Centralne twierdzenie graniczne dotyczy zachowania się rozkładu sum niezależnych zmiennych losowych, przy odpowiedniej normalizacji i pewnych dodatkowych założeniach. Intuicyjnie, suma dużej liczby ,,małych”, niezależnych zmiennych losowych ma rozkład normalny. Główny wynik niniejszego rozdziału jest następujący.
Załóżmy, że dla każdego , zmienne , , , są niezależnymi zmiennymi losowymi o średniej , takimi, że
Dodatkowo, załóżmy, że jest spełniony warunek Lindeberga
(L) |
Wówczas
Powstaje tu naturalne pytanie, co tak naprawdę mówi warunek Lindeberga. Intuicyjnie rzecz biorąc, oznacza on, iż przy zbiegającym do nieskończoności, zmienne , , , są ,,równie małe”. Innymi słowy, w -tym wierszu nie ma zmiennych losowych, które byłyby dominujące w stosunku do pozostałych. Ściślej, mamy następujące dwie własności.
Wnioski z warunku Lindeberga
1. Mamy . Istotnie, dla każdego ,
2. Mamy . Rzeczywiście, dla dowolnego ,
o ile jest dostatecznie duże.
Sformułujmy teraz nieco inną wersję CTG.
Załóżmy, że są niezależnymi zmiennymi losowymi całkowalnymi z kwadratem, , Var, . Jeśli jest spełniony warunek Lindeberga
(L) |
to
Wynika to bezpośrednio z twierdzenia Lindeberga, przy ,
∎Powstaje naturalne pytanie: kiedy warunek Lindeberga jest spełniony? Podamy tu kilka własności wymuszających ten warunek.
Załóżmy, że , , są niezależne i mają ten sam rozkład o dodatniej wariancji. Oznaczmy , Var. Wówczas warunek Lindeberga jest spełniony i
Wystarczy sprawdzić warunek Lindeberga. Mamy
na mocy twierdzenia Lebesgue'a.
∎Sprawdzenie dwóch poniższych warunków pozostawiamy jako ćwiczenie.
Załóżmy, że są wspólnie ograniczonymi niezależnymi zmiennymi losowymi spełniającymi warunek Var. Wówczas spełniony jest warunek Lindeberga.
Załóżmy, że dla każdego , , , , są niezależnymi, scentrowanymi zmiennymi losowymi spełniającymi warunki
oraz
Wówczas jest spełniony warunek Lindeberga.
Przechodzimy do dowodu twierdzenia Lindeberga.
Załóżmy, że , są liczbami zespolonymi, z których każda ma moduł niewiększy niż . Wówczas
Stosujemy indukcję. Dla nierówność jest oczywista. Dalej, załóżmy, że jest ona prawdziwa dla pewnego spróbujmy ją udowodnić dla . Oznaczając , , mamy
co kończy dowód.
∎Dla dowolnego oraz mamy
Stosujemy indukcję. Dla mamy
Dalej, załóżmy, że nierówność zachodzi dla pewnego . Wówczas
Dowód jest zakończony.
∎Oznaczmy , , . Na mocy twierdzenia Levy-Cramera wystarczy udowodnić, że dla każdego , Ustalmy więc . Mamy
Stosujemy teraz pierwszy z powyższych lematów oraz fakt, iż , gdzie . W konsekwencji,
Wystarczy wykazać, że dążą do . Zbieżność ciągu do jest oczywista na mocy warunku . Zajmijmy się teraz ciągiem . Ustalmy . Istnieje taka,że jeśli , to . Jak już wiemy, warunek Lindeberga pociąga za sobą, iż dla dostatecznie dużych , , a co za tym idzie,
a więc ciąg zbiega do . Wreszcie, dla ustalonego , korzystając z drugiego z powyższych lematów (z oraz z ),
Zatem
dla dostatecznie dużych . Stąd teza.
