


Part

Homework Problems

-3

Math 280C homeworks: Spring 2019

-3.1 Homework 1. Due Wednesday, April 10, 2019

• Look at Lecture note Exercise 22.9, 22.10(done in class), 22.12, 22.14• Hand in Lecture note Exercise 22.8, 22.15, 22.16, 22.17, 22.18, 22.19


• Look at Lecture note Exercise 23.4, 23.6• Look at Resnick Chapter 10: #14• Hand in Lecture note Exercise 23.3, 23.5, 23.7, 23.8• Resnick Chapter 10: Hand in 15, 16, 17, 33.


• Look at Lecture note Exercise 23.20, 23.27, 23.28, 23.29• Hand in Lecture note Exercise 23.21, 23.23, 23.24, 23.25, 23.26• Hand in Resnick Chapter 10: 10.17 and 10.19*

*For Resnick 10.19, please define Xn+1/Xn = Zn+1 where

Zn+1 =

Xn+1/Xn if Xn 6= 01 if Xn = 0 = Xn+1∞ ·Xn+1 if Xn = 0 and Xn+1 6= 0.

Part I

Background Material

1

Limsups, Liminfs and Extended Limits

Notation 1.1 The extended real numbers is the set R̄ := R∪{±∞} , i.e. itis R with two new points called ∞ and −∞. We use the following conventions,±∞ · 0 = 0, ±∞ · a = ±∞ if a ∈ R with a > 0, ±∞ · a = ∓∞ if a ∈ R witha < 0, ±∞+ a = ±∞ for any a ∈ R, ∞+∞ =∞ and −∞−∞ = −∞ while∞−∞ is not defined. A sequence an ∈ R̄ is said to converge to ∞ (−∞) if forall M ∈ R there exists m ∈ N such that an ≥M (an ≤M) for all n ≥ m.

Lemma 1.2. Suppose {an}∞n=1 and {bn}∞n=1 are convergent sequences in R̄,

then:

1. If an ≤ bn for1 a.a. n, then limn→∞ an ≤ limn→∞ bn.2. If c ∈ R, then limn→∞ (can) = c limn→∞ an.3. {an + bn}∞n=1 is convergent and

limn→∞

(an + bn) = limn→∞

an + limn→∞

bn (1.1)

provided the right side is not of the form ∞−∞.4. {anbn}∞n=1 is convergent and

limn→∞

(anbn) = limn→∞

an · limn→∞

bn (1.2)

provided the right hand side is not of the for ±∞ · 0 of 0 · (±∞) .

Before going to the proof consider the simple example where an = n andbn = −αn with α > 0. Then

lim (an + bn) =

∞ if α < 10 if α = 1−∞ if α > 1while

limn→∞

an + limn→∞

bn“ = ”∞−∞.

This shows that the requirement that the right side of Eq. (1.1) is not of form∞−∞ is necessary in Lemma 1.2. Similarly by considering the examples an = n1 Here we use “a.a. n” as an abbreviation for almost all n. So an ≤ bn a.a. n iff there

exists N 0 shows the necessity for assuming right hand side of

Eq. (1.2) is not of the form ∞ · 0.Proof. The proofs of items 1. and 2. are left to the reader.

Proof of Eq. (1.1). Let a := limn→∞ an and b = limn→∞ bn. Case 1., supposeb = ∞ in which case we must assume a > −∞. In this case, for every M > 0,there exists N such that bn ≥M and an ≥ a− 1 for all n ≥ N and this implies

an + bn ≥M + a− 1 for all n ≥ N.

Since M is arbitrary it follows that an + bn → ∞ as n → ∞. The cases whereb = −∞ or a = ±∞ are handled similarly. Case 2. If a, b ∈ R, then for everyε > 0 there exists N ∈ N such that

|a− an| ≤ ε and |b− bn| ≤ ε for all n ≥ N.

Therefore,

|a+ b− (an + bn)| = |a− an + b− bn| ≤ |a− an|+ |b− bn| ≤ 2ε

for all n ≥ N. Since ε > 0 is arbitrary, it follows that limn→∞ (an + bn) = a+b.Proof of Eq. (1.2). It will be left to the reader to prove the case where lim an

and lim bn exist in R. I will only consider the case where a = limn→∞ an 6= 0and limn→∞ bn = ∞ here. Let us also suppose that a > 0 (the case a < 0 ishandled similarly) and let α := min

(a2 , 1). Given any M < ∞, there exists

N ∈ N such that an ≥ α and bn ≥ M for all n ≥ N and for this choice of N,anbn ≥ Mα for all n ≥ N. Since α > 0 is fixed and M is arbitrary it followsthat limn→∞ (anbn) =∞ as desired.

