Véletlen változók konvergenciája

A valószínűségelméletben a véletlen változók konvergenciájának különböző fogalmai vannak . A véletlen változók szekvenciáinak konvergenciája (az alábbiakban leírt egyik értelemben) a valószínűségelmélet fontos fogalma, amelyet különösen a statisztikában és a sztochasztikus folyamatok tanulmányozásában használnak . Például n független és azonos eloszlású véletlen változó átlaga szinte biztosan konvergál e véletlen változók közös várakozásához (ha van ilyen). Ez az eredmény a nagy számok erős törvényeként ismert .

Ebben a cikkben feltételezzük, hogy ( X n ) valós véletlen változók sorozata , hogy X valós véletlen változó, és hogy ezek a változók ugyanazon a valószínűségi téren vannak meghatározva .

Konvergencia a jogban

Let F 1 , F 2 , ... a következtében a eloszlásfüggvényeket kapcsolódó valószínűségi változók X 1 , X 2 , ... , és F az eloszlásfüggvénye a valódi véletlen változó X . Más szóval, F n van meghatározva F n ( x ) = P ( X n ≤ x ) , és F a F ( x ) = P ( X ≤ x ) .

Az X n szekvencia törvényben vagy eloszlásban konvergál X -hez , ha

minden valós a hol F jelentése folyamatos .

Mivel F ( a ) = P ( X ≤ a ) , ez azt jelenti, hogy annak a valószínűsége, hogy X egy bizonyos intervallumhoz tartozik, nagyon közel áll annak a valószínűségéhez, hogy X n ebben az intervallumban n elég nagy. A jogi konvergenciát gyakran megjegyzik

vagy

A jogi konvergencia a leggyengébb forma abban az értelemben, hogy általában nem jelenti az alábbiakban meghatározott konvergencia egyéb formáit, míg a konvergencia ezen egyéb formái a jogi konvergenciát jelentik. Ezt a fajta konvergenciát alkalmazzák a Központi Határ Tételben .

Ekvivalens módon az ( X n ) szekvencia törvényben konvergál X-hez , és csak akkor, ha bármilyen korlátozott folytonos függvény esetén

Tétel folytonossági Levy  -  Legyen φ n ( t ) a karakterisztikus függvénye az X n és φ ( t ) , hogy az X . Így

.

Más szóval, ( X n ) eloszlásban konvergál X akkor és csak akkor, ha a karakterisztikus függvénye a valós valószínűségi változó X n konvergál egyszerűen a karakterisztikus függvénye az igazi valószínűségi változó X .

Példa: központi határ tétel:

A központosított és integrálható, négyzet alakú véletlen változók, függetlenek és azonos törvények átlaga, miután n újra normalizálta, konvergál a törvényben a normál törvény felé

Példa: a hallgatói törvény konvergenciája:

A k Student disztribúciós paraméter konvergál, ha k + + -ra hajlik , a Gauss-törvényhez  :

Ebben az esetben mi is használni Scheffé lemma , amely egy konvergencia kritérium egy sor sűrűségű véletlen változók felé sűrűségű véletlen változó .

Példa: elfajult törvény:

A szekvencia a törvényben konvergál egy degeneráltnak nevezett X 0 véletlen változó felé , amely egyetlen valószínűséggel (0) vesz fel 1 valószínűséggel (néha Dirac tömegről beszélünk 0-ban, megjegyezte ée 0 ):

Konvergencia a valószínűségben

Definíció  -  Legyen ( X n ) n valós véletlen változók sorozata, ugyanazon a valószínűségi téren definiálva . Azt mondjuk, hogy X n valószínűség szerint konvergál X-hez , ha

Néha megjegyezzük

vagy

Lemma  -  Ha a következő konvergenciák vannak, ( E , d ) és in

így van

a végtelen távolsággal biztosított E × E térben .

Demonstráció

Hagyja, F zárt E × E . Minden ε > 0 esetén jelöljük

Így

A két feltételezés és a 3 e  pontos tételből álló állvány segítségével átadható limsupot kapunk

akkor úgy, hogy az ε 0 felé hajlik , mivel F zárva van

Arra a következtetésre jutottunk segítségével ismét a 3 rd  pont a fogas tétel.

Tulajdonság  -  Ha X n valószínűség szerint konvergál X-hez , akkor X n törvényben X -hez konvergál .

Demonstráció

Az előző lemma következménye, ha X n = X-et vesszük, és megjegyezzük, hogy a törvényi konvergencia

in egyenértékű a valószínűség konvergenciájával

( E , d ) -ben .

Ellenkező esetben a következőképpen járhat el. Kezdjük egy lemma megfogalmazásával.

Lemma  -  Legyen X , Y valós véletlenszerű változó, c a valós és ε > 0 . Így

Valóban elegendő észrevenni, hogy:

Az egyenlőtlenség természetesen következik.

Az összes ε > 0 esetén ennek a lemának köszönhető:

Így van

Bármelyik az F X folytonosságának pontja . Rögzítünk egy valós ε ' > 0 értéket . A folytatásával a F X at egy , létezik egy valódi ε > 0 oly módon, hogy

.

A konvergencia ( X n ) n a valószínűsége, hogy az X , akkor következtetni lehet arra, hogy létezik egy egész szám N , hogy: ha nN .

Hol: .

Slutsky-tétel  -  Ha X n konvergál a jogot , hogy X , és ha Y n konvergál valószínűsége, hogy állandó c , akkor a páros ( X n , Y n ) konvergál jog a pár ( X , c ) .