∎Jako wniosek, otrzymujemy
Załóżmy, że ma rozkład Bernoulliego z parametrami , . Wówczas
Niech będą niezależnymi zmiennymi losowymi o tym samym rozkładzie dwupunktowym . Mamy
i wystarczy skorzystać z odpowiedniej wersji CTG.
∎Sformułujmy teraz uogólnienie twierdzenia Lindeberga. Dowodzi się je w sposób analogiczny.
Załóżmy, że dla każdego zmienne , , , są niezależne i całkowalne z kwadratem. Oznaczmy i przypuśćmy, że
oraz
(L) |
Wówczas
Centralne twierdzenie graniczne pozwala badać zachowanie dystrybuant sum niezależnych zmiennych losowych. Istotnie, zbieżność
jest równoważna zbieżności punktowej dystrybuant:
Co więcej, zbieżność jest jednostajna względem (por. zadanie 9 z rozdziału o słabej zbieżności). Zatem dla każdego istnieje numer taki, że dla ,
czyli
Powstaje naturalne pytanie w jaki sposób wyznaczać w zależności od ; innymi słowy, w jaki sposób szacować błąd związany z przybliżeniem dysrtybuanty sumy przez dystrybuantę standardowego rozkładu normalnego.
Załóżmy, że , , , są niezależnymi scentrowanymi zmiennymi losowymi o tym samym rozkładzie i niech Var, . Wówczas
gdzie jako można wziąć (optymalna - czyli najmniejsza możliwa - wartość nie jest znana).
W szczególności, przy założeniach twierdzenia de Moivre'a-Laplace'a,
Jest to niezwykle użyteczny rezultat z punktu widzenia konkretnych zastosowań: w sposób jawny określa on tempo zbieżności.
1. Sumujemy liczb, każdą zaokrągloną z dokładnością do . Przypuśćmy, że błędy spowodowane przez zaokrąglenia są niezależnymi zmiennymi losowymi o rozkładzie jednostajnym na przedziale . Znaleźć przedział (możliwie krótki), do którego z prawdopodobieństwem będzie należał błąd całkowity (tzn. po zsumowaniu).
2. Obliczyć
3. Udowodnić Stwierdzenie 10 oraz Stwierdzenie 11.
4. Dany jest ciąg niezależnych zmiennych losowych, przy czym dla ,
Udowodnić, że
mimo iż Var.
5. Zmienne losowe są niezależne, przy czym dla , . Niech . Czy ciąg zmiennych losowych
jest zbieżny wedlug rozkładu, a jeśli tak, to do jakiej
granicy?
6. Załóżmy, że jest zmienną losową spełniającą warunki
(i) ,
(ii) Jeśli , są niezależne i mają ten sam rozkład co , to .
Wykazać, że ma rozkład Gaussa o średniej .
7. Rzucono razy kostką. Sumujemy oddzielnie parzyste
liczby oczek i nieparzyste liczby oczek. Jakie jest przybliżone
prawdopodobieństwo tego, że suma parzystych liczb oczek będzie o co
najmniej większa od sumy nieparzystych liczb oczek?
8. Liczba studentów przyjętych na pierwszy rok jest zmienną
losową o rozkładzie Poissona z parametrem 100. Jeśli ta liczba
przekroczy 120, tworzy się 2 grupy wykładowe. Obliczyć przybliżone
prawdopodobieństwo (korzystając z CTG), że nie trzeba będzie
tworzyć dwóch grup.
9. Dane są dwa ciągi , niezależnych zmiennych losowych, przy czym zmienne mają ten sam rozkład wykładniczy z parametrem , a mają rozkład Poissona z parametrem . Zbadać zbieżność według rozkładu ciągu
Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.
strona główna | webmaster | o portalu | pomoc
© Wydział Matematyki, Informatyki i Mechaniki UW, 2009-2010. Niniejsze materiały są udostępnione bezpłatnie na licencji Creative Commons Uznanie autorstwa-Użycie niekomercyjne-Bez utworów zależnych 3.0 Polska.
Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.
Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.