For any subset Λ ⊂ R̄, let supΛ and inf Λ denote the least upper bound andgreatest lower bound of Λ respectively. The convention being that supΛ = ∞if ∞ ∈ Λ or Λ is not bounded from above and inf Λ = −∞ if −∞ ∈ Λ or Λ isnot bounded from below. We will also use the conventions that sup ∅ = −∞and inf ∅ = +∞.

Notation 1.3 Suppose that {xn}∞n=1 ⊂ R̄ is a sequence of numbers. Then

lim infn→∞

xn = limn→∞

inf{xk : k ≥ n} and (1.3)

lim supn→∞

xn = limn→∞

sup{xk : k ≥ n}. (1.4)

8 1 Limsups, Liminfs and Extended Limits

We will also write lim for lim infn→∞ and lim for lim supn→∞

.

Remark 1.4. Notice that if an := inf{xk : k ≥ n} and bn := sup{xk : k ≥n}, then {an} is an increasing sequence while {bn} is a decreasing sequence.Therefore the limits in Eq. (1.3) and Eq. (1.4) always exist in R̄ and

lim infn→∞

xn = supn

inf{xk : k ≥ n} and

lim supn→∞

xn = infn

sup{xk : k ≥ n}.

The following proposition contains some basic properties of liminfs and lim-sups.

Proposition 1.5. Let {an}∞n=1 and {bn}∞n=1 be two sequences of real numbers.Then

1. lim infn→∞ an ≤ lim supn→∞

an and limn→∞ an exists in R̄ iff

lim infn→∞

an = lim supn→∞

an ∈ R̄.

2. There is a subsequence {ank}∞k=1 of {an}∞n=1 such that limk→∞ ank =lim supn→∞

an. Similarly, there is a subsequence {ank}∞k=1 of {an}∞n=1 such thatlimk→∞ ank = lim infn→∞ an.

3.lim supn→∞

(an + bn) ≤ lim supn→∞

an + lim supn→∞

bn (1.5)

whenever the right side of this equation is not of the form ∞−∞.4. If an ≥ 0 and bn ≥ 0 for all n ∈ N, then

lim supn→∞

(anbn) ≤ lim supn→∞

an · lim supn→∞

bn, (1.6)

provided the right hand side of (1.6) is not of the form 0 · ∞ or ∞ · 0.

Proof. 1. Since

inf{ak : k ≥ n} ≤ sup{ak : k ≥ n} ∀n,

lim infn→∞

an ≤ lim supn→∞

an.

Now suppose that lim infn→∞ an = lim supn→∞

an = a ∈ R. Then for all ε > 0,there is an integer N such that

a− ε ≤ inf{ak : k ≥ N} ≤ sup{ak : k ≥ N} ≤ a+ ε,

i.e.a− ε ≤ ak ≤ a+ ε for all k ≥ N.

Hence by the definition of the limit, limk→∞ ak = a. If lim infn→∞ an = ∞,then we know for all M ∈ (0,∞) there is an integer N such that

M ≤ inf{ak : k ≥ N}

and hence limn→∞ an =∞. The case where lim supn→∞

an = −∞ is handled simi-larly.

Conversely, suppose that limn→∞ an = A ∈ R̄ exists. If A ∈ R, then forevery ε > 0 there exists N(ε) ∈ N such that |A− an| ≤ ε for all n ≥ N(ε), i.e.

A− ε ≤ an ≤ A+ ε for all n ≥ N(ε).

From this we learn that

A− ε ≤ lim infn→∞


an ≤ A+ ε.

Since ε > 0 is arbitrary, it follows that

A ≤ lim infn→∞


an ≤ A,

i.e. that A = lim infn→∞ an = lim supn→∞

an. If A = ∞, then for all M > 0

there exists N = N(M) such that an ≥ M for all n ≥ N. This show thatlim infn→∞ an ≥M and since M is arbitrary it follows that

∞ ≤ lim infn→∞


an.

