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Definition: Convergence in Probability
令 Yn 為一組隨機變數 sequence,我們說 Yn converges to Y in probability 若下列條件成立:對任意 ε>0
P(|Yn−Y|>ε)→0 as n→∞=============================
Comments:
1. 上述定義等價為
P(|Yn−Y|≤ε)→1 as n→∞
2. 上述定義中 Yn→PY 的 Y 可為隨機變數或者為常數。
3. 機率收斂在 機率論與隨機過程,以及 統計理論中 扮演重要角色,比如機率收斂在統計中等價稱為 consistent estimator,在此不做贅述。
Definition: Uncorrelated Random Variables
接著再回憶我們說一組隨機變數 Xi,i∈N 且 E[X2i]<∞ 為 uncorrelated 若下列條件成立:當 i≠jE[XiXj]=E[Xi]E[Xj]============================
現在我們看個 uncorrelated 隨機變數的結果
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Theorem:
令 X1,X2,...Xn 為 uncorrelated 且 E[X2i]<∞ 則
var(X1+...+Xn)=var(X1)+...+var(Xn)其中 var(X) 為 variance of X。
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Lemma:
若 p>0 且 E[|Xn|p]→0 則 Xn→0 in probability。
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要證明 Xn→0 in probability,亦即
P(|Xn−0|>ε)→0首先觀察下列事件等價
{|Xn|>ε}={|Xn|p>εp}⇒P{|Xn|>ε}=P{|Xn|p>εp}由 Markov inequality 可知
P{|Xn|>ε}=P{|Xn|p>εp}≤E[|Xn|p]εp由於 E[|Xn|p]→0 ,且 εp 為定值,故
P{|Xn|>ε}≤E[|Xn|p]εp→0
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Theorem: L2 Weak Law
令 X1,...,Xn 為 uncorrelated 隨機變數 且 E[Xi]=μ,var(Xi)≤C<∞。現在定義隨機變數的和 Sn:=X1+X2+...+Xn 則
Sn/n→μ in Probability as n→∞=============================
要證明 給定 ε>0 當 n→∞
P(|Snn−μ|>ε)→0 (∗)不過如前一個定理所述,若我們可以證明 E[|Snn−μ|2]→0 則 (∗) 自動滿足。
首先觀察
E[Snn]=1nE[Sn]=1nn∑i=1EXi=μnn=μ則
E[|Snn−μ|2]=E[|Snn−E[Snn]|2]=var(Snn)=1n2var(Sn)=1n2var(n∑i=1Xi)由於 X1,...,Xn 為 uncorrelated 隨機變數,故我們有 var(n∑i=1Xi)=n∑i=1var(Xi) 將此結果帶入上式可得
E[|Snn−μ|2]=1n2var(n∑i=1Xi)=1n2n∑i=1var(Xi)≤1n2Cn=1nC→0當 n→∞ 故 L2-convergence。又 L2 convergence 保證 convergence in Probability,故
P(|Snn−μ|>ε)→0 ◻
現在問題變成若我們想要拓展上述的 Weak law (e.g., 拔除 finite 2nd moment 條件 ),則我們必須引入一些新的定義如下:
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Definition: Tail Equivalence of Two Sequences of Random Variables
我們說兩隨機變數的 sequences {Xn} 與 {Yn} 為 Tail Equivalent 若下列條件成立
∑nP(Xn≠Yn)<∞===========================
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Definition: Truncation Function定義以下剪切函數(truncation function)
X1|X|≤M:={X,|X|≤M0,|X|>M============================
首先看幾個結果
FACT 1: 若 Y≥0 且 p>0 則
E[Yp]=∫∞0pyp−1P(Y>y)dyProof: 首先觀察積分
∫∞0pyp−1P(Y>y)dy=∫∞0pyp−1∫Ω1Y>ydPdy=∫∞0∫Ω1Y>ypyp−1dPdy=∫Ω∫∞01Y>ypyp−1dydP=∫Ω∫Y0pyp−1dydP 因為 ∫Y0pyp−1dy=Yp 故代入上式可得
⇒∫∞0pyp−1P(Y>y)dy=∫Ω∫Y0pyp−1dydP=∫ΩYpdP=E[Yp] ◻
現在我們可以介紹 General Weak Law of Large Number:
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Theorem: Weak Law of Large Number
令 X1,X2,... 為 i.i.d. 隨機變數 且 Sn:=X1+X2+...+Xn。若
(1) ∑nj=1P(|Xj>n|)→0
(2) 1n2∑nj=1E[X2j1|Xj≤n|]→0
則
Sn/n−μn→0 in Probability 其中 an:=∑nj=1E[Xj1|Xj|≤n]
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在證明之前有幾點值得注意,上述 Weak Law of Large Number 並無對 E[X2i] 有做假設
Proof
首先定義 X′nj:=Xj1|Xj|≤n 且 S′n:=∑nj=1X′nj 則觀察 Tail parts
n∑j=1P(Xnj′≠Xj)=n∑j=1P(|Xj|>n)→0上述收斂成立由 Hypothesis (1)。接著我們觀察
P(|Sn−Sn′|>ε)≤P(Sn≠Sn′)≤P(n⋃j=1{Xnj′≠Xj})≤n∑j=1P(Xnj′≠Xj)=n∑j=1P(|Xj|>n)→0故可知
Sn−S′n→0 in Probability
現在觀察
P(|Sn′−ESn′|n>ε)≤E[|Sn′−ESn′|2]n2ε2=var(Sn′)n2ε2=var(Sn′)n2ε2=1n2ε2n∑j=1var(Xnj′)≤1n2ε2n∑j=1E[(Xnj′)2]=1n2ε2n∑j=1E[(Xj1{|Xj|≤n})2]=1n2ε2n∑j=1E[Xj21{|Xj|≤n}]→0 (∗∗)上式收斂結果來自 Hypothesis (2)。
注意到an:=n∑j=1E[Xj1|Xj|≤n]=E[n∑j=1Xj1|Xj|≤n]=E[Sn′]故由 (∗∗) 可知
Sn′−annP→0故現在觀察
Sn−ann=Sn−Sn′+Sn′−ann=Sn−Sn′n+Sn′−annP→0
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