Mathematics · किताब 5 · Bachelor Year 3

विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 3

विश्वविद्यालय गणित — स्नातक वर्ष 3 · Bachelor Year 3

22प्रायिकता: आधार और बृहत् संख्याओं का नियम

दूसरे वर्ष में प्रायिकता गणनीय समष्टियों पर खड़ी की गई थी; माप सिद्धांत अब हर प्रतिबंध हटा देता है। प्रायिकता समष्टि कुल द्रव्यमान 11 की माप समष्टि है, यादृच्छिक चर मापनीय प्रतिचित्रण हैं, प्रत्याशा लेबेग समाकल है — और तत्काल समूचा वैश्लेषिक शस्त्रागार (अध्याय 9, 10 और 11) संयोग पर लागू हो जाता है। यह अध्याय वह शब्दकोश स्थापित करता है, स्वतंत्र यादृच्छिक चरों के अनंत अनुक्रम रचता है ([0, 1]\intcc01 पर, द्विआधारी अंकों से: यादृच्छिकता लेबेग माप के भीतर ही छिपी हुई है), बोरेल–कांतेली प्रमेयिकाएँ और कोल्मोगोरोव का शून्य–एक नियम सिद्ध करता है, अभिसरण के प्रकारों को छाँटता है, और बृहत् संख्याओं का नियम सिद्ध करता है — वही प्रमेय जो आवृत्तियों को प्रायिकताओं की ओर अभिसरित कराती है और सांख्यिकी को संभव बनाती है। सप्ताहांत समस्या प्रबल नियम की एतेमादी वाली उपपत्ति उसके निश्चयात्मक L1L^1 रूप में देती है।

22.1 शब्दकोश

परिभाषा 22.1

प्रायिकता समष्टि P(Ω)=1\P(\Omega) = 1 वाली माप समष्टि (Ω,A,P)(\Omega, \mathcal A, \P) है; A\mathcal A के अवयव घटनाएँ कहलाते हैं, और कोई गुण लगभग निश्चित रूप से लागू होता है यदि उसकी घटना की प्रायिकता 11 हो। यादृच्छिक चर कोई मापनीय प्रतिचित्रण X ⁣:Ω→RX \colon \Omega \to \R है (अथवा Rd\R^d: यादृच्छिक सदिश); उसका बंटन नियम R\R पर अग्रसारित प्रायिकता माप PX=X∗P\P_X = X_*\P है (अभ्यास 11.9), जो बंटन फलन FX(t)=P(X≤t)F_X(t) = \P(X \leq t) (अभ्यास 9.3) से निर्धारित होता है। XX का घनत्व ff है यदि PX=f  ⁣dλ\P_X = f\,\dd\lambda हो; और वह विविक्त है यदि PX\P_X दिराक द्रव्यमानों का कोई गणनीय संचय हो। प्रत्याशा

E[X]=∫ΩX  ⁣dP(X≥0 अथवा X∈L1(P)),\E[X] = \int_\Omega X\,\dd\P \qquad (X \geq 0 \text{ अथवा } X \in L^1(\P)),

है, और अंतरण प्रमेय (अभ्यास 11.9) उसे बंटन नियम में परिकलित कर देती है: E[g(X)]=∫Rg  ⁣dPX\E[g(X)] = \int_\R g\,\dd\P_X — विविक्त स्थिति में =∑g(xk)pk= \sum g(x_k)p_k, और घनत्व वाली स्थिति में =∫g(x)f(x) ⁣dx= \int g(x)f(x)\dd x: अर्थात् दूसरे वर्ष के सूत्र, अब एक ही सिद्धांत की प्रमेयें। X∈L2X \in L^2 के लिए प्रसरण V(X)=E[(X−EX)2]=E[X2]−(EX)2\V(X) = \E[(X - \E X)^2] = \E[X^2] - (\E X)^2 है।

उदाहरण 22.2

उल्लेखनीय मानक बंटन नियम और उनके रूपांतर: बर्नूली B(p)\mathcal B(p), द्विपद B(n,p)\mathcal B(n, p), ज्यामितीय, प्वासों P(λ)\mathcal P(\lambda) (विविक्त: दूसरे वर्ष की सारणियाँ मान्य बनी रहती हैं); [0, 1]\intcc01 पर एकसमान (स्वयं लेबेग माप); चरघातांकी E(λ)\mathcal E(\lambda) (घनत्व λe−λx1x>0\lambda\eu^{-\lambda x}\mathbf 1_{x>0}); और गाउसीय N(m,σ2)\mathcal N(m, \sigma^2), जिसका घनत्व 1σ2πexp⁡(−(x−m)22σ2)\frac1{\sigma\sqrt{2\pi}}\exp\bigl(-\frac{(x - m)^2}{2\sigma^2}\bigr) है — यह समस्या 10.1 से एक प्रायिकता घनत्व है, जिसका माध्य mm और प्रसरण σ2\sigma^2 है (गाउसीय आघूर्ण, अभ्यास 11.10)।

प्रतिज्ञप्ति 22.3 (मार्कोव और चेबिशेव)

X≥0X \geq 0 और a>0a > 0 के लिए: P(X≥a)≤EXa\P(X \geq a) \leq \frac{\E X}{a}; और X∈L2X \in L^2 के लिए: P(∣X−EX∣≥a)≤V(X)a2\P\bigl(\abs{X - \E X} \geq a\bigr) \leq \frac{\V(X)}{a^2}।

उपपत्ति. अभ्यास 10.5(क); और चेबिशेव (X−EX)2(X - \E X)^2 पर लगाई गई मार्कोव ही है। ∎

22.2 स्वातंत्र्य

परिभाषा 22.4

उप-σ\sigma-बीजगणित A1,…,An⊆A\mathcal A_1, \dots, \mathcal A_n \subseteq \mathcal A स्वतंत्र कहलाते हैं यदि सभी Ai∈AiA_i \in \mathcal A_i के लिए P(A1∩⋯∩An)=∏P(Ai)\P(A_1\cap\dots\cap A_n) = \prod\P(A_i) हो; घटनाएँ स्वतंत्र कहलाती हैं यदि σ\sigma-बीजगणित {∅,Ai,Aic,Ω}\{\varnothing, A_i, A_i^c, \Omega\} स्वतंत्र हों; और यादृच्छिक चर X1,…,XnX_1, \dots, X_n स्वतंत्र कहलाते हैं यदि σ\sigma-बीजगणित σ(Xi)=Xi−1(B(R))\sigma(X_i) = X_i^{-1}(\mathcal B(\R)) स्वतंत्र हों। कोई अनंत कुल स्वतंत्र कहलाता है यदि उसका प्रत्येक परिमित उपकुल स्वतंत्र हो।

प्रमेय 22.5

X1,…,XnX_1, \dots, X_n स्वतंत्र हैं तभी और केवल तभी जब सदिश (X1,…,Xn)(X_1, \dots, X_n) का बंटन नियम गुणन माप PX1⊗⋯⊗PXn\P_{X_1}\otimes\cdots\otimes\P_{X_n} हो। उस स्थिति में gi≥0g_i \geq 0 के लिए (अथवा ऐसे फलनों के लिए जिनके गुणनफल समाकलनीय हों):

E[∏igi(Xi)]=∏iE[gi(Xi)],\E\Bigl[\prod_ig_i(X_i)\Bigr] = \prod_i\E[g_i(X_i)],

विशेष रूप से, स्वतंत्र L2L^2 चरों के लिए E[XY]=EX EY\E[XY] = \E X\,\E Y और V(X1+⋯+Xn)=∑V(Xi)\V(X_1 + \dots + X_n) = \sum\V(X_i)।

उपपत्ति. यदि XiX_i स्वतंत्र हों, तो दोनों प्रायिकता माप P(X1,…,Xn)\P_{(X_1,\dots,X_n)} और ⨂PXi\bigotimes\P_{X_i} बोरेल समुच्चयों के सभी गुणनफलों B1×⋯×BnB_1\times\dots\times B_n पर सहमत होते हैं — और ये B(Rn)\mathcal B(\R^n) को जनित करने वाली एक π\pi-प्रणाली हैं (प्रतिज्ञप्ति 11.2(ख)) — अतः वे सर्वत्र सहमत हैं (प्रमेय 9.7)। विलोमतः, कोई गुणनफल बंटन नियम सभी घटनाओं ⋂iXi−1(Bi)\bigcap_iX_i^{-1}(B_i) को गुणनखंडित कर देता है: अर्थात् स्वातंत्र्य। तब प्रत्याशा सूत्र अंतरण प्रमेय के माध्यम से टोनेली/फुबिनी (प्रमेय 11.5) है; E[XY]=EXEY\E[XY] = \E X\E Y स्थिति gi=idg_i = \mathrm{id} है, और वर्ग का प्रसार प्रसरणों की योज्यता दे देता है (तिर्यक पद E[(Xi−EXi)(Xj−EXj)]=0\E[(X_i - \E X_i)(X_j - \E X_j)] = 0)। ∎

प्रमेय 22.6 (स्वतंत्र अनुक्रमों का अस्तित्व)

([0, 1],L,λ)\bigl(\intcc01, \mathcal L, \lambda\bigr) पर स्वतंत्र यादृच्छिक चरों का ऐसा अनुक्रम (Un)n≥1(U_n)_{n\geq1} विद्यमान है जिसका प्रत्येक पद [0, 1]\intcc01 पर एकसमान है। परिणामतः, R\R पर किन्हीं भी निर्धारित बंटन नियमों (μn)(\mu_n) के लिए PXn=μn\P_{X_n} = \mu_n वाले स्वतंत्र (Xn)(X_n) विद्यमान हैं।

उपपत्ति. अंक। ω∈[0, 1]\omega \in \intcc01 के लिए मान लीजिए (bk(ω))(b_k(\omega)) उसके द्विआधारी अंक हैं (ω=∑bk2−k\omega = \sum b_k2^{-k}; वह प्रसार चुनिए जो अंततः सर्वथा 11 न हो — यह अस्पष्टता केवल एक गणनीय, अतः अकिंचन, समुच्चय से संबंधित है)। प्रत्येक bkb_k यादृच्छिक चर है ({bk=1}\{b_k = 1\} द्विअंशी अंतरालों का परिमित संघ है) और सदिश (b1,…,bm)(b_1, \dots, b_m) {0,1}m\{0,1\}^m का प्रत्येक मान लंबाई 2−m2^{-m} के किसी द्विअंशी अंतराल पर लेता है: अतः bkb_k स्वतंत्र बर्नूली(12)(\frac12) हैं।

पुनःसमूहन। N∗\N^* को अनंत संख्या के असंयुक्त अनंत समुच्चयों (In)(I_n) में विभाजित कीजिए (उदाहरणार्थ अभाज्य घातों से, या विकर्णों से); मान लीजिए (kjn)j(k^n_j)_j InI_n की गणना करता है, और

Un=∑j≥1bkjn 2−j.U_n = \sum_{j\geq1} b_{k^n_j}\,2^{-j} .

रखिए। प्रत्येक UnU_n एकसमान है: उसके द्विआधारी अंक स्वतंत्र निष्पक्ष बिट हैं, अतः प्रत्येक द्विअंशी अंतराल के लिए P(Un∈[l2−m,(l+1)2−m))=2−m\P(U_n \in [l2^{-m}, (l+1)2^{-m})) = 2^{-m}, और द्विअंशी अंतराल बंटन नियम को निर्धारित कर देते हैं (प्रमेय 9.7)। UnU_n स्वतंत्र हैं: वे स्वतंत्र कुल (bk)(b_k) के असंयुक्त खंडों के फलन हैं — औपचारिक रूप से, द्विअंशी DnD_n के लिए घटनाएँ {Un∈Dn}\{U_n \in D_n\} असंयुक्त समुच्चयों के परिमित संख्या के अंकों पर निर्भर करती हैं और गुणनखंडित हो जाती हैं; और π\pi-प्रणाली वाला तर्क इसे सभी बोरेल समुच्चयों तक उन्नत कर देता है।

स्वेच्छ बंटन नियम। मान लीजिए Gn(u)=inf⁡{t:Fμn(t)≥u}G_n(u) = \inf\{t : F_{\mu_n}(t) \geq u\} (बंटन फलन FμnF_{\mu_n} का क्वांटाइल फलन); मुख्य तुल्यता Gn(u)≤t  ⟺  u≤Fμn(t)G_n(u) \leq t \iff u \leq F_{\mu_n}(t) (FF की दक्षिण-सांतत्य और एकदिष्टता) दिखा देती है कि Xn=Gn(Un)X_n = G_n(U_n) P(Xn≤t)=P(Un≤Fμn(t))=Fμn(t)\P(X_n \leq t) = \P(U_n \leq F_{\mu_n}(t)) = F_{\mu_n}(t) के साथ मापनीय है: अर्थात् बंटन नियम μn\mu_n; और स्वातंत्र्य विरासत में मिल जाता है (स्वतंत्र चरों के फलन, अभ्यास 22.3)। ∎

उदाहरण 22.7 (जन्मदिन समस्या, ईमानदारी से)

N=365N = 365 दिनों पर स्वतंत्र, एकसमान जन्मदिनों वाले nn व्यक्तियों में सभी जन्मदिनों के भिन्न होने की प्रायिकता पुनरावृत्त सप्रतिबंधन से

pn=∏k=1n−1(1−kN),p_n = \prod_{k=1}^{n-1}\Bigl(1 - \frac kN\Bigr),

है (अथवा सीधे: कुल NnN^n में से अनुकूल N(N−1)⋯(N−n+1)N(N-1)\cdots(N - n + 1), और स्वातंत्र्य का गुणनफल सूत्र इस गणना-तर्क को कठोर बना देता है)। लघुगणक लेकर और −ln⁡(1−x)=x+O(x2)-\ln(1 - x) = x + O(x^2) का उपयोग करके:

ln⁡pn=−n(n−1)2N+O(n3N2),अतःpn≈e−n2/2N.\ln p_n = -\frac{n(n-1)}{2N} + O\Bigl(\frac{n^3}{N^2}\Bigr), \qquad\text{अतः}\qquad p_n \approx \eu^{-n^2/2N} .