The proof for the case A = −∞ is analogous to the A =∞ case.2. – 4. The remaining items are left as an exercise to the reader. It may

be useful to keep the following simple example in mind. Let an = (−1)n andbn = −an = (−1)n+1 . Then an + bn = 0 so that

0 = limn→∞

(an + bn) = lim infn→∞

(an + bn) = lim supn→∞

(an + bn)

while

lim infn→∞

an = lim infn→∞

bn = −1 and

lim supn→∞

an = lim supn→∞

bn = 1.

Thus in this case we have

lim supn→∞

(an + bn) < lim supn→∞

an + lim supn→∞

bn and

lim infn→∞

(an + bn) > lim infn→∞

an + lim infn→∞

bn.


1.1 Infinite sums 9

Remark 1.6. If an ≤ bn for a.a. n, (i.e. there exists N ∈ N such that an ≤ bnfor all n ≥ N), then it is easy to verify that

lim supn→∞


bn and lim infn→∞

an ≤ lim infn→∞

bn.

In particular if an = bn for a.a. n, then

lim supn→∞

an = lim supn→∞

bn and lim infn→∞

an = lim infn→∞

bn.

It is also easy to verify that if b ∈ R, then

lim supn→∞

(an + b) = lim supn→∞

an + b and lim infn→∞

(an + b) = lim infn→∞

an + b.

Lemma 1.7. If {an}∞n=1 and {bn}∞n=1 are two sequences of real numbers andb = limn→∞ bn exists in R, then

lim infn→∞

(an + bn) = lim infn→∞

an + b.

Proof. Let ε > 0 be given and choose N = N (ε) ∈ N so that |b− bn| ≤ εfor all n ≥ N (ε) . Then

an + b− ε ≤ an + bn ≤ an + b+ ε for all n ≥ N

and hence taking the lim inf of this inequality using Remark 1.6 we find

lim infn→∞

an + b− ε ≤ lim infn→∞

(an + bn) ≤ lim infn→∞

an + b+ ε.

As this is valid for all ε > 0 we may let ε ↓ 0 in the previous inequality to find

lim infn→∞

an + b ≤ lim infn→∞

(an + bn) ≤ lim infn→∞

an + b.

1.1 Infinite sums

Definition 1.8. For an ∈ [0,∞] , let

∞∑n=1

an := limN→∞

N∑n=1

an = supN

N∑n=1

an.

Remark 1.9. If an, bn ∈ [0,∞] and λ ≥ 0, then∞∑n=1

(an + λbn) =

∞∑n=1

an + λ ·∞∑n=1

bn.

Indeed,

∞∑n=1

(an + λbn) = limN→∞

N∑n=1

(an + λbn) = limN→∞

[N∑n=1

an + λ

N∑n=1

bn

]

= limN→∞

N∑n=1

an + λ limN→∞

N∑n=1

bn =

∞∑n=1

an + λ ·∞∑n=1

bn.

We will refer to the following basic proposition as the monotone convergencetheorem for sums (MCT for short).

Proposition 1.10 (MCT for sums). Suppose that for each n ∈ N, {fn (i)}∞i=1is a sequence in [0,∞] such that ↑ limn→∞ fn (i) = f (i) by which we meanfn (i) ↑ f (i) as n→∞. Then

limn→∞

∞∑i=1

fn (i) =

∞∑i=1

f (i) , i.e.

limn→∞

∞∑i=1

fn (i) =

∞∑i=1

limn→∞

fn (i) .

We allow for the possibility that these expression may equal to +∞.

Proof. Let M :=↑ limn→∞∑∞i=1 fn (i) . As fn (i) ≤ f (i) for all n it follows

that∑∞i=1 fn (i) ≤

∑∞i=1 f (i) for all n and therefore passing to the limit shows

M ≤∑∞i=1 f (i) . If N ∈ N we have,

N∑i=1

f (i) =

N∑i=1

limn→∞

fn (i) = limn→∞

N∑i=1

fn (i) ≤ limn→∞

∞∑i=1

fn (i) = M.

Letting N ↑ ∞ in this equation then shows∑∞i=1 f (i) ≤ M which completes

the proof.

Proposition 1.11 (Tonelli’s theorem for sums). If {akn}∞k,n=1 ⊂ [0,∞] ,then

∞∑k=1

∞∑n=1

akn =

∞∑n=1

∞∑k=1

akn.

