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Borel–Cantelli lemma

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2614: 36: 2174: 2609:{\displaystyle {\begin{aligned}1-\Pr(\limsup _{n\to \infty }E_{n})&=1-\Pr \left(\{E_{n}{\text{ i.o.}}\}\right)=\Pr \left(\{E_{n}{\text{ i.o.}}\}^{c}\right)\\&=\Pr \left(\left(\bigcap _{N=1}^{\infty }\bigcup _{n=N}^{\infty }E_{n}\right)^{c}\right)=\Pr \left(\bigcup _{N=1}^{\infty }\bigcap _{n=N}^{\infty }E_{n}^{c}\right)\\&=\Pr \left(\liminf _{n\to \infty }E_{n}^{c}\right)=\lim _{N\to \infty }\Pr \left(\bigcap _{n=N}^{\infty }E_{n}^{c}\right),\end{aligned}}} 869: 2928: 674: 3641: 2742: 987: 135:
of the first Borel–Cantelli lemma. The lemma states that, under certain conditions, an event will have probability of either zero or one. Accordingly, it is the best-known of a class of similar theorems, known as zero-one laws. Other examples include
1968: 1094: 441: 864:{\displaystyle \bigcup _{n=1}^{\infty }E_{n}\supseteq \bigcup _{n=2}^{\infty }E_{n}\supseteq \cdots \supseteq \bigcup _{n=N}^{\infty }E_{n}\supseteq \bigcup _{n=N+1}^{\infty }E_{n}\supseteq \cdots \supseteq \limsup _{n\to \infty }E_{n}.} 3353: 669: 3481: 1299: 3007:. It is a counterpart of the Lemma in the sense that it gives a necessary and sufficient condition for the limsup to be 1 by replacing the independence assumption by the completely different assumption that 2686: 1481: 315: 1419: 874: 253: 1160: 1588: 2167: 2039: 1697: 2747: 2179: 525:
is equivalent to the probability of the intersection of infinitely many events. The intersection of infinitely many such events is a set of outcomes common to all of them. However, the sum ΣPr(
1870: 1803: 2993: 1217: 992: 345: 2923:{\displaystyle {\begin{aligned}\Pr \left(\bigcap _{n=N}^{\infty }E_{n}^{c}\right)&=\prod _{n=N}^{\infty }\Pr(E_{n}^{c})\\&=\prod _{n=N}^{\infty }(1-\Pr(E_{n})).\end{aligned}}} 2737: 2090: 1639: 3120: 3476: 1865: 3149: 541:
and so the Borel–Cantelli Lemma states that the set of outcomes that are common to infinitely many such events occurs with probability zero. Hence, the probability of
3431: 3390: 3256: 3074: 3038: 3668: 3223: 3196: 3169: 3261: 1222: 1424: 258: 1358: 3636:{\textstyle \liminf _{k\to \infty }{\frac {\sum _{1\leq m,n\leq k}\Pr(A_{m}\cap A_{n})}{\left(\sum _{n=1}^{k}\Pr(A_{n})\right)^{2}}}<\infty .} 192: 470:
is finite, then the set of all outcomes that are "repeated" infinitely many times must occur with probability zero. Note that no assumption of
598: 2108: 3918: 3802: 2619: 461:
i.o.}, where "i.o." stands for "infinitely often". The theorem therefore asserts that if the sum of the probabilities of the events
1753: 3786: 3748: 1530: 1099: 1644: 3934: 1981: 1817: 141: 3908:
Durrett, Rick. "Probability: Theory and Examples." Duxbury advanced series, Third Edition, Thomson Brooks/Cole, 2005.