पलटाव बिंदु pn=12p_n = \frac12 n≈2Nln⁡2≈1.18Nn \approx \sqrt{2N\ln2} \approx 1.18\sqrt N पर बैठता है: N=365N = 365 के लिए n=23n = 23 (p23=0.4927p_{23} = 0.4927)। दो शिक्षाएँ। पहली, NN पेटियों में nn वस्तुओं के बीच टकराव n∼Nn \sim \sqrt N के मापक्रम पर प्रकट होते हैं, न कि n∼Nn \sim N पर — यही वह जन्मदिन मापन है जो हैश टकरावों को और कूटलेखन में जन्मदिन आक्रमणों की N\sqrt N लागत को नियंत्रित करता है। दूसरी, यह परिकलन एक प्रतिमान है: (n2)\binom n2 युग्म-टकराव घटनाएँ स्वतंत्र नहीं हैं, फिर भी उत्तर ऐसे व्यवहार करता है मानो वे स्वतंत्र हों (e−(n2)/N\eu^{-\binom n2/N} ठीक-ठीक स्वतंत्र-युग्मों वाली अनुमान-विधि है) — यह प्वासों आसन्नन का पहला उदाहरण है, जिसे अध्याय 23 की सप्ताहांत समस्या में कठोर बनाया गया है (ले काम असमिका)।

22.3 बोरेल–कांतेली और शून्य–एक नियम

प्रमेय 22.8 (बोरेल–कांतेली)

मान लीजिए (An)(A_n) घटनाएँ हैं और lim sup⁡An=⋂N⋃n≥NAn\limsup A_n = \bigcap_N \bigcup_{n\geq N}A_n (“AnA_n अनंत बार घटित होती है”)।

  1. यदि ∑P(An)<∞\sum\P(A_n) < \infty हो, तो P(lim sup⁡An)=0\P(\limsup A_n) = 0।
  2. यदि ∑P(An)=∞\sum\P(A_n) = \infty हो और AnA_n स्वतंत्र हों, तो P(lim sup⁡An)=1\P(\limsup A_n) = 1।

उपपत्ति. (1) अभ्यास 9.4 है। (2): N≤MN \leq M के लिए पूरकों का स्वातंत्र्य (अभ्यास 22.3)

P(⋂n=NMAnc)=∏n=NM(1−P(An))≤exp⁡(−∑n=NMP(An))→M→∞0\P\Bigl(\bigcap_{n=N}^{M}A_n^c\Bigr) = \prod_{n=N}^M\bigl(1 - \P(A_n)\bigr) \leq \exp\Bigl(-\sum_{n=N}^M\P(A_n)\Bigr) \xrightarrow[M \to \infty]{} 0

दे देता है (1−x≤e−x1 - x \leq \eu^{-x}; और यह श्रेणी अपसारी है)। अतः प्रत्येक NN के लिए P(⋃n≥NAn)=1\P\bigl(\bigcup_{n\geq N}A_n\bigr) = 1, और NN पर ह्रासमान सर्वनिष्ठ की प्रायिकता फिर भी 11 है (ऊपर से सांतत्य, प्रतिज्ञप्ति 9.6)। ∎

प्रमेय 22.9 (कोल्मोगोरोव का शून्य–एक नियम)

मान लीजिए (Xn)(X_n) स्वतंत्र हैं और T=⋂Nσ(XN,XN+1,… )\mathcal T = \bigcap_N\sigma(X_N, X_{N+1}, \dots) पुच्छ σ\sigma-बीजगणित है (अर्थात् वे घटनाएँ जो XnX_n में से किसी भी परिमित संख्या के प्रति असंवेदी हैं: ∑Xn\sum X_n का अभिसरण, Snn\frac{S_n}n का अभिसरण, lim sup⁡\limsup के मान, …)। तब प्रत्येक T∈TT \in \mathcal T के लिए P(T)∈{0,1}\P(T) \in \{0, 1\}।

उपपत्ति. NN स्थिर कीजिए। σ\sigma-बीजगणित σ(X1,…,XN)\sigma(X_1, \dots, X_N) और σ(XN+1,… )\sigma(X_{N+1}, \dots) स्वतंत्र हैं: असंयुक्त खंडों पर निर्भर घटनाएँ जनक π\pi-प्रणालियों पर गुणनखंडित हो जाती हैं (एक ओर बेलन ⋂i≤N{Xi∈Bi}\bigcap_{i\leq N}\{X_i \in B_i\}, और दूसरी ओर बाद के चरों पर परिमित प्रतिबंध), और दिन्किन (प्रमेय 9.4, दो बार लगाई गई, एक बार में एक ओर) उस गुणनखंडन को बढ़ा देती है। कोई पुच्छ घटना TT प्रत्येक NN के लिए σ(XN+1,… )\sigma(X_{N+1}, \dots) में होती है: अतः TT प्रत्येक σ(X1,…,XN)\sigma(X_1, \dots, X_N) से स्वतंत्र है, और इसलिए उनसे जनित σ\sigma-बीजगणित σ(X1,X2,… )\sigma(X_1, X_2, \dots) से भी (एक बार फिर दिन्किन: σ(X1,…,XN)\sigma(X_1,\dots,X_N) का संघ उसे जनित करने वाली π\pi-प्रणाली है)। पर T∈σ(X1,X2,… )T \in \sigma(X_1, X_2, \dots) भी: अतः TT स्वयं से स्वतंत्र है, P(T)=P(T∩T)=P(T)2\P(T) = \P(T\cap T) = \P(T)^2: इसलिए P(T)∈{0,1}\P(T) \in \{0, 1\}। ∎

22.4 अभिसरण के प्रकार

परिभाषा 22.10

Xn→XX_n \to X लगभग निश्चित रूप से यदि P(Xn→X)=1\P(X_n \to X) = 1 हो; प्रायिकता में यदि प्रत्येक ε>0\varepsilon > 0 के लिए P(∣Xn−X∣≥ε)→0\P(\abs{X_n - X} \geq \varepsilon) \to 0 हो; और LpL^p में यदि E∣Xn−X∣p→0\E\abs{X_n - X}^p \to 0 हो।

प्रतिज्ञप्ति 22.11

(क) लगभग निश्चित अभिसरण से प्रायिकता में अभिसरण निकलता है; (ख) LpL^p अभिसरण से प्रायिकता में अभिसरण निकलता है; (ग) प्रायिकता में अभिसरण से किसी उपानुक्रम के अनुदिश लगभग निश्चित अभिसरण निकलता है; (घ) और व्यापक रूप से कोई अन्य निहितार्थ लागू नहीं होता।

उपपत्ति. (क) लगभग निश्चित अभिसरण के अंतर्गत P(∣Xn−X∣≥ε)≤P(sup⁡m≥n∣Xm−X∣≥ε)↓P(lim sup⁡{∣Xm−X∣≥ε})=0\P(\abs{X_n - X} \geq \varepsilon) \leq \P\bigl(\sup_{m\geq n}\abs{X_m - X} \geq \varepsilon\bigr) \downarrow \P\bigl(\limsup\{\abs{X_m - X} \geq \varepsilon\}\bigr) = 0 (ऊपर से सांतत्य; उच्च-सीमा घटना अभिसरण को अपवर्जित कर देती है)। (ख) मार्कोव: P(∣Xn−X∣≥ε)≤ε−p E∣Xn−X∣p\P(\abs{X_n - X} \geq \varepsilon) \leq \varepsilon^{-p}\,\E\abs{X_n - X}^p। (ग) P(∣Xnk−X∣≥2−k)≤2−k\P(\abs{X_{n_k} - X} \geq 2^{-k}) \leq 2^{-k} वाले nkn_k चुनिए; बोरेल–कांतेली (1) से अंततः, लगभग निश्चित रूप से, ∣Xnk−X∣<2−k\abs{X_{n_k} - X} < 2^{-k} हो जाता है। (घ) ([0, 1],λ)(\intcc01, \lambda) पर टंकण-यंत्र (अभ्यास 12.3) L1L^1 में और प्रायिकता में अभिसरित होता है पर कहीं भी बिंदुशः नहीं; n1(0, 1/n)→0n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} \to 0 लगभग निश्चित रूप से, पर L1L^1 में नहीं; विवरण और शेष प्रतिउदाहरण अभ्यास 22.6 में। ∎

22.5 बृहत् संख्याओं का नियम

सर्वत्र (Xn)(X_n) एक ही बंटन नियम वाले स्वतंत्र चर हैं (स्वतंत्र सम-बंटित), और Sn=X1+⋯+XnS_n = X_1 + \dots + X_n।

प्रमेय 22.12 (बृहत् संख्याओं का दुर्बल नियम)

यदि X1∈L2X_1 \in L^2 हो, m=EX1m = \E X_1 के साथ:

P(∣Snn−m∣≥ε)≤V(X1)n ε2→n→∞0:\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}{n} - m\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq \frac{\V(X_1)}{n\,\varepsilon^2} \xrightarrow[n\to\infty]{} 0 :

तो Snn→m\frac{S_n}n \to m प्रायिकता में (और L2L^2 में भी)।

उपपत्ति. ESnn=m\E\frac{S_n}n = m और V(Snn)=nV(X1)n2\V\bigl(\frac{S_n}n\bigr) = \frac{n\V(X_1)}{n^2} (प्रमेय 22.5); फिर चेबिशेव। ∎

प्रमेय 22.13 (बृहत् संख्याओं का प्रबल नियम)

यदि X1∈L1X_1 \in L^1 हो, तो

Snn→n→∞लगभग निश्चितE[X1].\frac{S_n}{n} \xrightarrow[n\to\infty]{\text{लगभग निश्चित}} \E[X_1].

हम इसे यहाँ प्रबलतर परिकल्पना X1∈L4X_1 \in L^4 के अंतर्गत सिद्ध करते हैं; व्यापक स्थिति (L1L^1: एतेमादी की उपपत्ति) सप्ताहांत समस्या है।

EX14<∞\E X_1^4 < \infty के अंतर्गत उपपत्ति. केंद्रीकरण (Xi↦Xi−mX_i \mapsto X_i - m) करके मान लीजिए m=0m = 0। प्रसार कीजिए:

E[Sn4]=∑i,j,k,lE[XiXjXkXl]=n E[X14]+3n(n−1) (E[X12])2≤C n2,\E[S_n^4] = \sum_{i,j,k,l}\E[X_iX_jX_kX_l] = n\,\E[X_1^4] + 3n(n-1)\,\bigl(\E[X_1^2]\bigr)^2 \leq C\,n^2 ,

क्योंकि स्वातंत्र्य और केंद्रीकरण हर उस पद को मार देते हैं जिसमें कोई एकाकी गुणनखंड हो (E[XiXjXkXl]=E[Xi]E[⋯ ]=0\E[X_iX_jX_kX_l] = \E[X_i]\E[\cdots] = 0 जब तक सूचकांक युग्मित न हों: केवल nn पद i=j=k=li=j=k=l और दो भिन्न युग्मों वाले 3n(n−1)3n(n-1) पद बचते हैं)। मार्कोव:

P(∣Snn∣≥ε)=P(Sn4≥n4ε4)≤Cn2n4ε4=Cε4n2,\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}n\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) = \P\bigl(S_n^4 \geq n^4\varepsilon^4\bigr) \leq \frac{Cn^2}{n^4\varepsilon^4} = \frac{C}{\varepsilon^4n^2},

जो योगनीय है: अतः बोरेल–कांतेली (1) से प्रत्येक परिमेय ε\varepsilon के लिए अंततः, लगभग निश्चित रूप से, ∣Sn/n∣<ε\abs{S_n/n} < \varepsilon; और ε∈Q+∗\varepsilon \in \Q_+^* पर सर्वनिष्ठ लेकर (गणनीय संख्या की प्रायिकता-11 घटनाएँ): Sn/n→0S_n/n \to 0 लगभग निश्चित रूप से। ∎

उदाहरण 22.14 (प्रबल नियम से क्या मिलता है)

(क) आवृत्तियाँ: स्वतंत्र सम-बंटित सिक्का-उछालों के लिए चित की प्रेक्षित आवृत्ति लगभग निश्चित रूप से pp की ओर अभिसरित होती है — अर्थात् स्वयं प्रायिकता का आनुभविक औचित्य। (ख) मोंते कार्लो: g∈L1([0, 1])g \in L^1(\intcc01) और स्वतंत्र सम-बंटित एकसमान (Un)(U_n) (प्रमेय 22.6) के लिए लगभग निश्चित रूप से 1n∑k≤ng(Uk)→∫01g\frac1n\sum_{k\leq n}g(U_k) \to \int_0^1g: अर्थात् प्रतिचयन से समाकल, किसी भी विमा में, अध्याय 23 में परिशुद्ध की गई विमा-निरपेक्ष दर ∼n−1/2\sim n^{-1/2} पर। (ग) सामान्य संख्याएँ: लगभग प्रत्येक वास्तविक संख्या के द्विआधारी प्रसार में एकों की अनंतस्पर्शी आवृत्ति 12\frac12 होती है (प्रमेय 22.6 के अंक चरों पर प्रबल नियम लगाइए) — यह बोरेल की प्रमेय है, जो रोज़मर्रा की संख्याओं के बारे में एक कथन है और माप से सिद्ध होता है: समस्या 22.1 उसे सभी आधारों में पूरा कर देता है।