Here we allow for one and hence both sides to be infinite.

Proof. First Proof. Let SN (k) :=∑Nn=1 akn, then by the MCT (Proposi-

tion 1.10),

limN→∞

∞∑k=1

SN (k) =

∞∑k=1

limN→∞

SN (k) =

∞∑k=1

∞∑n=1

akn.



On the other hand,

∞∑k=1

SN (k) =

∞∑k=1

N∑n=1

akn =

N∑n=1

∞∑k=1

akn

so that

limN→∞

∞∑k=1

SN (k) = limN→∞

N∑n=1

∞∑k=1

akn =

∞∑n=1

∞∑k=1

akn.

Second Proof. Let

M := sup

{K∑k=1

N∑n=1

akn : K,N ∈ N

}= sup

{N∑n=1

K∑k=1

akn : K,N ∈ N

}

and

L :=

∞∑k=1

∞∑n=1

akn.

Since

L =

∞∑k=1

∞∑n=1

akn = limK→∞

K∑k=1

∞∑n=1

akn = limK→∞

limN→∞

K∑k=1

N∑n=1

akn

and∑Kk=1

∑Nn=1 akn ≤M for all K and N, it follows that L ≤M. Conversely,

K∑k=1

N∑n=1

akn ≤K∑k=1

∞∑n=1

akn ≤∞∑k=1

∞∑n=1

akn = L

and therefore taking the supremum of the left side of this inequality over Kand N shows that M ≤ L. Thus we have shown

∞∑k=1

∞∑n=1

akn = M.

By symmetry (or by a similar argument), we also have that∑∞n=1

∑∞k=1 akn =

M and hence the proof is complete.

Definition 1.12. A sequence {an}∞n=1 ⊂ R is summable (absolutely con-vergent) if

∑∞n=1 |an| < ∞. When {an}

∞n=1 ⊂ R is summable we let a±n =

max (∓an, 0) and define,

∞∑n=1

an :=∞∑n=1

a+n −∞∑n=1

a−n . (1.7)

Remark 1.13. From Eq. (1.7) it follows that∣∣∣∣∣∞∑n=1

an

∣∣∣∣∣ ≤∞∑n=1

a+n +

∞∑n=1

a−n =

∞∑n=1

(a+n + a

−n

)=

∞∑n=1

|an| .

Proposition 1.14 (Linearity). If {an}∞n=1 and {bn}∞n=1 are summable λ ∈ R,

then {an + λbn}∞n=1 is summable and

∞∑n=1

(an + λbn) =

∞∑n=1

an + λ

∞∑n=1

bn.

Proof. Let cn := an + λbn so that |cn| ≤ |an|+ |λ| |bn| and hence

∞∑n=1

|cn| =∞∑n=1

|an + λbn| ≤∞∑n=1

|an|+ |λ|∞∑n=1

|bn|

1.1 Infinite sums 11

∞∑n=1

−1 · an =∞∑n=1

a−n −∞∑n=1

a+n = −

( ∞∑n=1

a+n −∞∑n=1

a−n

)= −

∞∑n=1

an.

You are asked to prove the next three results in the exercises.

Proposition 1.15 (Fubini for sums). Suppose {akn}∞k,n=1 ⊂ R such that

∞∑k=1

∞∑n=1

|akn| =∞∑n=1

∞∑k=1

|akn|


and hence∫ ∞0

dx

∫ ∞0

dy h (x, y) = 0 6= 1 =∫ ∞

0

dy

∫ ∞0

dx h (x, y) .

Proposition 1.17 (Fatou’s Lemma for sums). Suppose that for each n ∈ N,{hn (i)}∞i=1 is any sequence in [0,∞] , then

∞∑i=1

lim infn→∞

hn (i) ≤ lim infn→∞

∞∑i=1

hn (i) .

The next proposition is referred to as the dominated convergence theorem(DCT for short) for sums.

Proposition 1.18 (DCT for sums). Suppose that for each n ∈ N,{fn (i)}∞i=1 ⊂ R is a sequence and {gn (i)}

∞i=1 is a sequence in [0,∞) such that;

1.∑∞i=1 gn (i)

2

Basic Metric and Topological Space Notions

The reader may refer to this chapter when the need arises later.

