构造辅助类 L
为了证明 M(A) = σ(A),我们首先假设 M 是一个包含 A 的任意单调类。我们的目标是证明 M 实际上是一个σ 代数。由于 M 已经是单调类,我们只需要证明它对有限交运算封闭即可(因为对有限交的封闭性加上单调性足以推出对可数并的封闭性)。
定义集合族 L 如下:
L = { E ⊆ Ω : ∀ F ∈ A, E ∩ F ∈ M }
这个定义看起来有点绕,但其核心思想是:我们考察 M 中的所有元素与 A 中元素的交集是否还在 M 中。
验证 L 的性质
接下来,我们需要证明 L 本身也是一个单调类。
- 上升序列:设
E₁ ⊆ E₂ ⊆ ... 属于 L。对于任意固定的 F ∈ A,由于 Eₙ ∩ F ∈ M,且 (E₁ ∩ F) ⊆ (E₂ ∩ F) ⊆ ...,根据 M 是单调类的定义,其并集 ∪(Eₙ ∩ F) = (∪Eₙ) ∩ F 必须属于 M。因此 ∪Eₙ ∈ L。
- 下降序列:同理可证,若
Eₙ ↓ E,则 E ∩ F ∈ M,故 E ∈ L。
此外,显然 A ⊆ L(因为 A 是代数,对交封闭,且 A ⊆ M)。
对称论证与最终结论
现在我们知道 L 是一个包含 A 的单调类。根据 函数单调类定理 的极小性(即 M(A) 是包含 A 的最小单调类),我们可以得出 M(A) ⊆ L。
这意味着:对于任意 E ∈ M(A) 和任意 F ∈ A,都有 E ∩ F ∈ M(A)。
但这还不够,我们需要证明 M(A) 对任意两个元素的交封闭。此时,我们再次使用同样的逻辑,将 M(A) 视为新的基准,定义另一个类 K = { G : ∀ E ∈ M(A), E ∩ G ∈ M(A) }。通过类似的单调类论证,可以证明 M(A) ⊆ K,从而得出对于任意 E, G ∈ M(A),有 E ∩ G ∈ M(A)。
既然 M(A) 对有限交封闭,且它是单调类,那么它就是一个σ 代数。证毕。