विधि 22.15

यादृच्छिक अनुक्रमों के बारे में अनंतस्पर्शी कथनों के लिए कार्य-क्रम: (1) क्या यह घटना कोई पुच्छ घटना है? तब उसकी प्रायिकता 00 या 11 है (प्रमेय 22.9) और केवल यह तय करना शेष रहता है कि कौन-सी। (2) लगभग निश्चित कथन सिद्ध करने के लिए: बोरेल–कांतेली — जो भी आघूर्ण विद्यमान हों उन पर मार्कोव/चेबिशेव-प्रकार के परिबंधों के माध्यम से “बुरी” घटनाओं की योगनीय प्रायिकताएँ; और स्वातंत्र्य केवल विपरीत दिशा के लिए चाहिए। (3) उपानुक्रम + सैंडविच: किसी सुप्रबंध्य उपानुक्रम के अनुदिश अभिसरण सिद्ध कीजिए, और बीच के दोलन को एकदिष्टता या उच्चिष्ठ असमिकाओं से नियंत्रित कीजिए — यही एतेमादी की उपपत्ति का कंकाल है। (4) बंटन-संबंधी सीमाओं के लिए अध्याय 23 की प्रतीक्षा कीजिए।

22.6 अभ्यास

अभ्यास 22.1 ★

(क) मान लीजिए XX का बंटन फलन FF संतत और कड़ाई से वर्धमान है। दर्शाइए कि F(X)F(X) [0, 1]\intcc01 पर एकसमान है, और यह कि एकसमान UU, G=F−1G = F^{-1} के लिए G(U)∼FG(U) \sim F: अर्थात् प्रतिलोमन द्वारा अनुकरण। (ख) [−1, 1]\intcc{-1}1 पर एकसमान XX के लिए X2X^2 का, और (0, 1)\intoo01 पर एकसमान UU के लिए −1λln⁡U-\frac1\lambda\ln U का, बंटन फलन तथा घनत्व परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 22.1.

(क) u∈(0, 1)u \in \intoo01 के लिए: P(F(X)≤u)=P(X≤F−1(u))=F(F−1(u))=u\P(F(X) \leq u) = \P(X \leq F^{-1}(u)) = F(F^{-1}(u)) = u (सांतत्य और कड़ी एकदिष्टता FF को (0, 1)\intoo01 पर एकैकी आच्छादक बना देती हैं, जिससे {F(X)≤u}={X≤F−1(u)}\{F(X) \leq u\} = \{X \leq F^{-1}(u)\}): अतः F(X)F(X) एकसमान है। विपरीत दिशा में P(G(U)≤t)=P(U≤F(t))=F(t)\P(G(U) \leq t) = \P(U \leq F(t)) = F(t): अर्थात् किसी बंटन नियम का अनुकरण करने के लिए किसी एकसमान प्रतिदर्श पर प्रतिलोम बंटन फलन लगाइए।

(ख) Y=X2Y = X^2, जहाँ XX [−1, 1]\intcc{-1}1 पर एकसमान है: t∈[0, 1]t \in \intcc01 के लिए FY(t)=P(−t≤X≤t)=tF_Y(t) = \P(-\sqrt t \leq X \leq \sqrt t) = \sqrt t: अतः घनत्व 12t1(0, 1)\frac1{2\sqrt t}\mathbf 1_{\intoo01}। और P(−1λln⁡U≤t)=P(U≥e−λt)=1−e−λt\P\bigl(-\frac1\lambda\ln U \leq t\bigr) = \P(U \geq \eu^{-\lambda t}) = 1 - \eu^{-\lambda t}: अर्थात् चरघातांकी E(λ)\mathcal E(\lambda) — प्रतिलोमन क्रिया में।

अभ्यास 22.2 ★

(क) अंतरण प्रमेय के माध्यम से प्वासों P(λ)\mathcal P(\lambda) और ज्यामितीय बंटन नियमों का माध्य तथा प्रसरण परिकलित कीजिए। (ख) दर्शाइए कि सभी tt के लिए P(T>t)>0\P(T > t) > 0 वाला कोई धनात्मक यादृच्छिक चर TT सभी s,t≥0s, t \geq 0 के लिए स्मृतिहीनता गुण P(T>t+s∣T>t)=P(T>s)\P(T > t + s \mid T > t) = \P(T > s) तभी और केवल तभी संतुष्ट करता है जब TT चरघातांकी हो। (उत्तरजीविता फलन कोशी का फलनीय समीकरण संतुष्ट करता है; और एकदिष्टता सांतत्य का स्थान ले लेती है।)

हल

हल — अभ्यास 22.2.

(क) प्वासों: EX=∑k≥0k e−λλkk!=λ\E X = \sum_{k\geq0}k\,\eu^{-\lambda} \frac{\lambda^k}{k!} = \lambda, E[X(X−1)]=λ2\E[X(X-1)] = \lambda^2, अतः V=λ2+λ−λ2=λ\V = \lambda^2 + \lambda - \lambda^2 = \lambda। ज्यामितीय (P(X=k)=p(1−p)k−1\P(X = k) = p(1-p)^{k-1}): EX=1p\E X = \frac1p, V=1−pp2\V = \frac{1-p}{p^2} (ज्यामितीय श्रेणी का दो बार अवकलन कीजिए)।

(ख) G(t)=P(T>t)G(t) = \P(T > t) अवर्धमान है और G(0+)…G(0^+)\dots G ⁣:[0, ∞)→(0, 1]G \colon \intco0\infty \to \intoc01; और स्मृतिहीनता का पाठ G(t+s)=G(t)G(s)G(t + s) = G(t)G(s) है। तब G(nt)=G(t)nG(n t) = G(t)^n तथा G(t/n)=G(t)1/nG(t/n) = G(t)^{1/n}: अतः परिमेय q≥0q \geq 0 के लिए G(q)=G(1)qG(q) = G(1)^q; G(1)=e−λG(1) = \eu^{-\lambda} लिखिए (∈(0, 1)\in \intoo01: G(1)=1G(1) = 1 G≡1G \equiv 1 अनिवार्य कर देता, जो किसी परिमित यादृच्छिक चर के लिए असंभव है; और G(1)=0G(1) = 0 परिकल्पना से अपवर्जित है), और किसी भी tt को परिमेयों के बीच दबाइए (एकदिष्टता): G(t)=e−λtG(t) = \eu^{-\lambda t} — अर्थात् चरघातांकी बंटन नियम। विलोम एक परिकलन मात्र है।

अभ्यास 22.3 ★★

(क) दर्शाइए कि यदि X1,…,XnX_1, \dots, X_n स्वतंत्र हों और fif_i बोरेल फलन हों, तो fi(Xi)f_i(X_i) स्वतंत्र हैं। (ख) दर्शाइए कि घटनाएँ A1,…,AnA_1, \dots, A_n स्वतंत्र हैं तभी और केवल तभी जब उनके पूरक स्वतंत्र हों, और तभी जब सूचक 1Ai\mathbf 1_{A_i} स्वतंत्र यादृच्छिक चर हों। (ग) (युग्मशः स्वातंत्र्य दुर्बलतर है) दो निष्पक्ष सिक्के: A=A ={} पहला चित है, B=B ={} दूसरा चित है, C=C ={} दोनों सहमत हैं। दर्शाइए कि A,B,CA, B, C युग्मशः स्वतंत्र हैं पर स्वतंत्र नहीं।

हल

हल — अभ्यास 22.3.

(क) σ(fi(Xi))=fi(Xi)−1(B)⊆Xi−1(B)=σ(Xi)\sigma(f_i(X_i)) = f_i(X_i)^{-1}(\mathcal B) \subseteq X_i^{-1}(\mathcal B) = \sigma(X_i) (fif_i बोरेल), और स्वतंत्र σ\sigma-बीजगणितों के उप-σ\sigma-बीजगणित स्वतंत्र होते हैं (परिभाषक सर्वसमिका तब तो और भी सरलता से लागू होती है)।

(ख) σ(Ai)={∅,Ai,Aic,Ω}=σ(Aic)=σ(1Ai)\sigma(A_i) = \{\varnothing, A_i, A_i^c, \Omega\} = \sigma(A_i^c) = \sigma(\mathbf 1_{A_i}): तीनों कथन एक ही σ\sigma-बीजगणितों के स्वातंत्र्य का दावा करते हैं। (AiA_i पर का गुणनखंडन पूरकों तक फैलता है — यह परिभाषा 22.4 की तुल्यता के भीतर का λ\lambda-निकाय तर्क है, अथवा सीधे समावेश-अपवर्जन।)

(ग) P(A)=P(B)=P(C)=12\P(A) = \P(B) = \P(C) = \frac12; और युग्मों पर A∩B=A∩C=B∩CA\cap B = A\cap C = B\cap C: प्रत्येक प्रतिच्छेदन “दोनों चित” अथवा उसके अनुरूप है, जिसकी प्रायिकता 14\frac14 है: अतः युग्मशः स्वतंत्र। पर P(A∩B∩C)=P(चित-चित)=14≠18\P(A\cap B\cap C) = \P(\text{चित-चित}) = \frac14 \neq \frac18: अतः स्वतंत्र नहीं — CC AA और BB से निर्धारित हो जाता है।

अभ्यास 22.4 ★★

(क) (अनंत वानर) किसी परिमित वर्णमाला पर एकसमान कुंजी-आघातों का कोई स्वतंत्र सम-बंटित अनुक्रम लगभग निश्चित रूप से प्रत्येक परिमित पाठ को अनंत बार धारण करता है: असंयुक्त खंडों पर बोरेल–कांतेली (2) से यह सिद्ध कीजिए। (ख) (लड़ियाँ) स्वतंत्र सम-बंटित निष्पक्ष बिटों के लिए मान लीजिए RnR_n स्थान nn से आरंभ होने वाली एकों की लड़ी की लंबाई है। दर्शाइए कि लगभग निश्चित रूप से Rn≥(1+ε)log⁡2nR_n \geq (1+\varepsilon)\log_2n परिमित बार, और Rn≥log⁡2nR_n \geq \log_2 n अनंत बार (बोरेल–कांतेली के दोनों अर्ध भाग; दूसरे के लिए स्वातंत्र्य पाने हेतु असंयुक्त खंडों पर जाइए): अर्थात् प्रथम nn अंकों में सबसे लंबी लड़ी log⁡2n\log_2n की भाँति बढ़ती है।

हल

हल — अभ्यास 22.4.

(क) मान लीजिए पाठ TT की लंबाई LL है और q=a−Lq = a^{-L} (aa वर्णमाला का आकार)। घटनाएँ Ek={E_k = \{स्थान kL+1,…,(k+1)LkL+1, \dots, (k+1)L TT की वर्तनी करते हैं}\} स्वतंत्र हैं (स्वतंत्र सम-बंटित अक्षरों के असंयुक्त खंड), और प्रत्येक की प्रायिकता q>0q > 0 है: अतः ∑P(Ek)=∞\sum\P(E_k) = \infty, और बोरेल–कांतेली (2) से लगभग निश्चित रूप से अनंत बार प्रकटन मिलते हैं।

(ख) ऊपरी: P(Rn≥(1+ε)log⁡2n)≤2−(1+ε)log⁡2n=n−(1+ε)\P\bigl(R_n \geq (1+\varepsilon)\log_2n\bigr) \leq 2^{-(1+\varepsilon)\log_2n} = n^{-(1+\varepsilon)}, जिसका योग परिमित है: अतः बोरेल–कांतेली (1) से लगभग निश्चित रूप से ऐसे nn परिमित ही हैं। निचली: असंयुक्त खंड भरिए — jj-वाँ खंड लंबाई ℓj=⌈log⁡2sj⌉\ell_j = \lceil\log_2s_j\rceil का, जो sj=∑i<jℓis_j = \sum_{i<j}\ell_i से आरंभ होता है; घटनाएँ “खंड jj सर्वथा एक है” स्वतंत्र हैं और उनकी प्रायिकता 2−ℓj≍1sj≍1jlog⁡2j2^{-\ell_j} \asymp \frac1{s_j} \asymp \frac1{j\log_2 j} है, जिसका योग अपसरित होता है: अतः बोरेल–कांतेली (2) से सर्वथा-एक वाले खंड अनंत बार मिलते हैं, अर्थात् Rsj≥log⁡2sjR_{s_j} \geq \log_2 s_j अनंत बार। दोनों मिलकर: प्रथम nn अंकों में सबसे लंबी लड़ी लगभग निश्चित रूप से (1+o(1))log⁡2n(1 + o(1))\log_2n है।

अभ्यास 22.5 ★★

मान लीजिए (Xn)(X_n) स्वतंत्र हैं। (क) दर्शाइए कि ∑Xnzn\sum X_n z^n की अभिसरण त्रिज्या लगभग निश्चित रूप से अचर है (संभवतः 00 अथवा ∞\infty)। (ख) दर्शाइए कि P(∑Xn अभिसरित होती है)∈{0,1}\P(\sum X_n \text{ अभिसरित होती है}) \in \{0, 1\} और P(Sn/n→m)∈{0,1}\P(S_n/n \to m) \in \{0,1\}। (ग) (Xn)(X_n) के बारे में ऐसी कोई घटना दीजिए जो पुच्छ घटना न हो, और जाँचिए कि उसके लिए शून्य–एक नियम विफल हो सकता है।

हल

हल — अभ्यास 22.5.