Definition 2.1 (Pseudo-Metrics). Let X be a non-empty set. A functiond : X × X → [0,∞) is called a pseudo-metric on X if d is symmetric andsatisfies the triangle inequality, i.e.

1. (Symmetry) d(x, y) = d(y, x) for all x, y ∈ X, and2. (Triangle inequality) d(x, z) ≤ d(x, y) + d(y, z) for all x, y, z ∈ X.

If we further assume that d is non-degenerate in the sense that d(x, y) = 0if and only if x = y ∈ X, then we say d is a metric on X.

Notice that any subset, Y, of a (pseudo) metric space (X, d) is a metric spaceby simply restricting d to Y × Y.

Example 2.2. Let us mention just a very few examples of (pseudo-metric) spaces.

1. Let X = R. Then d (x, y) = |y − x| is the usual metric on R. Another usefulmetric is d (x, y) =

∣∣tan−1 (y)− tan−1 (x)∣∣ .2. If X = Rd, then d (x, y) =

√∑dj=1 (yj − xj)

2is the usual Euclidean dis-

tance metric on Rd. Subsets like the unit sphere in Rd are metric spaces aswell.

3. Let X = C ([0, 1] ,C) be the continuous function thed (f, g) := maxx∈[0,1] |f (x)− g (x)| is a metric while d (f, g) :=maxx∈[0,1/2] |f (x)− g (x)| is a Pseudo - metric on X.

4. Any normed space (X, ‖·‖) (see Definition ??) is a metric space withd(x, y) := ‖x− y‖ . Thus the space `p(µ) (as in Theorem ??) is a metricspace for all p ∈ [1,∞].

5. Let X denote the C1 – periodic functions on R. Then d (f, g) :=maxx∈R |f ′ (x)− g′ (x)| is a pseudo-metric on X.

Throughout this chapter, let (X, d) be a pseudo-metric space and we willoften just say (X, d) is a metric space even though we may allow d to be degen-erate unless explicitly noted.

Definition 2.3. Let (X, d) be a metric space. The open ball B(x, δ) ⊂ Xcentered at x ∈ X with radius δ > 0 is the set

B(x, δ) := {y ∈ X : d(x, y) < δ}.

We will often also write B(x, δ) as Bx(δ). We also define the closed ball cen-tered at x ∈ X with radius δ > 0 as the set Cx(δ) := {y ∈ X : d(x, y) ≤ δ}.

Definition 2.4. A sequence {xn}∞n=1 ⊂ X is said to converge to a point x ∈ Xif limn→∞ d (x, xn) = 0 and abbreviate this by writing xn → x or xn

d→ x asn→∞.

If xn → x and xn → y, then

d (x, y) ≤ d (x, xn) + d (xn, y)→ 0 as n→∞

and so d (x, y) = 0. If d is non-degenerate, then x = y and limits are uniqueotherwise they are not.

Definition 2.5. A set E ⊂ X is bounded if E ⊂ B (x,R) for some x ∈ X andR 0such that Bx(δ) ⊂ V. In particular show Bx(δ) is open for all x ∈ X and δ > 0.Hint: by definition V is not open iff V c is not closed.

Definition 2.6. A subset A ⊂ X is a neighborhood of x if there exists anopen set V ⊂o X such that x ∈ V ⊂ A. We will say that A ⊂ X is an openneighborhood of x if A is open and x ∈ A.1 When d is non-degenerate we require all the possible limits of {xn} to be in F. This

then implies that if x ∈ F and y ∈ X with d (x, y) = 0, then y ∈ F as well.

14 2 Basic Metric and Topological Space Notions

The following “continuity” facts of the metric d will be used frequently inthe remainder of this book.

Lemma 2.7. For any non empty subset A ⊂ X, let dA(x) := inf{d(x, a)|a ∈A}, then

|dA(x)− dA(y)| ≤ d(x, y) ∀x, y ∈ X (2.1)and in particular if xn → x in X then dA (xn) → dA (x) as n → ∞. Moreoverthe set Fε := {x ∈ X : dA(x) ≥ ε} is closed in X.

Proof. Let a ∈ A and x, y ∈ X, then

dA(x) ≤ d(x, a) ≤ d(x, y) + d(y, a).

Take the infimum over a in the above equation shows that

dA(x) ≤ d(x, y) + dA(y) ∀x, y ∈ X.