Szinte biztos konvergencia

Definíció  -  Azt mondjuk, hogy X n majdnem biztosan konvergál az X , ha

vagy azzal egyenértékű módon, ha létezik - elhanyagolható N ⊂ Ω részhalmaz , amely

Szinte mindenhol beszélünk a konvergenciáról , vagy 1 vagy nagyobb valószínűséggel , és írunk

vagy angolul ( szinte biztosan )

A szinte biztonságos konvergenciát a következőképpen írják át:

vagy

vagy

Tétel  -  Ha X n konvergál X szinte biztosan majd X n konvergál X a valószínűsége .

Demonstráció

By Fatou lemma , van minden ε > 0  :

Szinte biztos, hogy a konvergenciát alkalmazzák a nagy számok erős törvényében .

Az r rend átlagos konvergenciája

Definíció  -  Legyen r > 0 és ( X n ) n valós véletlen változók sorozata, ugyanazon a valószínűségi téren definiálva . Azt mondjuk, hogy X n konvergál X-hez r rend átlagaként vagy L r normaként, ha minden n-re és ha

Néha észrevesszük .

Mert r = 1, akkor egyszerűen beszélni átlagos konvergencia és r = 2 Root Mean Square konvergencia .

Property  -  A r > s ≥ 1, norma konvergencia azt norma konvergencia .

Demonstráció

Jensen egyenletlenségének egyszerű alkalmazása a konvex funkcióval

Mert r = 2, mi a következő eredménnyel:

Tulajdonság  -  Legyen c valódi állandó. Akkor megvan

ha, és csak akkor ha

Demonstráció

Ez a következő azonosságot követi:

Tulajdonság  -  Ha X n konvergál X -hez L r normában , akkor X n konvergál X -hez valószínűség szerint .

Demonstráció

A Markov-egyenlőtlenség közvetlen alkalmazása valódi véletlenszerű változókra, amelyek beengednek egy r sorrendet  :

Példa:

A nagy számok gyenge törvénye ennek az utóbbi két tulajdonságnak a közvetlen következménye

Egy véletlen változó függvényének konvergenciája

Egy nagyon praktikus tétel, amelyet angolul általában leképezési tételnek  (en) neveznek , kimondja, hogy az X-hez konvergáló változóra alkalmazott folytonos g függvény minden konvergencia-módban konvergál g ( X ) -re:

Tétel  -  ( leképezési tétel ) Legyen egy folytonos függvény a C halmaz bármely pontján úgy, hogy  :

Példa:

A statisztika , a konvergens becslő a variancia σ 2 képlet adja meg:

.

Mi akkor tudja a folyamatos leképezés tétel , hogy a becslés a szórás σ = a √ σ 2 konvergens, mert a gyökér funkció folytonos függvény.

Kölcsönös következmények

Összefoglalva, megvan a vonzat a véletlen változók konvergenciájának különböző fogalmai között:

A valószínűség konvergenciája nem jelenti a konvergenciát, és nem is biztos, hogy konvergencia, amint azt a következő példa mutatja:

Példa:

Legyen r > 0 . ( X n ) n ≥ 1 független véletlen változók sorozatát tekintjük olyannak, hogy

Az ( X n ) n szekvencia valószínűség szerint konvergál 0-ra, mert

Másrészt nem konvergál, mert

Mutassuk meg, hogy ez sem konvergál szinte biztosan. Ha ez lenne a helyzet, akkor a majdnem bizonyos határa szükségszerűen a valószínűségi határa lenne, mégpedig 0. Mivel azonban és mivel az X n véletlen változók függetlenek, Borel nulla-egy törvénye szerint  :

azaz szinte biztosan X n = n 1 / r n végtelenig . Tehát szinte biztosan az A fortiori X n szinte nem konvergál 0-ra.

Példa:

Az előző példában annak elkerülése érdekében, hogy Borel nulla egy törvényéhez folyamodjunk, az X n szekvenciát kifejezetten az alábbiak szerint definiálhatjuk . Válasszuk Ω = [0; 1] ellátva annak Borelian törzs és a Lebesgue intézkedés . Mi jelent , az , akkor

Végül meghatározzuk

Az így definiált X n nem független, de igazolja, mint az előző példában

Néhány kivételtől eltekintve ezek a következmények szigorúan véve nincsenek kölcsönös viszonyok. Az alábbiakban azonban bemutatunk néhány hasznos tulajdonságot, amelyek leírhatók a "kölcsönösség látszatának":

akkor X n szinte biztosan konvergál X-hez . Más szavakkal, ha X n konvergál valószínűsége, hogy X elég gyorsan ( i . E . A fenti sorozat konvergál minden ε > 0 ), akkor X n konvergál szinte biztosan, hogy a X . Ez a Borel-Cantelli-tétel közvetlen alkalmazásából adódik .

. Ekkor a szekvencia ( S n ) n ≥ 1 szinte biztos konvergenciája egyenértékű annak valószínűség szerinti konvergenciájával; más szavakkal, az X n általános kifejezés sorozatának szinte biztos konvergenciája egyenértékű annak valószínűségi konvergenciájával.

Megjegyzések és hivatkozások

  1. Erről a példáról bővebben lásd Davidson és McKinnon 1993 , fejezet. 4.
  2. Vaart 1998 , p.  7.

Bibliográfia

Külső linkek