(क) R=(lim sup⁡∣Xn∣1/n)−1R = \bigl(\limsup\abs{X_n}^{1/n}\bigr)^{-1} परिमित संख्या के XnX_n बदलने पर अपरिवर्तित रहता है: अतः प्रत्येक NN के लिए RR σ(XN,XN+1,… )\sigma(X_N, X_{N+1}, \dots)-मापनीय है, अर्थात् पुच्छ-मापनीय। तब प्रत्येक घटना {R≤c}\{R \leq c\} की प्रायिकता 00 या 11 है (प्रमेय 22.9), इसलिए RR का बंटन फलन केवल मान 0,10, 1 लेता है: वह किसी एक ही बिंदु c0∈[0, +∞]c_0 \in \intcc0{+\infty} पर उछलता है, और लगभग निश्चित रूप से R=c0R = c_0।

(ख) ∑Xn\sum X_n का तथा Snn\frac{S_n}n का अभिसरण परिमित संख्या के पदों के बदलने से अप्रभावित रहता है (दूसरे के लिए: बदले हुए पद O(1/n)→0O(1/n) \to 0 का योगदान करते हैं): अतः दोनों पुच्छ घटनाएँ हैं; शून्य–एक नियम।

(ग) {X1>0}\{X_1 > 0\} X1X_1 पर निर्भर है: स्वतंत्र सम-बंटित चिह्नों (P(X1=±1)=12\P(X_1 = \pm1) = \frac12) के लिए उसकी प्रायिकता 12∉{0,1}\frac12 \notin \{0,1\} है — इसमें कोई विरोधाभास नहीं, वह पुच्छ घटना है ही नहीं।

अभ्यास 22.6 ★★

([0, 1],λ)(\intcc01, \lambda) पर — उपपत्तियों सहित — ऐसे यादृच्छिक चर प्रस्तुत कीजिए कि: (क) Xn→0X_n \to 0 प्रायिकता में और प्रत्येक LpL^p में, पर कहीं भी लगभग निश्चित रूप से नहीं; (ख) Xn→0X_n \to 0 लगभग निश्चित रूप से, पर किसी भी LpL^p में नहीं; (ग) Xn→0X_n \to 0 L1L^1 में, पर L2L^2 में नहीं; (घ) और दर्शाइए: यदि Xn→XX_n \to X प्रायिकता में हो और ∣Xn∣≤Y∈L1\abs{X_n} \leq Y \in L^1 हो, तो Xn→XX_n \to X L1L^1 में (उपानुक्रम + प्रभावी अभिसरण + उप-उपानुक्रम वाली युक्ति)।

हल

हल — अभ्यास 22.6.

([0, 1],λ)(\intcc01, \lambda) पर काम कीजिए। (क) टाइपराइटर 1In\mathbf 1_{I_n} (अभ्यास 12.3): ∥Xn∥pp=λ(In)→0\norm{X_n}_p^p = \lambda(I_n) \to 0 (सभी p<∞p < \infty), अतः प्रायिकता में भी; पर प्रत्येक ω\omega पर मान 00 और 11 दोनों बार-बार लौटते हैं: अतः कहीं भी बिंदुशः अभिसरण नहीं। (ख) Xn=n1(0, 1/n)→0X_n = n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} \to 0 00 के बाहर, पर ∥Xn∥p≥n1−1/p≥1\norm{X_n}_p \geq n^{1 - 1/p} \geq 1। (ग) Xn=n 1(0, 1/n)X_n = \sqrt n\,\mathbf 1_{\intoo0{1/n}}: E∣Xn∣=n−1/2→0\E\abs{X_n} = n^{-1/2} \to 0, EXn2=1\E X_n^2 = 1। (घ) किसी भी उपानुक्रम में से (प्रायिकता में अभिसरण) कोई ऐसा आगे का उपानुक्रम निकालिए जो लगभग निश्चित रूप से अभिसरित हो (प्रतिज्ञप्ति 22.11(ग)); प्रभावी अभिसरण उसके अनुदिश L1L^1 अभिसरण दे देता है, और सीमा वही XX रहती है। अतः संख्यात्मक अनुक्रम E∣Xn−X∣\E\abs{X_n - X} के प्रत्येक उपानुक्रम का कोई उप-उपानुक्रम 00 की ओर जाता है: इसलिए समूचा अनुक्रम 00 की ओर जाता है।

अभ्यास 22.7 ★★

कोई जनमत सर्वेक्षण किसी अज्ञात अनुपात pp का आकलन nn स्वतंत्र प्रतिचयनों की आनुभविक आवृत्ति p^n\hat p_n से करता है। (क) चेबिशेव: दर्शाइए कि P(∣p^n−p∣≥ε)≤14nε2\P(\abs{\hat p_n - p} \geq \varepsilon) \leq \frac1{4n\varepsilon^2} (p(1−p)≤14p(1-p) \leq \frac14 का उपयोग कीजिए)। (ख) इस परिबंध से कितने प्रतिचयन ≥95%\geq 95\% प्रायिकता के साथ ≤3%\leq 3\% त्रुटि की प्रत्याभूति देते हैं? (अध्याय 23 के माध्यम से वास्तविक उत्तर लगभग 10701070 है: चेबिशेव ईमानदार है पर कच्चा।)

हल

हल — अभ्यास 22.7.

(क) p^n=Snn\hat p_n = \frac{S_n}n, जहाँ SnS_n द्विपद है: V(p^n)=p(1−p)n≤14n\V(\hat p_n) = \frac{p(1-p)}n \leq \frac1{4n}, और चेबिशेव (प्रतिज्ञप्ति 22.3) वह परिबंध दे देती है। (ख) 14n(0.03)2≤0.05\frac1{4n(0.03)^2} \leq 0.05 हल कीजिए: n≥14⋅0.0009⋅0.05≈5556n \geq \frac{1}{4\cdot0.0009\cdot0.05} \approx 5556। उसी प्रत्याभूति के लिए केंद्रीय सीमा प्रमेय n≈1070n \approx 1070 उचित ठहरा देगी: चेबिशेव अपनी व्यापकता की क़ीमत लगभग 55 के गुणक से चुकाती है।

अभ्यास 22.8 ★★★

(बर्नस्टाइन) f∈C([0, 1])f \in \mathcal C(\intcc01) के लिए बर्नस्टाइन बहुपद Bnf(x)=∑k=0n(nk)xk(1−x)n−kf(kn)B_nf(x) = \sum_{k=0}^n\binom nkx^k(1-x)^{n-k}f\bigl(\frac kn\bigr) परिभाषित कीजिए। (क) द्विपद B(n,x)\mathcal B(n, x) वाले SnS_n के लिए Bnf(x)=E[f(Snn)]B_nf(x) = \E\bigl[f\bigl(\frac {S_n}n\bigr)\bigr] को पहचानिए। (ख) सिद्ध कीजिए कि [0, 1]\intcc01 पर Bnf→fB_nf \to f एकसमान रूप से: {∣Snn−x∣≤δ}\{\abs{\frac{S_n}n - x} \leq \delta\} और उसके पूरक पर विभाजन कीजिए, और एकसमान सांतत्य तथा एकसमान परिबंध V(Snn)≤14n\V(\frac{S_n}n) \leq \frac1{4n} के साथ चेबिशेव का उपयोग कीजिए। (ग) निष्कर्ष निकालिए: वाइरश्ट्रास आसन्नन प्रमेय (उपप्रमेय 7.16) की एक दूसरी, प्रायिकता-आधारित उपपत्ति, और साथ में सांतत्य मापांक ωf\omega_f के लिए स्पष्ट दर ∥Bnf−f∥∞≤32 ωf(n−1/2)\norm{B_nf - f}_\infty \leq \frac32\,\omega_f(n^{-1/2}) — कम से कम O(ωf(n−1/2))O(\omega_f(n^{-1/2})) वाला रूप सिद्ध कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 22.8.

(क) यदि Sn∼B(n,x)S_n \sim \mathcal B(n, x) हो, तो अंतरण प्रमेय E[f(Snn)]=∑k(nk)xk(1−x)n−kf(kn)=Bnf(x)\E\bigl[f(\frac{S_n}n)\bigr] = \sum_k\binom nkx^k(1-x)^{n-k}f(\frac kn) = B_nf(x) देती है।

(ख)–(ग) मान लीजिए ω=ωf\omega = \omega_f सांतत्य मापांक है (∣f(u)−f(v)∣≤ω(∣u−v∣)\abs{f(u) - f(v)} \leq \omega(\abs{u - v}), और चरणों को जोड़ने से ω(cδ)≤(1+c) ω(δ)\omega(c \delta) \leq (1 + c)\,\omega(\delta))। तब किसी भी δ>0\delta > 0 के लिए

∣f(u)−f(x)∣≤(1+(u−x)2δ2)ω(δ)\abs{f(u) - f(x)} \leq \Bigl(1 + \frac{(u - x)^2}{\delta^2}\Bigr)\omega(\delta)

(यदि ∣u−x∣≤δ\abs{u - x} \leq \delta हो तो स्पष्ट; अन्यथा ω(∣u−x∣)≤(1+∣u−x∣δ)ω(δ)≤(1+(u−x)2δ2)ω(δ)\omega(\abs{u-x}) \leq (1 + \frac{\abs{u-x}}\delta) \omega(\delta) \leq (1 + \frac{(u-x)^2}{\delta^2}) \omega(\delta))। u=Snnu = \frac{S_n}n पर प्रत्याशा लीजिए:

∣Bnf(x)−f(x)∣≤(1+V(Sn/n)δ2)ω(δ)≤(1+14nδ2)ω(δ);\abs{B_nf(x) - f(x)} \leq \Bigl(1 + \frac{\V(S_n/n)}{\delta^2}\Bigr)\omega(\delta) \leq \Bigl(1 + \frac{1}{4n\delta^2}\Bigr)\omega(\delta) ;

और δ=n−1/2\delta = n^{-1/2} के साथ: ∥Bnf−f∥∞≤54 ω(n−1/2)≤32 ω(n−1/2)→0\norm{B_nf - f}_\infty \leq \frac54\,\omega\bigl(n^{-1/2}\bigr) \leq \frac32\,\omega\bigl(n^{-1/2}\bigr) \to 0 (संहत पर एकसमान सांतत्य): अर्थात् वाइरश्ट्रास प्रमेय की एक प्रायिकता-आधारित उपपत्ति, स्पष्ट और एकसमान दर के साथ।

अभ्यास 22.9 ★★★

(कूपन संग्राहक) nn प्रकारों के पत्ते प्रतिस्थापन के साथ एकसमान रूप से निकाले जाते हैं; मान लीजिए TnT_n वह प्राचय संख्या है जब तक सभी प्रकार दिख न जाएँ। (क) Tn=∑k=1nτkT_n = \sum_{k=1}^{n}\tau_k लिखिए, जहाँ τk\tau_k प्राचल n−k+1n\frac{n - k + 1}n वाले ज्यामितीय हैं और τk\tau_k स्वतंत्र हैं, और ETn=n Hn∼nln⁡n\E T_n = n\,H_n \sim n\ln n निकालिए (HnH_n प्रसंवादी संख्या) तथा V(Tn)≤π26n2\V(T_n) \leq \frac{\pi^2}6n^2। (ख) चेबिशेव: प्रायिकता में Tnnln⁡n→1\frac{T_n}{n\ln n} \to 1। (ग) बोरेल–कांतेली से परिष्कार कीजिए: β>1\beta > 1 के लिए सीधे P(Tn>βnln⁡n)≤n1−β\P(T_n > \beta n\ln n) \leq n^{1 - \beta} दर्शाइए (βnln⁡n\beta n\ln n प्राचयों के बाद किसी प्रकार के छूट जाने की घटना पर संघ परिबंध, 1−x≤e−x1 - x \leq \eu^{-x} का उपयोग करते हुए), और निकालिए कि n=2mn = 2^m के अनुदिश, प्रत्येक β>2\beta > 2 के लिए, लगभग निश्चित रूप से अंततः Tn≤βnln⁡nT_n \leq \beta n\ln n।

हल

हल — अभ्यास 22.9.