982:{\displaystyle \Pr(\limsup _{n\to \infty }E_{n})=\lim _{N\to \infty }\Pr \left(\bigcup _{n=N}^{\infty }E_{n}\right).} 79: 57: 127:, who gave statement to the lemma in the first decades of the 20th century. A related result, sometimes called the 50: 137: 2941: 1165: 17: 3939: 3836: 2691: 2044: 1593: 3679: 3355:
This simple result can be useful in problems such as for instance those involving hitting probabilities for
3079: 3826: 3831: 3436: 112: 1963:{\displaystyle \lim \sup F_{j}=\bigcap _{n=1}^{\infty }\bigcup _{k=n}^{\infty }F_{k}=\mathbb {R} ^{n}} 3944: 1505: 1089:{\displaystyle \Pr \left(\bigcup _{n=N}^{\infty }E_{n}\right)\leq \sum _{n=N}^{\infty }\Pr(E_{n}).} 471: 436:{\displaystyle \limsup _{n\to \infty }E_{n}=\bigcap _{n=1}^{\infty }\bigcup _{k=n}^{\infty }E_{k}.} 124: 44: 3689: 1710: 3125: 333:
is the set of outcomes that occur infinitely many times within the infinite sequence of events (
3684: 3225:
occurs) is one if and only if there exists a strictly increasing sequence of positive integers
61: 3403: 3362: 3228: 3046: 3010: 1703: 1517:
diverges to infinity, then the probability that infinitely many of them occur is 1. That is:
1328: 3809: 3646: 3201: 3174: 1495:, is a partial converse of the first Borel–Cantelli lemma. The lemma states: If the events 324:
of the sequence of events, and each event is a set of outcomes. That is, lim sup 
8: 321: 99: 3897: 3889: 3869: 3356: 3154: 93: 3768: 3901: 3782: 3744: 589: 167: 3881: 3774: 2935: 2931: 1739: 132: 3861:
Harmonic analysis: Real-variable methods, orthogonality, and oscillatory integrals
3949: 492: 3773:. Graduate Texts in Mathematics. Vol. 95. New York, NY: Springer New York. 3856: 3843: 116: 3778: 3708:
E. Borel, "Les probabilités dénombrables et leurs applications arithmetiques"
120: 3928: 1310: 555: 2105:
has probability 0. This is just to say that it is sufficient to show that
1336: 3348:{\displaystyle \sum _{k}\Pr(A_{t_{k+1}}\mid {\bar {A}}_{t_{k}})=\infty .} 1743: 664:{\textstyle \left\{\bigcup _{n=N}^{\infty }E_{n}\right\}_{N=1}^{\infty }} 3040:
is monotone increasing for sufficiently large indices. This Lemma says:
3893: 255:
then the probability that infinitely many of them occur is 0, that is,
1294:{\displaystyle \lim _{N\to \infty }\sum _{n=N}^{\infty }\Pr(E_{n})=0,} 3885: 3803:"Romik, Dan. Probability Theory Lecture Notes, Fall 2009, UC Davis" 108: 2681:{\textstyle \Pr \left(\bigcap _{n=N}^{\infty }E_{n}^{c}\right)=0} 104: 3725:
F.P. Cantelli, "Sulla probabilità come limite della frequenza",
1476:{\displaystyle \mu \left(\limsup _{n\to \infty }A_{n}\right)=0.} 310:{\displaystyle \Pr \left(\limsup _{n\to \infty }E_{n}\right)=0.} 2092:
are independent. It is sufficient to show the event that the
1414:{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\mu (A_{n})<\infty ,} 147: 248:{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\Pr(E_{n})<\infty ,} 3848:
An Introduction to Probability Theory and Its Application
1155:{\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }\Pr(E_{n})<\infty .} 1721:
The lemma can be applied to give a covering theorem in
1583:{\displaystyle \sum _{n=1}^{\infty }\Pr(E_{n})=\infty } 3484: 3439: 2944: 2622: 2162:{\displaystyle 1-\Pr(\limsup _{n\to \infty }E_{n})=0.} 1984: 1168: 1102: 601: 3872:(1980), "A counterpart of the Borel Cantelli Lemma", 3649: 3406: 3365: 3264: 3231: 3204: 3177: 3157: 3128: 3082: 3049: 3013: 2745: 2694: 2177: 2111: 2047: 1873: 1820: 1756: 1647: 1596: 1533: 1427: 1361: 1313:, the Borel–Cantelli lemma takes the following form: 1225: 995: 877: 677: 348: 261: 195: 3921:
Refer for a simple proof of the Borel Cantelli Lemma