Therefore, dA(x)− dA(y) ≤ d(x, y) and by interchanging x and y we also havethat dA(y) − dA(x) ≤ d(x, y) which implies Eq. (2.1). If xn → x ∈ X, then byEq. (2.1),

|dA(x)− dA(xn)| ≤ d(x, xn)→ 0 as n→∞so that limn→∞ dA (xn) = dA (x) . Now suppose that {xn}∞n=1 ⊂ Fε and xn → xin X, then

dA (x) = limn→∞

dA (xn) ≥ ε

since dA (xn) ≥ ε for all n. This shows that x ∈ Fε and hence Fε is closed.

Corollary 2.8. The function d satisfies,

|d(x, y)− d(x′, y′)| ≤ d(y, y′) + d(x, x′).

In particular d : X × X → [0,∞) is “continuous” in the sense that d(x, y) isclose to d(x′, y′) if x is close to x′ and y is close to y′. (The notion of continuitywill be developed shortly.)

Proof. By Lemma 2.7 for single point sets and the triangle inequality forthe absolute value of real numbers,

|d(x, y)− d(x′, y′)| ≤ |d(x, y)− d(x, y′)|+ |d(x, y′)− d(x′, y′)|≤ d(y, y′) + d(x, x′).

Example 2.9. Let x ∈ X and δ > 0, then Cx (δ) and Bx (δ)c are closed subsetsof X. For example if {yn}∞n=1 ⊂ Cx (δ) and yn → y ∈ X, then d (yn, x) ≤ δ forall n and using Corollary 2.8 it follows d (y, x) ≤ δ, i.e. y ∈ Cx (δ) . A similarproof shows Bx (δ)

cis closed, see Exercise 2.2.

Lemma 2.10 (Approximating open sets from the inside by closedsets). Let A be a closed subset of X and Fε := {x ∈ X|dA(x) ≥ ε} @ Xbe as in Lemma 2.7. Then Fε ↑ Ac as ε ↓ 0.

Proof. It is clear that dA(x) = 0 for x ∈ A so that Fε ⊂ Ac for each ε > 0and hence ∪ε>0Fε ⊂ Ac. Now suppose that x ∈ Ac ⊂o X. By Exercise 2.2 thereexists an ε > 0 such that Bx(ε) ⊂ Ac, i.e. d(x, y) ≥ ε for all y ∈ A. Hencex ∈ Fε and we have shown that Ac ⊂ ∪ε>0Fε. Finally it is clear that Fε ⊂ Fε′whenever ε′ ≤ ε.

Definition 2.11. Given a set A contained in a metric space X, let Ā ⊂ X bethe closure of A defined by

Ā := {x ∈ X : ∃ {xn} ⊂ A 3 x = limn→∞

xn}.

That is to say Ā contains all limit points of A. We say A is dense in X ifĀ = X, i.e. every element x ∈ X is a limit of a sequence of elements from A.A metric space is said to be separable if it contains a countable dense subset,D.

Exercise 2.3. Given A ⊂ X, show Ā is a closed set and in fact

Ā = ∩{F : A ⊂ F ⊂ X with F closed}. (2.2)

That is to say Ā is the smallest closed set containing A.

Exercise 2.4. If D is a dense subset of a metric space (X, d) and E ⊂ X isa subset such that to every point x ∈ D there exists {xn}∞n=1 ⊂ E with x =limn→∞ xn, then E is also a dense subset of X. If points in E well approximateevery point in D and the points in D well approximate the points in X, thenthe points in E also well approximate all points in X.

Exercise 2.5. Suppose (X, d) is a metric space which contains an uncountablesubset Λ ⊂ X with the property that there exists ε > 0 such that d (a, b) ≥ εfor all a, b ∈ Λ with a 6= b. Show that (X, d) is not separable.

2.1 Metric spaces as topological spaces

Let (X, d) be a metric space and let τ = τd denote the collection of opensubsets of X. (Recall V ⊂ X is open iff V c is closed iff for all x ∈ V thereexists an ε = εx > 0 such that B (x, εx) ⊂ V iff V can be written as a (possiblyuncountable) union of open balls.) Although we will stick with metric spacesin this chapter, it will be useful to introduce the definitions needed here in themore general context of a general “topological space,” i.e. a space equippedwith a collection of “o

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