(क) k−1k - 1 प्रकार संग्रहीत हो चुकने के बाद प्रत्येक प्राचय प्रायिकता pk=n−k+1np_k = \frac{n-k+1}n के साथ नया होता है: अतः τk\tau_k ज्यामितीय (pk)(p_k) है, और τk\tau_k स्वतंत्र हैं (प्राचय स्वतंत्र हैं)। योग लीजिए: ETn=∑knn−k+1=nHn∼nln⁡n\E T_n = \sum_k\frac n{n-k+1} = nH_n \sim n\ln n; V(Tn)=∑1−pkpk2≤n2∑j=1n1j2≤π26n2\V(T_n) = \sum\frac{1 - p_k}{p_k^2} \leq n^2\sum_{j=1}^n\frac1{j^2} \leq \frac{\pi^2}6n^2।

(ख) चेबिशेव: P(∣Tn−nHn∣≥εnln⁡n)≤π2n2/6ε2n2ln⁡2n→0\P\bigl(\abs{T_n - nH_n} \geq \varepsilon n\ln n\bigr) \leq \frac{\pi^2n^2/6}{\varepsilon^2n^2\ln^2n} \to 0, और nHnnln⁡n→1\frac{nH_n}{n\ln n} \to 1: अतः प्रायिकता में Tnnln⁡n→1\frac{T_n}{n\ln n} \to 1।

(ग) संघ परिबंध: Tn>tT_n > t का अर्थ है कि ⌈t⌉\lceil t\rceil प्राचयों के बाद कोई प्रकार अनदेखा रह गया, अतः P(Tn>t)≤n(1−1n)t≤n e−t/n\P(T_n > t) \leq n(1 - \frac1n)^{t} \leq n\,\eu^{-t/n}; और t=βnln⁡nt = \beta n\ln n पर: ≤n1−β\leq n^{1 - \beta}। β>1\beta > 1 के लिए ∑m2m(1−β)<∞\sum_m 2^{m(1-\beta)} < \infty: अतः बोरेल–कांतेली n=2mn = 2^m के अनुदिश लगभग निश्चित रूप से अंततः Tn≤βnln⁡nT_n \leq \beta n\ln n दे देती है — विशेषतः कथनानुसार प्रत्येक β>2\beta > 2 के लिए (उपानुक्रम के अनुदिश कोई भी β>1\beta > 1 काम कर जाता है)।

अभ्यास 22.10 ★★

अंक-रचना (प्रमेय 22.6) का उपयोग करते हुए: (क) सीधे परिकलन से सत्यापित कीजिए कि U=∑b2k2−kU = \sum b_{2k}2^{-k} (किसी एकसमान ω\omega के सम-सूचकांक वाले अंक) एकसमान है और V=∑b2k−12−kV = \sum b_{2k-1}2^{-k} से स्वतंत्र है; (ख) इससे [0, 1]\intcc01 और [0, 1]2\intcc01^2 के बीच माप-संरक्षी, अकिंचन-समुच्चयों-तक मापनीय एकैकी आच्छादन निकालिए, और टिप्पणी कीजिए: एक ही एकसमान यादृच्छिक संख्या दो (और गणनीय अनंत) स्वतंत्र संख्याएँ धारण करती है — इसकी तुलना पियानो वक्र (समस्या 6.1) से कीजिए, जिसने आच्छादकता तो प्राप्त की थी पर माप-संरक्षण या एकैकीपन नहीं।

हल

हल — अभ्यास 22.10.

(क) सम-सूचकांक वाले अंक (b2k)k(b_{2k})_k स्वतंत्र सम-बंटित निष्पक्ष बिट हैं (स्वतंत्र अंक-कुल का एक उपकुल), अतः U=∑kb2k2−kU = \sum_kb_{2k}2^{-k} प्रत्येक द्विआधारी अंतराल को उसकी सही प्रायिकता देता है (जैसा प्रमेय 22.6 में): इसलिए एकसमान; और वैसे ही VV; और (U,V)(U, V) असंयुक्त अंक-खंडों पर निर्भर हैं: अतः स्वतंत्र (द्विआधारी आयतों पर गुणनखंडन, फिर दिन्किन)।

(ख) Φ(ω)=(U(ω),V(ω))\Phi(\omega) = (U(\omega), V(\omega)) मापनीय है और Φ∗λ=λ⊗λ=λ2\Phi_*\lambda = \lambda\otimes\lambda = \lambda_2 (द्विआधारी आयतों पर सहमति ++ अद्वितीयता)। अंकों को गूँथने से कोई प्रतिलोम मिलता है, जो किसी भी गुणनखंड के द्विआधारी परिमेयों के (अकिंचन) समुच्चय के बाहर परिभाषित है: अर्थात् [0, 1]\intcc01 और [0, 1]2\intcc01^2 के पूर्ण-माप उपसमुच्चयों के बीच कोई माप-संरक्षी एकैकी आच्छादन। पियानो (समस्या 6.1) से तुलना कीजिए: वहाँ सांतत्य ने एकैकीपन के बिना आच्छादकता अनिवार्य कर दी थी; और यहाँ सांतत्य छोड़कर केवल मापनीयता रखने पर कोई माप-तुल्याकारिता मिल जाती है — विमा माप सिद्धांत को नहीं दिखती, संस्थिति को दिखती है।

अभ्यास 22.11 ★★

(अभिलेख) मान लीजिए (Xn)n≥1(X_n)_{n\geq1} संतत बंटन फलन वाले स्वतंत्र सम-बंटित चर हैं, और कहिए कि समय nn पर कोई अभिलेख घटित होता है यदि Xn>max⁡(X1,…,Xn−1)X_n > \max(X_1, \dots, X_{n-1}) हो (समय 11 अभिलेख है)। मान लीजिए RnR_n अभिलेख सूचक है। (क) दर्शाइए कि P(Rn=1)=1n\P(R_n = 1) = \frac1n (सममिति से, X1,…,XnX_1, \dots, X_n के n!n! क्रमों में से प्रत्येक समान रूप से संभाव्य है और बराबरी की प्रायिकता 00 है)। (ख) दर्शाइए कि RnR_n स्वतंत्र हैं (निर्धारित अभिलेख स्थानों के अनुकूल क्रमों की गणना कीजिए, अथवा यह तर्क दीजिए कि X1,…,Xn−1X_1, \dots, X_{n-1} का सापेक्ष क्रम उनमें XnX_n की कोटि से स्वतंत्र है)। (ग) बोरेल–कांतेली (प्रमेय 22.8, दोनों अर्ध भाग) से निकालिए कि लगभग निश्चित रूप से अनंत अभिलेख घटित होते हैं, पर क्रमागत समयों n,n+1n, n+1 पर अभिलेख अनंत बार किस प्रायिकता के साथ घटित होते हैं — तय कीजिए कि कौन-सी! — और ∑nP(Rn=1,Rn+1=1)\sum_n\P(R_n = 1, R_{n+1} = 1) परिकलित कीजिए।

हल

हल — अभ्यास 22.11.

(क) बंटन के संतत होने से बराबरियाँ अकिंचन घटनाएँ हो जाती हैं (जैसा अध्याय के क्रम-सांख्यिकी तर्कों में), और (X1,…,Xn)(X_1, \dots, X_n) के n!n! सापेक्ष क्रम विनिमेय हैं, अतः समान रूप से संभाव्य। Rn=1R_n = 1 का अर्थ है कि उच्चिष्ठ अंतिम स्थान पर बैठता है: जिसकी प्रायिकता (n−1)!n!=1n\frac{(n-1)!}{n!} = \frac1n है।

(ख) nn स्थिर कीजिए और X1,…,Xn−1X_1, \dots, X_{n-1} के सापेक्ष क्रम पर प्रतिबंधन कीजिए: XnX_n को nn संभव कोटि-स्थानों में डालना एकसमान है और उस क्रम से स्वतंत्र (nn-बहुक की विनिमेयता)। अतः RnR_n (घटना “XnX_n शीर्ष स्थान लेता है”) समूचे अभिलेख इतिहास (R1,…,Rn−1)(R_1, \dots, R_{n-1}) से स्वतंत्र है, जो प्रथम n−1n - 1 चरों के सापेक्ष क्रम का फलन है। आगमन से पूर्ण स्वातंत्र्य मिल जाता है, जिसमें P(Rn=1)=1n\P(R_n = 1) = \frac1n।

(ग) स्वातंत्र्य के साथ ∑P(Rn=1)=∑1n=∞\sum\P(R_n = 1) = \sum\frac1n = \infty: अतः बोरेल–कांतेली का दूसरा अर्ध भाग लगभग निश्चित रूप से अनंत बार अभिलेख दे देता है (अभिलेख कभी रुकते नहीं — पर वे लघुगणकीय रूप से विरल होते जाते हैं: E[#अभिलेख≤n]=Hn≈ln⁡n\E[\#\text{अभिलेख} \leq n] = H_n \approx \ln n)। क्रमागत अभिलेख: P(Rn=Rn+1=1)=1n(n+1)\P(R_n = R_{n+1} = 1) = \frac1{n(n+1)} (स्वातंत्र्य), और

∑n1n(n+1)=∑n(1n−1n+1)=1<∞:\sum_n\frac1{n(n+1)} = \sum_n\Bigl(\frac1n - \frac1{n+1}\Bigr) = 1 < \infty :

अतः बोरेल–कांतेली का पहला अर्ध भाग लागू होता है — लगभग निश्चित रूप से क्रमागत-अभिलेख युग्म परिमित बार ही घटित होते हैं।

अभ्यास 22.12 ★★

(सबसे लंबी चित लड़ी) कोई निष्पक्ष सिक्का अनंत बार उछालिए, और मान लीजिए LnL_n प्रथम nn उछालों के भीतर क्रमागत चितों की सबसे लंबी लड़ी की लंबाई है। (क) दर्शाइए कि प्रत्येक ε>0\varepsilon > 0 के लिए लगभग निश्चित रूप से अंततः Ln≤(1+ε)log⁡2nL_n \leq (1 + \varepsilon)\log_2n (प्रथम nn उछालों में लंबाई ℓ\ell की कोई लड़ी आरंभ होने की प्रायिकता अधिक से अधिक n2−ℓn2^{-\ell} है; n=2kn = 2^k के अनुदिश बोरेल–कांतेली)। (ख) दर्शाइए कि लगभग निश्चित रूप से अंततः Ln≥(1−ε)log⁡2nL_n \geq (1 - \varepsilon)\log_2n (प्रथम nn उछालों को लंबाई ℓ=⌈(1−ε)log⁡2n⌉\ell = \lceil(1 - \varepsilon)\log_2n\rceil के ⌊n/ℓ⌋\lfloor n/\ell\rfloor असंयुक्त खंडों में काटिए; ये खंड स्वतंत्र हैं, प्रत्येक प्रायिकता 2−ℓ2^{-\ell} के साथ सर्वथा चित है, और किसी के भी सर्वथा चित न होने की प्रायिकता अधिक से अधिक exp⁡(−n2−ℓ/ℓ)\exp(-n2^{-\ell}/\ell) है; फिर से n=2kn = 2^k के अनुदिश योग कीजिए)। (ग) निष्कर्ष निकालिए कि लगभग निश्चित रूप से Lnlog⁡2n→1\frac{L_n}{\log_2n} \to 1: दस लाख निष्पक्ष उछालों में लगभग 2020 चितों की लड़ी की अपेक्षा करनी चाहिए — और जिस आँकड़ा-समुच्चय में ऐसी लड़ी न हो वह संभवतः गढ़ा हुआ है।

हल

हल — अभ्यास 22.12.

(क) स्थान i≤ni \leq n से आरंभ होने वाली लंबाई ℓ\ell की किसी लड़ी की प्रायिकता 2−ℓ2^{-\ell} है; संघ परिबंध: P(Ln≥ℓ)≤n2−ℓ\P(L_n \geq \ell) \leq n2^{-\ell}। ℓn=(1+ε)log⁡2n\ell_n = (1 + \varepsilon)\log_2n के साथ: P(Ln≥ℓn)≤n−ε\P(L_n \geq \ell_n) \leq n^{-\varepsilon}। n=2kn = 2^k के अनुदिश ∑k2−kε<∞\sum_k2^{-k\varepsilon} < \infty, अतः लगभग निश्चित रूप से अंततः L2k<(1+ε)kL_{2^k} < (1+\varepsilon)k (बोरेल–कांतेली); और व्यापक nn के लिए 2k−1<n≤2k2^{k-1} < n \leq 2^k चुनिए तथा LnL_n की एकदिष्टता और log⁡22k−1≤log⁡2n\log_22^{k-1} \leq \log_2n का उपयोग कीजिए: Ln≤L2k<(1+ε)k≤(1+ε)kk−1log⁡2nL_n \leq L_{2^k} < (1 + \varepsilon)k \leq (1 + \varepsilon)\frac{k}{k-1} \log_2n, और यह अतिरिक्त गुणक ε\varepsilon को थोड़ा बढ़ाकर आत्मसात कर लिया जाता है।

(ख) ℓ=⌈(1−ε)log⁡2n⌉\ell = \lceil(1 - \varepsilon)\log_2n\rceil और m=⌊n/ℓ⌋m = \lfloor n/\ell\rfloor असंयुक्त खंडों के साथ: खंड स्वतंत्र हैं, प्रत्येक प्रायिकता 2−ℓ≥n−(1−ε)/22^{-\ell} \geq n^{-(1-\varepsilon)}/2 के साथ सर्वथा चित है, अतः किसी अचर c>0c > 0 और बड़े nn के लिए

P(Ln<ℓ)≤(1−2−ℓ)m≤exp⁡(−m2−ℓ)≤exp⁡(−c nεlog⁡2n)\P(L_n < \ell) \leq \bigl(1 - 2^{-\ell}\bigr)^{m} \leq \exp\bigl(-m2^{-\ell}\bigr) \leq \exp\Bigl(-c\,\frac{n^{\varepsilon}}{\log_2n}\Bigr)

होता है। ये प्रायिकताएँ n=2kn = 2^k के अनुदिश योग्य हैं (वस्तुतः सभी nn के अनुदिश): अतः बोरेल–कांतेली लगभग निश्चित रूप से अंततः Ln≥(1−ε)log⁡2nL_n \geq (1 - \varepsilon)\log_2n दे देती है (2k2^k के बीच की जगह एकदिष्टता (क) की भाँति निरापद रूप से भर देती है)।

