另一个中心极限定理问题


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令为具有的独立伯努利随机变量序列 设置 表明在分布上收敛于标准正态变量因为趋于无穷大。P { X ķ = 1 } = 1 - P { X ķ = 0 } = 1{Xn:n≥1}Sn= n ∑ k=1(Xk−1

P{Xk=1}=1−P{Xk=0}=1k.
小号Ñ
Sn=∑k=1n(Xk−1k), Bn2=∑k=1nk−1k2
žÑSnBnZn

我的尝试是使用Lyapunov CLT,因此我们需要显示存在一个,使得 δ>0

limn→∞1Bn2+δ∑k=1nE[|Xk−1k|2+δ]=0.

因此设置δ=1

∑k=1nE|Xk−k−1|3=∑k=1n(1k−3k2+4k3−2k4)
和
Bn3=(∑k=1n1k−1k2)(∑k=1n1k−1k2)

通过在计算机上评估大n,它显示∑k=1nE|Xk−k−1|3→∞和Bn3→∞ 作为n→∞。但是Bn3增长速度快于Bn2因此∑k=1nE|Xk−k−1|3Bn3→0。有人可以帮助我证明这种融合是否成立吗?


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这是Patrick Billingsley 编写的概率和测度示例27.3 。
— 詹雄

Answers:


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利用累积量生成函数的性质(与中央极限定理的标准证明一样),从第一性原理和基本结果中证明这一结果可能是有益的。它需要我们了解的生长速率广义谐波数 为 这些增长率是众所周知的,并且可以通过与积分进行比较来轻松获得:它们收敛为,否则对数为。

H(n,s)=∑k=1nk−s
s=1,2,….∫1nx−sdxs>1s=1

令和。根据定义,的累积量生成函数(cgf)为n≥21≤k≤n(Xk−1/k)/Bn

ψk,n(t)=log⁡E(exp⁡(Xk−1/kBnt))=−tkBn+log⁡(1+−1+exp⁡(t/Bn)k).

从附近的扩展获得的右手边的系列扩展采用以下形式log⁡(1+z)z=0

ψk,n(t)=(k−1)2k2Bn2t2+k2−3k+26k3Bn3t3+⋯+kj−1−⋯±(j−1)!j!kjBnjtj+⋯.

分数的分子是中的多项式,前导项为。因为对数展开绝对收敛,此扩展绝对收敛于kkj−1|−1+exp⁡(t/Bn)k|<1

|exp⁡(t/Bn)−1|<k.

(在情况下,它会在各处收敛。)对于固定的和增大的值,的(明显)发散度表示绝对会聚的域任意增大。因此,对于任何固定的和足够大的,此扩展绝对收敛。k=1knBntn

对于足够大的,那么,我们因此可以总结各个超过通过术语术语中的权力得到的CGF,nψk,nktSn/Bn

ψn(t)=∑k=1nψk,n(t)=12t2+⋯+1Bnj(∑k=1n(k−1−⋯±(j−1)!k−j))tjj+⋯.

一次取总和超过个的项要求我们评估与以下项成比例的表达式k

b(s,j)=1Bnj∑k=1nk−s

对于和。使用导言中提到的广义谐波数的渐近性,可以很容易地从j≥3s=1,2,…,j

Bn2=H(n,1)−H(n,2)∼log⁡(n)

那

b(1,j)∼(log⁡(n))1−j/2→0

和(对于)s>1

b(s,j)∼(log⁡(n))−j/2→0

随着变大。因此,超过的展开中的所有项都收敛为零,因此,对于任何值,收敛到。由于cgf的收敛意味着特征函数的收敛,因此我们根据Levy连续性定理得出结论:接近cgf为的随机变量:即标准正态变量QED。nψn(t)t2ψn(t)t2/2tSn/Bnt2/2


该分析揭示了收敛的精确程度:而在许多种形式的中心极限定理中,的系数为(对于),此处的系数为仅:收敛要慢得多。tjO(n1−j/2)j≥3O(((log⁡(n))1−j/2)

我们可以在一系列仿真中看到这种缓慢的收敛。 直方图显示四个值的独立迭代。红色曲线是用于视觉参考的标准法线密度函数的图形。尽管显然存在逐渐趋于正常的趋势,但即使在(其中仍可观),仍然存在明显的非正常性,如偏度所证明的那样(在此示例中等于)。(毫不奇怪,此直方图的偏度接近 -1/2,因为这正是cgf中的项。)105nn=1000(log⁡(n))−1/2≈0.380.35(log⁡(n))−1/2t3

图:n = 30、100、300、1000时的直方图

这是R想要进一步实验的人的代码。

set.seed(17)
par(mfrow=c(1,4))
n.iter <- 1e5
for(n in c(30, 100, 300, 1000)) {
  B.n <- sqrt(sum(rev((((1:n)-1) / (1:n)^2))))
  x <- matrix(rbinom(n*n.iter, 1, 1/(1:n)), nrow=n, byrow=FALSE)
  z <- colSums(x - 1/(1:n)) / B.n
  hist(z, main=paste("n =", n), freq=FALSE, ylim=c(0, 1/2))
  curve(dnorm(x), add=TRUE, col="Red", lwd=2)
}

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您已经有了一个很好的答案。如果您也想完成自己的证明,则可以提出如下论点:

由于对于所有都收敛而对于发散(此处),我们可以写∑k=1n1/kii>1i=1

S(n):=∑k=1n(1k−3k2+4k3−3k4)=∑k=1n1k+O(1).

出于同样的理由,

Bn2=∑k=1n1k+O(1).

因此,,因此,S(n)/Bn2=O(1)

S(n)/Bn3=O(1)(Bn2)−1/2→0,

这就是我们想要展示的。


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首先,如果分布取决于,则您的随机变量分布不相同;)k

另外,我不会将您的表示法用作:Bn

  • 大写字母通常保留给随机变量。
  • 它只是方差的总和,因此我将使用涉及符号的表示法来使这一点显而易见。σ

然后关于这个问题,我不知道这是一项练习还是一项研究,以及您可以使用哪些工具。如果您不打算重新证明已知定理,那么我只是说这是独立的不等分布但有界的RV的中心极限定理,称其为天。我手头没有很好的消息来源,但找一个消息来源应该不难,例如,请参阅/mathpro/29508/is-there-a-central-limit-theorem-为有界的非同一分布的随机数。

编辑:我的错,当然,均匀边界条件是不够的,您还需要

∑k=1nσk2→∞
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