2034:{\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }\Pr(E_{n})=\infty } 1692:{\displaystyle \Pr(\limsup _{n\to \infty }E_{n})=1.} 3662: 3635: 3470: 3425: 3384: 3347: 3250: 3217: 3190: 3163: 3143: 3114: 3068: 3032: 2987: 2922: 2731: 2680: 2608: 2161: 2084: 2033: 1962: 1859: 1797: 1702:The assumption of independence can be weakened to 1691: 1633: 1582: 1475: 1413: 1293: 1211: 1154: 1088: 981: 863: 663: 435: 309: 247: 3926: 3592: 3532: 3486: 3443: 3275: 2966: 2891: 2827: 2750: 2623: 2550: 2535: 2496: 2487: 2407: 2324: 2273: 2236: 2195: 2188: 2125: 2118: 2006: 1877: 1874: 1706:, but in that case the proof is more difficult. 1655: 1648: 1555: 1437: 1263: 1227: 1190: 1124: 1064: 996: 932: 917: 885: 878: 833: 350: 271: 262: 217: 3795: 2101:'s did not occur for infinitely many values of 180:If the sum of the probabilities of the events { 1798:{\displaystyle \sum _{j}\mu (E_{j})=\infty ,} 2988:{\textstyle \sum _{n=N}^{\infty }\Pr(E_{n})} 2300: 2281: 2262: 2244: 1212:{\textstyle \sum _{n=1}^{\infty }\Pr(E_{n})} 3171:. Then the probability of infinitely many 2938:guarantees that the product above is 0, if 3643:Then there is a positive probability that 567:is nonzero for all but finitely many  3824: 1950: 1304: 148:Statement of lemma for probability spaces 80:Learn how and when to remove this message 3766: 3003:Another related result is the so-called 1508:and the sum of the probabilities of the 43:This article includes a list of general 3005:counterpart of the Borel–Cantelli lemma 2732:{\displaystyle (E_{n})_{n=1}^{\infty }} 2085:{\displaystyle (E_{n})_{n=1}^{\infty }} 1634:{\displaystyle (E_{n})_{n=1}^{\infty }} 1491:A related result, sometimes called the 1318:Borel–Cantelli Lemma for measure spaces 14: 3927: 3842: 3738: 3115:{\displaystyle A_{k}\subseteq A_{k+1}} 166:, ... be a sequence of events in some 3868: 3855: 1726: 3762: 3760: 3471:{\textstyle \sum \Pr(A_{n})=\infty } 2995:diverges. This completes the proof. 29: 170:. The Borel–Cantelli lemma states: 24: 3627: 3496: 3465: 3339: 2961: 2877: 2822: 2774: 2724: 2647: 2574: 2545: 2506: 2452: 2431: 2374: 2353: 2205: 2135: 2077: 2028: 2001: 1970:apart from a set of measure zero. 1930: 1909: 1789: 1665: 1626: 1577: 1550: 1486: 1447: 1405: 1378: 1258: 1237: 1185: 1146: 1119: 1059: 1020: 956: 927: 895: 843: 808: 768: 728: 694: 656: 624: 588:) be a sequence of events in some 550:= 0 occurring for infinitely many 415: 394: 360: 281: 239: 212: 49:it lacks sufficient corresponding 25: 3961: 3912: 3757: 1860:{\displaystyle F_{j}=E_{j}+x_{j}} 3359:with the choice of the sequence 1713:follows from this second lemma. 115:. In general, it is a result in 34: 3395: 521:= 0 occurs for infinitely many 3732: 3719: 3702: 3608: 3595: 3561: 3535: 3493: 3459: 3446: 3420: 3407: 3379: 3366: 3333: 3314: 3278: 3245: 3232: 3135: 3063: 3050: 3027: 3014: 2998: 2982: 2969: 2910: 2907: 2894: 2882: 2848: 2830: 2709: 2695: 2542: 2503: 2220: 2202: 2191: 2150: 2132: 2121: 2062: 2048: 2022: 2009: 1783: 1770: 1680: 1662: 1651: 1611: 1597: 1571: 1558: 1444: 1399: 1386: 1279: 1266: 1234: 1206: 1193: 1140: 1127: 1080: 1067: 924: 910: 892: 881: 840: 357: 278: 233: 220: 13: 1: 3695: 3433:be a sequence of events with 3198:occur (that is, at least one 320:Here, "lim sup" denotes 3863:, Princeton University Press 3767:Shiryaev, Albert N. (2016). 1716: 558:(i.e., with probability 1), 7: 3832:Encyclopedia of Mathematics 3673: 3392:usually being the essence. 