(ग) दोनों परिबंध अनुक्रम ε=1j\varepsilon = \frac1j के अनुदिश लीजिए और गणनीय संख्या की पूर्ण-माप घटनाओं का सर्वनिष्ठ लीजिए: लगभग निश्चित रूप से Lnlog⁡2n→1\frac{L_n}{\log_2n} \to 1। n=106n = 10^6 के लिए: log⁡2n≈19.9\log_2n \approx 19.9 — अर्थात् लगभग 2020 चितों की लड़ी कोई संदेहास्पद विसंगति नहीं, गणितीय निश्चितता है, और उसका न होना इस बात का प्रमाण है कि किसी मनुष्य ने “यादृच्छिकता” गढ़ी है (मनुष्य लगातार 55 या 66 से अधिक चित लिखने का साहस विरले ही करते हैं)।

22.7 समस्या: प्रबल नियम की एतेमादी वाली उपपत्ति

समस्या 22.1

सप्ताहांत समस्या — स्वतंत्र सम-बंटित समाकलनीय चरों के लिए बृहत् संख्याओं का प्रबल नियम

कोल्मोगोरोव के प्रबल नियम — स्वतंत्र सम-बंटित Xn∈L1X_n \in L^1 के लिए लगभग निश्चित रूप से Snn→EX1\frac{S_n}n \to \E X_1 — की बहुत समय तक केवल जटिल उपपत्तियाँ ही थीं; 1981 में एन. एतेमादी ने आश्चर्यजनक मितव्ययिता वाली एक उपपत्ति खोजी, जो इस अध्याय से बाहर कुछ भी उपयोग नहीं करती (और स्वातंत्र्य को दुर्बल करके युग्मशः स्वातंत्र्य तक भी ले आती है)। हम उसी का अनुसरण करते हैं। मान लीजिए (Xn)(X_n) युग्मशः स्वतंत्र, सम-बंटित, समाकलनीय हैं; और m=EX1m = \E X_1, Sn=X1+⋯+XnS_n = X_1 + \dots + X_n।

भाग I — न्यूनीकरण।

  1. दर्शाइए कि केवल Xn≥0X_n \geq 0 की स्थिति देखना पर्याप्त है (Xn=Xn+−Xn−X_n = X_n^+ - X_n^- को विभाजित कीजिए: जाँचिए कि दोनों अर्ध भाग पुनः युग्मशः स्वतंत्र, सम-बंटित और समाकलनीय हैं)। अब से Xn≥0X_n \geq 0 मान लीजिए।
  2. (कर्तन) मान लीजिए Yn=Xn 1Xn≤nY_n = X_n\,\mathbf 1_{X_n \leq n} और Sn∗=Y1+⋯+YnS_n^* = Y_1 + \dots + Y_n। दर्शाइए कि

    ∑n≥1P(Xn≠Yn)=∑n≥1P(X1>n)≤E[X1]<∞\sum_{n\geq1}\P(X_n \neq Y_n) = \sum_{n\geq1}\P(X_1 > n) \leq \E[X_1] < \infty

    (अभ्यास 11.3), और बोरेल–कांतेली के माध्यम से निकालिए कि लगभग निश्चित रूप से Sn−Sn∗n→0\frac{S_n - S_n^*}{n} \to 0: अर्थात् केवल यह सिद्ध करना पर्याप्त है कि लगभग निश्चित रूप से Sn∗n→m\frac{S^*_n}n \to m।

  3. दर्शाइए कि EYn=E[X11X1≤n]→m\E Y_n = \E\bigl[X_1\mathbf 1_{X_1\leq n}\bigr] \to m (एकदिष्ट अभिसरण), अतः 1n∑k≤nEYk→m\frac1n\sum_{k\leq n}\E Y_k \to m (चेज़ारो): अर्थात् केवल यह सिद्ध करना पर्याप्त है कि लगभग निश्चित रूप से Sn∗−ESn∗n→0\frac{S_n^* - \E S_n^*}{n} \to 0।

भाग II — प्रसरण आकलन।

  1. दर्शाइए कि

    V(Yn)≤E[Yn2]=E[X12 1X1≤n]\V(Y_n) \leq \E[Y_n^2] = \E\bigl[X_1^2\,\mathbf 1_{X_1 \leq n}\bigr]

    और परत-केक सूत्र (प्रतिज्ञप्ति 11.8) का उपयोग करते हुए मुख्य परिबंध

    ∑n≥1V(Yn)n2≤∑n≥11n2 E[X121X1≤n]≤C E[X1]<∞\sum_{n\geq1}\frac{\V(Y_n)}{n^2} \leq \sum_{n\geq1}\frac1{n^2}\, \E\bigl[X_1^2\mathbf 1_{X_1\leq n}\bigr] \leq C\,\E[X_1] < \infty

    (योग और प्रत्याशा की अदला-बदली कीजिए — श्रेणियों के लिए टोनेली — और आंतरिक आकलन x2∑n≥xn−2≤2xx^2\sum_{n\geq x}n^{-2} \leq 2x के लिए ∑n≥x1n2≤2max⁡(x,1)\sum_{n \geq x}\frac1{n^2} \leq \frac2{\max(x,1)} को परिबद्ध कीजिए)।

भाग III — ज्यामितीय उपानुक्रमों के अनुदिश अभिसरण। α>1\alpha > 1 स्थिर कीजिए और मान लीजिए kj=⌊αj⌋k_j = \lfloor\alpha^j\rfloor।

  1. युग्मशः स्वातंत्र्य (प्रसरण जुड़ते हैं, प्रमेय 22.5 — जाँचिए कि प्रसरणों की योज्यता के लिए केवल युग्मशः स्वातंत्र्य ही चाहिए) और चेबिशेव का उपयोग करके प्रत्येक ε>0\varepsilon > 0 के लिए दर्शाइए:

    ∑j≥1P(∣Skj∗−ESkj∗kj∣≥ε)≤1ε2∑j≥11kj2∑n≤kjV(Yn)=1ε2∑n≥1V(Yn)∑j : kj≥n1kj2.\sum_{j\geq1}\P\Bigl(\Bigl| \frac{S^*_{k_j} - \E S^*_{k_j}}{k_j}\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq \frac1{\varepsilon^2}\sum_{j\geq1}\frac1{k_j^2} \sum_{n\leq k_j}\V(Y_n) = \frac1{\varepsilon^2}\sum_{n\geq1}\V(Y_n) \sum_{j\,:\,k_j\geq n}\frac1{k_j^2} .
  2. ∑j:kj≥nkj−2≤Cαn2\sum_{j : k_j \geq n}k_j^{-2} \leq \frac{C_\alpha}{n^2} दर्शाइए (ज्यामितीय श्रेणी; निम्नमान से सावधान: αj≥2\alpha^j \geq 2-प्रकार की सावधानी के लिए kj≥αj2k_j \geq \frac{\alpha^j}2), और प्रश्न 4 तथा बोरेल–कांतेली के साथ निष्कर्ष निकालिए:

    Skj∗−ESkj∗kj→j→∞लगभग निश्चित0,अतःSkj∗kj→m लगभग निश्चित\frac{S^*_{k_j} - \E S^*_{k_j}}{k_j} \xrightarrow[j\to\infty]{\text{लगभग निश्चित}} 0, \qquad\text{अतः}\qquad \frac{S^*_{k_j}}{k_j} \to m \ \text{लगभग निश्चित}

भाग IV — सैंडविच और निष्कर्ष।

  1. kj≤n≤kj+1k_j \leq n \leq k_{j+1} के लिए Sn∗S^*_n की एकदिष्टता (योज्य पद ऋणेतर हैं!) का उपयोग करके दर्शाइए कि

    kjkj+1 Skj∗kj  ≤  Sn∗n  ≤  kj+1kj Skj+1∗kj+1,\frac{k_j}{k_{j+1}}\,\frac{S^*_{k_j}}{k_j} \;\leq\; \frac{S^*_n}{n} \;\leq\; \frac{k_{j+1}}{k_j}\,\frac{S^*_{k_{j+1}}}{k_{j+1}},

    और लगभग निश्चित रूप से निकालिए:

    mα≤lim inf⁡Sn∗n≤lim sup⁡Sn∗n≤α m.\frac m\alpha \leq \liminf\frac{S^*_n}n \leq \limsup\frac{S^*_n}n \leq \alpha\,m .
  2. किसी अनुक्रम के अनुदिश α↓1\alpha \downarrow 1 लीजिए और निष्कर्ष निकालिए कि लगभग निश्चित रूप से Sn∗n→m\frac{S_n^*}n \to m, अतः (भाग I) बृहत् संख्याओं का प्रबल नियम:

     Snn→n→∞लगभग निश्चितE[X1]. \boxed{\ \frac{S_n}{n} \xrightarrow[n\to\infty]{\text{लगभग निश्चित}} \E[X_1].\ }
  3. ठीक-ठीक कहाँ युग्मशः स्वातंत्र्य (पूर्ण स्वातंत्र्य के बजाय) पर्याप्त था? उन तीनों स्थानों की सूची बनाइए जहाँ स्वातंत्र्य-प्रकार की परिकल्पनाएँ लगाई गईं।

भाग V — लाभांश।

  1. (बोरेल की सामान्य संख्याएँ) दर्शाइए कि λ\lambda-लगभग प्रत्येक x∈[0, 1]x \in \intcc01 प्रत्येक आधार b≥2b \geq 2 में सामान्य है: प्रत्येक अंक 0,…,b−10, \dots, b-1 अनंतस्पर्शी आवृत्ति 1b\frac1b के साथ प्रकट होता है (bb और कोई एक अंक स्थिर कीजिए, सूचक चरों पर प्रबल नियम लगाइए — यह उचित ठहराइए कि किसी एकसमान चर के आधार-bb अंक प्रमेय 22.6 की भाँति {0,…,b−1}\{0,\dots,b-1\} पर स्वतंत्र सम-बंटित एकसमान हैं — फिर गणनीय संख्या की प्रायिकता-एक घटनाओं का सर्वनिष्ठ लीजिए)। कोई एक स्पष्ट असामान्य संख्या प्रस्तुत कीजिए, और विचार कीजिए: यह प्रमेय लगभग सभी संख्याओं की सामान्यता का दावा करती है, फिर भी 2\sqrt2 या π\pi की सामान्यता सिद्ध करना आज भी खुला प्रश्न है।
  2. (मोंते कार्लो, प्रत्याभूत) g∈L1([0, 1]d)g \in L^1(\intcc01^d) के लिए उदाहरण 22.14(ख) की विधि को पूरी तरह उचित ठहराइए: प्रमेय 22.6 और अभ्यास 22.10 से [0, 1]d\intcc01^d पर स्वतंत्र सम-बंटित एकसमान प्रतिदर्श की रचना कीजिए, और बताइए कि प्रबल नियम क्या दे देता है।

भाग VI — पूर्ण स्वातंत्र्य से क्या मिलता है: उच्चिष्ठ असमिकाएँ और यादृच्छिक श्रेणियाँ। एतेमादी केवल युग्मशः स्वातंत्र्य खर्च करते हैं; शेष भाग पूर्ण (पारस्परिक) रूप का दोहन करते हैं। मान लीजिए (Zn)(Z_n) L2L^2 वाले स्वतंत्र केंद्रित चर हैं और Sk=Z1+⋯+ZkS_k = Z_1 + \dots + Z_k (यह एक नया संकेतन है, जिसका ऊपर वाले XnX_n से कोई संबंध नहीं)।

  1. (कोल्मोगोरोव की उच्चिष्ठ असमिका) ε>0\varepsilon > 0 के लिए सिद्ध कीजिए

    P(max⁡1≤k≤n∣Sk∣≥ε)  ≤  1ε2∑k=1nV(Zk):\P\Bigl(\max_{1\leq k\leq n}\abs{S_k} \geq \varepsilon\Bigr) \;\leq\; \frac1{\varepsilon^2}\sum_{k=1}^n\V(Z_k) :

    अर्थात् चेबिशेव की क़ीमत में उच्चिष्ठ मिल जाता है (घटना को उस पहले सूचकांक kk के अनुसार विभाजित कीजिए जिसके लिए ∣Sk∣≥ε\abs{S_k} \geq \varepsilon हो; उस टुकड़े पर Sn2≥Sk2+2Sk(Sn−Sk)S_n^2 \geq S_k^2 + 2S_k(S_n - S_k) लिखिए और गुटों (Z1,…,Zk)(Z_1, \dots, Z_k) तथा (Zk+1,…,Zn)(Z_{k+1}, \dots, Z_n) के स्वातंत्र्य का उपयोग कीजिए, प्रमेय 22.5)। उस चरण की ओर संकेत कीजिए जहाँ युग्मशः स्वातंत्र्य अब पर्याप्त नहीं रह जाता।

  2. (खिनचिन–कोल्मोगोरोव एक-श्रेणी प्रमेय) निकालिए: यदि ∑nV(Zn)<∞\sum_n\V(Z_n) < \infty हो, तो ∑nZn\sum_nZ_n लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होती है (दर्शाइए कि लगभग निश्चित रूप से आंशिक योग कोई कोशी अनुक्रम बनाते हैं: ZN+1,…,ZN+mZ_{N+1}, \dots, Z_{N+m} पर लगाई गई उच्चिष्ठ असमिका में m→∞m \to \infty लीजिए, फिर N→∞N \to \infty लीजिए)।
  3. (राडेमाखर श्रेणी) मान लीजिए (εn)(\varepsilon_n) स्वतंत्र सम-बंटित चिह्न हैं, P(εn=±1)=12\P(\varepsilon_n = \pm1) = \frac12 (प्रमेय 22.6), और मान लीजिए (xn)(x_n) वास्तविक संख्याएँ हैं। दर्शाइए कि ∑nxn2<∞\sum_nx_n^2 < \infty होते ही ∑nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n लगभग निश्चित रूप से अभिसरित हो जाती है; और यह भी दर्शाइए कि (xn)(x_n) कुछ भी हो, ∑nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n के अभिसरित होने की प्रायिकता 00 या 11 ही है (प्रमेय 22.9)।
  4. विलोम, प्रारंभिक साधनों से। Tn=∑k≤nxkεkT_n = \sum_{k\leq n}x_k\varepsilon_k और sn2=∑k≤nxk2s_n^2 = \sum_{k\leq n}x_k^2 रखिए, और मान लीजिए sn→∞s_n \to \infty। (क) पेली–ज़िगमुंड असमिका सिद्ध कीजिए: EZ2<∞\E Z^2 < \infty और 0<θ<10 < \theta < 1 वाले Z≥0Z \geq 0 के लिए