1522:Second Borel–Cantelli Lemma 1493:second Borel–Cantelli lemma 129:second Borel–Cantelli lemma 10: 3966: 3935:Theorems in measure theory 3144:{\displaystyle {\bar {A}}} 1973: 871:By continuity from above, 477: 443:The set lim sup  142:Hewitt–Savage zero–one law 3825:Prokhorov, A.V. (2001) , 3779:10.1007/978-0-387-72206-1 3151:denote the complement of 1805:then there is a sequence 138:Kolmogorov's zero–one law 3710:Rend. Circ. Mat. Palermo 3670:occur infinitely often. 1096:By original assumption, 574: 125:Francesco Paolo Cantelli 3850:, John Wiley & Sons 3770:Probability-1: Volume 1 3727:Atti Accad. Naz. Lincei 3690:Infinite monkey theorem 3426:{\displaystyle (A_{n})} 3385:{\displaystyle (t_{k})} 3251:{\displaystyle (t_{k})} 3069:{\displaystyle (A_{n})} 3033:{\displaystyle (A_{n})} 1711:infinite monkey theorem 1641:are independent, then 595:The sequence of events 512:. The probability that 64:more precise citations. 3827:"Borel–Cantelli lemma" 3739:Klenke, Achim (2006). 3685:Kuratowski convergence 3664: 3637: 3591: 3472: 3427: 3386: 3349: 3252: 3219: 3192: 3165: 3145: 3116: 3070: 3034: 2989: 2965: 2924: 2881: 2826: 2778: 2733: 2682: 2651: 2616:it is enough to show: 2610: 2578: 2456: 2435: 2378: 2357: 2163: 2086: 2035: 2005: 1964: 1934: 1913: 1861: 1799: 1693: 1635: 1584: 1554: 1477: 1415: 1382: 1305:General measure spaces 1295: 1262: 1213: 1189: 1156: 1123: 1090: 1063: 1024: 983: 960: 865: 812: 772: 732: 698: 665: 628: 452:is sometimes denoted { 437: 419: 398: 311: 249: 216: 27:Theorem in probability 3729:26:1 (1917) pp.39–45. 3665: 3663:{\displaystyle A_{n}} 3638: 3571: 3473: 3428: 3387: 3350: 3253: 3220: 3218:{\displaystyle A_{k}} 3193: 3191:{\displaystyle A_{k}} 3166: 3146: 3117: 3071: 3035: 2990: 2945: 2925: 2861: 2806: 2758: 2734: 2683: 2631: 2611: 2558: 2436: 2415: 2358: 2337: 2164: 2087: 2036: 1985: 1965: 1914: 1893: 1862: 1800: 1704:pairwise independence 1694: 1636: 1585: 1534: 1478: 1416: 1362: 1296: 1242: 1214: 1169: 1157: 1103: 1091: 1043: 1004: 984: 940: 866: 786: 752: 712: 678: 666: 608: 438: 399: 378: 312: 250: 196: 119:. It is named after 3940:Probability theorems 3647: 3482: 3437: 3404: 3363: 3262: 3229: 3202: 3175: 3155: 3126: 3080: 3047: 3011: 2942: 2743: 2692: 2620: 2175: 2109: 2045: 1982: 1871: 1818: 1754: 1645: 1594: 1531: 1425: 1359: 1223: 1166: 1100: 993: 875: 675: 599: 346: 259: 193: 175:Borel–Cantelli lemma 3743:. Springer-Verlag. 3716:(1909) pp. 247–271. 3680:Lévy's zero–one law 2847: 2793: 2728: 2666: 2593: 2525: 2471: 2081: 1740:Lebesgue measurable 1738:is a collection of 1729:, Lemma X.2.1), if 1630: 1525: —  1351:) be a sequence in 1321: —  671:is non-increasing: 660: 491:) is a sequence of 178: —  3741:Probability Theory 3660: 3633: 3531: 3500: 3468: 3423: 3382: 3357:stochastic process 3345: 3274: 3248: 3215: 3188: 3161: 3141: 3112: 3066: 3030: 2985: 2920: 2918: 2833: 2779: 2729: 2708: 2678: 2652: 2606: 2604: 2579: 2549: 2511: 2510: 2457: 2209: 2159: 2139: 2082: 2061: 2031: 1960: 1857: 1795: 1766: 1689: 1669: 1631: 1610: 1580: 1523: 1473: 1451: 1411: 1319: 1291: 1241: 1209: 1152: 1086: 989:By subadditivity, 979: 931: 899: 861: 847: 661: 602: 539:/6 ≈ 1.645 < ∞, 534:= 0) converges to 433: 364: 307: 285: 245: 176: 94:probability theory 3919:Planet Math Proof 3788:978-0-387-72205-4 3750:978-1-84800-047-6 3622: 3504: 3485: 3317: 3265: 3164:{\displaystyle A} 3138: 2936:infinite products 2739:are independent: 2534: 2495: 2297: 2260: 2194: 2124: 1757: 1725:. Specifically ( 1654: 1521: 1436: 1317: 1226: 916: 884: 832: 590:probability space 349: 270: 174: 168:probability space 90: 89: 82: 16:(Redirected from 3957: 3904: 3874:J. Appl. Probab. 3870:Bruss, F. Thomas 3864: 3851: 3839: 3817: 3816: 3814: 3808:. 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