    P(Z>θ EZ)  ≥  (1−θ)2 (EZ)2EZ2\P\bigl(Z > \theta\,\E Z\bigr) \;\geq\; (1 - \theta)^2\,\frac{(\E Z)^2}{\E Z^2}

    (EZ\E Z को स्तर θEZ\theta\E Z पर विभाजित कीजिए और ऊपरी टुकड़े पर कोशी–श्वार्ज़ लगाइए)। (ख) दर्शाइए कि ETn4≤3sn4\E T_n^4 \leq 3s_n^4। (ग) P(∣Tn∣>sn2)≥316\P\bigl(\abs{T_n} > \frac{s_n}2\bigr) \geq \frac3{16} निकालिए और निष्कर्ष निकालिए कि ∑nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n लगभग निश्चित रूप से अपसारित होती है; अतः द्विभाजन

    ∑nxnεn लगभग निश्चित रूप से अभिसरित  ⟺  ∑nxn2<∞.\sum_nx_n\varepsilon_n\ \text{लगभग निश्चित रूप से अभिसरित} \iff \sum_nx_n^2 < \infty .
  5. (यादृच्छिक प्रसंवादी श्रेणी) निष्कर्ष निकालिए कि ∑nεnns\sum_n\frac{\varepsilon_n}{n^s} लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होती है तभी और केवल तभी जब s>12s > \frac12 हो। 12<s≤1\frac12 < s \leq 1 के लिए यह श्रेणी लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होती है जबकि ∑nn−s=∞\sum_nn^{-s} = \infty: यादृच्छिक चिह्न वर्गमूल-सामर्थ्य वाला निरसन उत्पन्न करते हैं — इसकी तुलना एकांतर श्रेणी ∑n(−1)nns\sum_n\frac{(-1)^n}{n^s} से कीजिए, जो प्रत्येक s>0s > 0 के लिए अभिसरित होती है।

भाग VII — संकेंद्रण: हॉफडिंग असमिका। प्रबल नियम कहता है कि Snn→m\frac{S_n}n \to m; और संकेंद्रण असमिकाएँ बताती हैं कि प्रत्येक स्थिर nn पर कोई विचलन कितना असंभाव्य है।

  1. (हॉफडिंग प्रमेयिका) (क) दोनों श्रेणियों की पदशः तुलना करके दर्शाइए कि सभी λ∈R\lambda \in \R के लिए cosh⁡λ≤eλ2/2\cosh\lambda \leq \eu^{\lambda^2/2}। (ख) मान लीजिए ZZ a≤Z≤ba \leq Z \leq b, a<ba < b वाला केंद्रित चर है। दर्शाइए कि

    E eλZ≤exp⁡(λ2(b−a)28)\E\,\eu^{\lambda Z} \leq \exp\Bigl(\frac{\lambda^2(b - a)^2}8\Bigr)

    ([a, b]\intcc ab पर eλz\eu^{\lambda z} को उसकी जीवा से परिबद्ध कीजिए, प्रत्याशा लीजिए, और p=−ab−ap = \frac{-a}{b-a} तथा t=λ(b−a)t = \lambda(b - a) के साथ φ(t)=−pt+log⁡(1−p+pet)\varphi(t) = -pt + \log(1 - p + p\eu^t) का अध्ययन कीजिए: दर्शाइए कि φ(0)=φ′(0)=0\varphi(0) = \varphi'(0) = 0 और φ′′≤14\varphi'' \leq \frac14)।

  2. (हॉफडिंग असमिका) मान लीजिए X1,…,XnX_1, \dots, X_n ai≤Xi≤bia_i \leq X_i \leq b_i और Sn=X1+⋯+XnS_n = X_1 + \dots + X_n वाले स्वतंत्र चर हैं। t>0t > 0 के लिए सिद्ध कीजिए

    P(Sn−ESn≥t)≤exp⁡(−2t2∑i=1n(bi−ai)2),\P\bigl(S_n - \E S_n \geq t\bigr) \leq \exp\Bigl(\frac{-2t^2}{\sum_{i=1}^n(b_i - a_i)^2}\Bigr),

    और अधःपुच्छ के लिए भी वही परिबंध (चरघातांकी चेबिशेव: स्वातंत्र्य और प्रश्न 17 का उपयोग करके E eλ(Sn−ESn)\E\,\eu^{\lambda(S_n - \E S_n)} को परिबद्ध कीजिए, फिर λ>0\lambda > 0 पर अनुकूलन कीजिए)।

  3. (प्रबल नियम, परिबद्ध स्थिति, दर के साथ) मान लीजिए XiX_i [a, b]\intcc ab में मान लेने वाले स्वतंत्र सम-बंटित चर हैं और m=EX1m = \E X_1। दर्शाइए कि

    P(∣Snn−m∣≥ε)≤2exp⁡(−2nε2(b−a)2)\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}n - m\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq 2\exp\Bigl(\frac{-2n\varepsilon^2}{(b - a)^2}\Bigr)

    और बोरेल–कांतेली से लगभग निश्चित रूप से Snn→m\frac{S_n}n \to m पुनः प्राप्त कीजिए: यह परिबद्ध चरों के लिए प्रबल नियम की एक दूसरी उपपत्ति है — कोई कर्तन नहीं, और प्रत्येक परिमित nn पर एक चरघातांकी दर, पर बदले में परिबद्ध योज्य पद और पूर्ण स्वातंत्र्य। एतेमादी की परिकल्पनाओं से इनकी तुलना कीजिए।

  4. (मोंते कार्लो, स्थिर nn पर प्रत्याभूत) मान लीजिए g ⁣:[0, 1]d→[0, 1]g \colon \intcc01^d \to \intcc01 मापनीय है और (Uk)(U_k) प्रश्न 11 वाला स्वतंत्र सम-बंटित एकसमान प्रतिदर्श। ε,δ>0\varepsilon, \delta > 0 दिया हो, तो दर्शाइए कि

    n≥log⁡(2/δ)2ε2  ⟹  P(∣1n∑k=1ng(Uk)−∫g  ⁣dλd∣≥ε)≤δ,n \geq \frac{\log(2/\delta)}{2\varepsilon^2} \implies \P\Bigl(\Bigl|\frac1n\sum_{k=1}^ng(U_k) - \int g\,\dd\lambda_d\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq \delta,

    और ε=δ=10−2\varepsilon = \delta = 10^{-2} के लिए देहली का मूल्यांकन कीजिए। यह परिबंध dd को सम्मिलित नहीं करता: इसकी तुलना प्रश्न 11 से और नियतांकी जालकों से कीजिए।

भाग VIII — यादृच्छिक भ्रमण कितना बड़ा होता है? पुनरावृत्त लघुगणक की ओर। मान लीजिए Sn=ε1+⋯+εnS_n = \varepsilon_1 + \dots + \varepsilon_n स्वतंत्र सम-बंटित निष्पक्ष चिह्नों से बना सरल यादृच्छिक भ्रमण है।

  1. (उप-गाउसीय पुच्छ) दर्शाइए कि E eλSn=(cosh⁡λ)n≤enλ2/2\E\,\eu^{\lambda S_n} = (\cosh\lambda)^n \leq \eu^{n\lambda^2/2} और x>0x > 0 के लिए निकालिए

    P(Sn≥x)≤e−x2/(2n),P(∣Sn∣≥x)≤2 e−x2/(2n).\P(S_n \geq x) \leq \eu^{-x^2/(2n)}, \qquad \P(\abs{S_n} \geq x) \leq 2\,\eu^{-x^2/(2n)} .
  2. बोरेल–कांतेली के माध्यम से निकालिए

    lim sup⁡n→∞∣Sn∣2nlog⁡n≤1लगभग निश्चित\limsup_{n\to\infty}\frac{\abs{S_n}} {\sqrt{2n\log n}} \leq 1 \quad\text{लगभग निश्चित}

    (η>0\eta > 0 के लिए x=(1+η)2nlog⁡nx = (1 + \eta)\sqrt{2n\log n} पर पुच्छ परिबंधों का योग कीजिए, फिर η=1p\eta = \frac1p पर सर्वनिष्ठ लीजिए)। विशेष रूप से यह भ्रमण किसी लघुगणकीय गुणक तक केंद्रीय सीमा मापक्रम n\sqrt n पर जीता है — अर्थात् कच्चे परिबंध ∣Sn∣≤n\abs{S_n} \leq n से बहुत नीचे।

  3. द्विगुणन उपानुक्रम nj=2jn_j = 2^j के अनुदिश दर्शाइए

    lim sup⁡j→∞Snj2njlog⁡log⁡nj≤1लगभग निश्चित,\limsup_{j\to\infty}\frac{S_{n_j}} {\sqrt{2n_j\log\log n_j}} \leq 1 \quad\text{लगभग निश्चित},

    और विचार कीजिए: पुनरावृत्त लघुगणक का नियम (खिनचिन; और व्यापक केंद्रित L2L^2 योज्य पदों के लिए हार्टमन–विंटनर) कहता है कि

    lim sup⁡n→∞Sn2nlog⁡log⁡n=1लगभग निश्चित\limsup_{n\to\infty}\frac{S_n} {\sqrt{2n\log\log n}} = 1 \quad\text{लगभग निश्चित}

    ठीक-ठीक समझाइए कि अभी सिद्ध किए गए उपानुक्रम आकलन को इस कथन के ऊपरी अर्ध भाग से क्या पृथक करता है (प्रत्येक खंड के भीतर max⁡nj≤n≤nj+1Sn\max_{n_j \leq n \leq n_{j+1}}S_n को नियंत्रित करना पड़ता है, जिसके लिए चरघातांकी मापक्रम पर कोई उच्चिष्ठ असमिका चाहिए) और मात्रात्मक रूप से जाँचिए कि प्रश्न 12 की असमिका उस प्रयोजन के लिए बहुत दुर्बल है। निचला अर्ध भाग स्वतंत्र खंडों पर लगाई गई दूसरी बोरेल–कांतेली प्रमेयिका पर टिका है; और दोनों अर्ध भाग किसी समर्पित प्रायिकता पाठ्यक्रम के लिए ईमानदार तृतीय वर्ष की सामग्री हैं।

  4. (किसी परिमित वर्ग पर एकसमान विचलन) मान लीजिए A1,…,ANA_1, \dots, A_N किसी पुनरावर्तनीय प्रयोग की घटनाएँ हैं, और प्रत्येक प्रायिकता का आकलन nn स्वतंत्र सम-बंटित पुनरावृत्तियों पर उसकी आनुभविक आवृत्ति p^i\hat p_i से किया जाता है। हॉफडिंग असमिका को संघ परिबंध के साथ मिलाकर दर्शाइए

    P(max⁡i≤N ∣p^i−P(Ai)∣>ε)  ≤  2N e−2nε2,\P\Bigl(\max_{i\leq N}\,\abs{\hat p_i - \P(A_i)} > \varepsilon\Bigr) \;\leq\; 2N\,\eu^{-2n\varepsilon^2},

    और प्रतिदर्श-आकार नियम निकालिए: n≥ln⁡(2N/δ)2ε2n \geq \frac{\ln(2N/\delta)}{2\varepsilon^2} इस बात की प्रत्याभूति देता है कि सभी NN आकलन एक साथ ≥1−δ\geq 1 - \delta प्रायिकता के साथ ε\varepsilon-यथार्थ हैं। N=106N = 10^6, ε=0.01\varepsilon = 0.01, δ=0.05\delta = 0.05 के लिए nn परिकलित कीजिए: अर्थात् एकसमानता की लघुगणकीय क़ीमत।

  5. (यादृच्छिक प्रसंवादी खिड़की) यादृच्छिक श्रेणी सिद्धांत के दोनों अर्ध भागों को मिलाकर दर्शाइए कि स्वतंत्र सम-बंटित चिह्नों (εn)(\varepsilon_n) के लिए श्रेणी ∑nεnnα\sum_n\frac{\varepsilon_n}{n^\alpha} लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होती है यदि α>12\alpha > \frac12 हो और लगभग निश्चित रूप से अपसारित होती है यदि α≤12\alpha \leq \frac12 हो; इसकी तुलना निरपेक्ष अभिसरण से कीजिए (जिसके लिए α>1\alpha > 1 चाहिए): खिड़की α∈(12, 1]\alpha \in \intoc{\frac12}1 पर अभिसरण वस्तुतः एक प्रायिकता-आधारित परिघटना है — निरसन, आकार नहीं।
हल

हल — समस्या 22.1.

1. Xn±X_n^{\pm} XnX_n के बोरेल फलन हैं: अतः वे युग्मशः स्वतंत्र (अभ्यास 22.3(क)) और सम-बंटित तथा समाकलनीय बने रहते हैं, और EX1=EX1+−EX1−\E X_1 = \E X_1^+ - \E X_1^-। यदि प्रमेय अऋणात्मक चरों के लिए सत्य हो, तो उसे दोनों अर्ध भागों पर लगाकर घटाइए: लगभग निश्चित रूप से Snn=Sn+n−Sn−n→EX1+−EX1−=m\frac{S_n}n = \frac{S_n^+}n - \frac{S_n^-}n \to \E X_1^+ - \E X_1^- = m।

2. P(Xn≠Yn)=P(Xn>n)=P(X1>n)\P(X_n \neq Y_n) = \P(X_n > n) = \P(X_1 > n) (सम बंटन नियम), और ∑nP(X1>n)≤∑nP(X1≥n)≤EX1<∞\sum_n\P(X_1 > n) \leq \sum_n\P(X_1 \geq n) \leq \E X_1 < \infty (अभ्यास 11.3(क))। बोरेल–कांतेली (1): लगभग निश्चित रूप से सभी बड़े nn के लिए Xn=YnX_n = Y_n, अतः Sn−Sn∗S_n - S_n^* nn में अंततः अचर है: इसलिए लगभग निश्चित रूप से Sn−Sn∗n→0\frac{S_n - S_n^*}n \to 0, और दोनों मानकीकृत योगों का अनंतस्पर्शी व्यवहार एक ही है।

3. X11X1≤n↗X1X_1\mathbf 1_{X_1 \leq n} \nearrow X_1: अतः एकदिष्ट अभिसरण प्रमेय EYn→m\E Y_n \to m देती है; और किसी अभिसारी अनुक्रम के चेज़ारो माध्य उसी सीमा की ओर अभिसरित होते हैं: ESn∗n=1n∑k≤nEYk→m\frac{\E S_n^*}n = \frac1n\sum_{k\leq n}\E Y_k \to m। अतः केवल लगभग निश्चित रूप से Sn∗−ESn∗n→0\frac{S^*_n - \E S^*_n}{n} \to 0 सिद्ध करना पर्याप्त है।

4. V(Yn)≤EYn2=E[X121X1≤n]\V(Y_n) \leq \E Y_n^2 = \E[X_1^2\mathbf 1_{X_1\leq n}]। श्रेणियों के लिए टोनेली से,

∑nE[X121X1≤n]n2=E[X12 ⁣ ⁣∑n≥max⁡(X1,1) ⁣1n2]≤E[X12⋅4max⁡(X1,1)]≤4 E[X1]<∞,\sum_n\frac{\E[X_1^2\mathbf 1_{X_1\leq n}]}{n^2} = \E\Bigl[X_1^2\!\!\sum_{n \geq \max(X_1, 1)}\!\frac1{n^2} \Bigr] \leq \E\Bigl[X_1^2\cdot\frac{4}{\max(X_1,1)}\Bigr] \leq 4\,\E[X_1] < \infty,

जिसमें x≥1x \geq 1 के लिए ∑n≥xn−2≤4x\sum_{n\geq x}n^{-2} \leq \frac4x का उपयोग हुआ (x≥2x \geq 2 के लिए: ≤1x−1≤2x\leq \frac1{x-1} \leq \frac2x; और 1≤x<21 \leq x < 2 के लिए: ≤π26≤4x\leq \frac{\pi^2}6 \leq \frac4x, क्योंकि 4x>2\frac4x > 2), तथा दोनों स्थितियों X1≷1X_1 \gtrless 1 में X12/max⁡(X1,1)≤X1X_1^2/\max(X_1, 1) \leq X_1।

5. युग्मशः स्वातंत्र्य से i≠ji \neq j के लिए E[(Yi−EYi)(Yj−EYj)]=0\E[(Y_i - \E Y_i)(Y_j - \E Y_j)] = 0 (दो चरों वाला गुणनफल सूत्र), अतः प्रसरण जुड़ जाते हैं: V(Sk∗)=∑n≤kV(Yn)\V(S^*_k) = \sum_{n\leq k}\V(Y_n)। प्रत्येक kjk_j पर चेबिशेव लगाकर योग लीजिए:

∑jP(∣Skj∗−ESkj∗∣≥εkj)≤1ε2∑j1kj2∑n≤kjV(Yn)=1ε2∑nV(Yn) ⁣ ⁣∑j:kj≥n ⁣1kj2\sum_j\P\Bigl(\abs{S^*_{k_j} - \E S^*_{k_j}} \geq \varepsilon k_j\Bigr) \leq \frac1{\varepsilon^2}\sum_j\frac1{k_j^2}\sum_{n\leq k_j}\V(Y_n) = \frac1{\varepsilon^2}\sum_n\V(Y_n)\!\!\sum_{j : k_j\geq n}\!\frac1{k_j^2}

(अऋणात्मक द्विक श्रेणी के लिए टोनेली)।

6. kj=⌊αj⌋≥αj2k_j = \lfloor\alpha^j\rfloor \geq \frac{\alpha^j}2 (यह αj≥1\alpha^j \geq 1 होते ही वैध है, अर्थात् सभी j≥0j \geq 0 के लिए: x≥1x \geq 1 पर ⌊x⌋≥x2\lfloor x\rfloor \geq \frac x2)। अतः

∑j:kj≥n1kj2≤4∑j:αj≥nα−2j≤41−α−2⋅1n2=Cαn2,\sum_{j : k_j \geq n}\frac1{k_j^2} \leq 4\sum_{j : \alpha^j \geq n}\alpha^{-2j} \leq \frac{4}{1 - \alpha^{-2}}\cdot\frac1{n^2} = \frac{C_\alpha}{n^2},

(αj≥n\alpha^j \geq n वाले पहले jj से आरंभ होती ज्यामितीय श्रेणी)। प्रश्न 4–5 के साथ मिलाने पर द्विक योग परिमित है; और प्रत्येक परिमेय ε\varepsilon के लिए लगाई गई तथा सर्वनिष्ठ ली गई बोरेल–कांतेली (1) लगभग निश्चित रूप से Skj∗−ESkj∗kj→0\frac{S^*_{k_j} - \E S^*_{k_j}}{k_j} \to 0 दे देती है, और प्रश्न 3 के साथ: लगभग निश्चित रूप से Skj∗kj→m\frac{S^*_{k_j}}{k_j} \to m।

7. Yn≥0Y_n \geq 0 से n↦Sn∗n \mapsto S^*_n अवघटमान हो जाता है: अतः kj≤n≤kj+1k_j \leq n \leq k_{j+1} के लिए

Skj∗kj+1≤Sn∗n≤Skj+1∗kj,\frac{S^*_{k_j}}{k_{j+1}} \leq \frac{S^*_n}{n} \leq \frac{S^*_{k_{j+1}}}{k_j},

जो kjkj+1\frac{k_j}{k_{j+1}} और kj+1kj\frac{k_{j+1}}{k_j} अंतर्निविष्ट करने के बाद कथित सैंडविच ही है। चूँकि kj+1kj→α\frac{k_{j+1}}{k_j} \to \alpha, इसलिए प्रश्न 6 लगभग निश्चित रूप से यह दे देता है:

mα≤lim inf⁡nSn∗n≤lim sup⁡nSn∗n≤αm.\frac m\alpha \leq \liminf_n\frac{S^*_n}n \leq \limsup_n\frac{S^*_n}n \leq \alpha m .

8. प्रश्न 7 को α=1+1p\alpha = 1 + \frac1p, p∈N∗p \in \N^* के लिए लगाइए: गणनीय संख्या की प्रायिकता-एक घटनाएँ; उनके सर्वनिष्ठ पर p→∞p \to \infty लेने से लगभग निश्चित रूप से lim⁡Sn∗n=m\lim\frac{S^*_n}n = m। प्रश्न 1–3 के साथ, लगभग निश्चित रूप से Snn→EX1\frac{S_n}n \to \E X_1: अर्थात् युग्मशः स्वातंत्र्य के अंतर्गत बृहत् संख्याओं का प्रबल नियम।

9. स्वातंत्र्य-प्रकार की परिकल्पनाएँ तीन बार आईं: (1) प्रसरणों की योज्यता (प्रश्न 5) — यहाँ युग्मशः पर्याप्त है; (2) सम बंटन, कर्तन वाले योगों में (प्रश्न 2) और माध्य के परिकलन में (प्रश्न 3) — यहाँ स्वातंत्र्य लगा ही नहीं; (3) बोरेल–कांतेली (1) (प्रश्न 2 और 6) — यह किसी भी स्वातंत्र्य के बिना वैध है। पूर्ण पारस्परिक स्वातंत्र्य कभी लगाया ही नहीं गया: यही एतेमादी का प्रेक्षण है।

10. कोई आधार bb और कोई अंक rr स्थिर कीजिए। किसी एकसमान ω\omega के आधार-bb अंक (dk)(d_k) {0,…,b−1}\{0, \dots, b-1\} पर स्वतंत्र सम-बंटित एकसमान हैं (अंक-सदिश का प्रत्येक मान लंबाई b−mb^{-m} का अंतराल घेरता है: यह प्रमेय 22.6 का तर्क शब्दशः है)। स्वतंत्र सम-बंटित परिबद्ध चरों 1dk=r\mathbf 1_{d_k = r} पर लगाया गया प्रबल नियम देता है: लगभग निश्चित रूप से अंक rr की आवृत्ति 1b\frac1b की ओर जाती है। गणनीय संख्या के युग्मों (b,r)(b, r) पर सर्वनिष्ठ लेने पर: लगभग प्रत्येक संख्या प्रत्येक आधार में सरल रूप से सामान्य है। कोई स्पष्ट असामान्य संख्या: x=0.100100100…2x = 0.100100100\ldots_2 (एकों की आवृत्ति 13≠12\frac13 \neq \frac12)। यह विरोधाभास नम्र कर देने वाला है: लगभग सभी संख्याएँ सामान्य हैं, फिर भी 2\sqrt2, e\eu या π\pi के लिए सामान्यता आज भी असिद्ध है — माप सिद्धांत प्रस्तुत किए बिना गिन लेता है।

11. अभ्यास 22.10 को दोहराने पर एक ही एकसमान चर से [0, 1]d\intcc01^d पर स्वतंत्र सम-बंटित एकसमान सदिशों UkU_k का अनुक्रम मिल जाता है (प्रमेय 22.6 के प्रत्येक UnU_n के अंक-समुच्चय को dd उपकुलों में बाँटिए)। g∈L1([0, 1]d)g \in L^1(\intcc01^d) के लिए चर g(Uk)g(U_k) स्वतंत्र सम-बंटित और समाकलनीय हैं, जिनका माध्य ∫g  ⁣dλd\int g\,\dd\lambda_d है (अंतरण): अतः प्रबल नियम देता है

1n∑k=1ng(Uk)→n→∞लगभग निश्चित∫[0, 1]dg  ⁣dλd:\frac1n\sum_{k=1}^ng(U_k) \xrightarrow[n\to\infty]{\text{लगभग निश्चित}} \int_{\intcc01^d}g\,\dd\lambda_d :

अर्थात् मोंते कार्लो समाकलन प्रत्येक विमा में लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होता है — त्रुटि का आकार केंद्रीय सीमा प्रमेय (अध्याय 23) का विषय है।

12. मान लीजिए Ak={∣Sk∣≥ε}∩⋂j<k{∣Sj∣<ε}A_k = \{\abs{S_k} \geq \varepsilon\} \cap \bigcap_{j<k}\{\abs{S_j} < \varepsilon\}: ये AkA_k असंयुक्त हैं और उनका सम्मिलन A={max⁡k≤n∣Sk∣≥ε}A = \{\max_{k\leq n}\abs{S_k} \geq \varepsilon\} है। तब

ESn2≥∑k=1nE[Sn21Ak]=∑k=1nE[(Sk2+2Sk(Sn−Sk)+(Sn−Sk)2)1Ak]≥∑k=1nE[Sk21Ak],\E S_n^2 \geq \sum_{k=1}^n\E\bigl[S_n^2\mathbf 1_{A_k}\bigr] = \sum_{k=1}^n\E\Bigl[\bigl(S_k^2 + 2S_k(S_n - S_k) + (S_n - S_k)^2\bigr)\mathbf 1_{A_k}\Bigr] \geq \sum_{k=1}^n\E\bigl[S_k^2\mathbf 1_{A_k}\bigr],

क्योंकि मिश्रित पद लुप्त हो जाता है: Sk1AkS_k\mathbf 1_{A_k} गुट (Z1,…,Zk)(Z_1, \dots, Z_k) का बोरेल फलन है, जो (Zk+1,…,Zn)(Z_{k+1}, \dots, Z_n) के फलन Sn−SkS_n - S_k से स्वतंत्र है (प्रमेय 22.5), अतः E[Sk1Ak(Sn−Sk)]=E[Sk1Ak] E[Sn−Sk]=0\E[S_k\mathbf 1_{A_k}(S_n - S_k)] = \E[S_k\mathbf 1_{A_k}]\,\E[S_n - S_k] = 0। AkA_k पर Sk2≥ε2S_k^2 \geq \varepsilon^2, जिससे ESn2≥ε2∑kP(Ak)=ε2P(A)\E S_n^2 \geq \varepsilon^2\sum_k\P(A_k) = \varepsilon^2\P(A); और ESn2=∑k≤nV(Zk)\E S_n^2 = \sum_{k\leq n}\V(Z_k) (प्रसरण जुड़ते हैं)। निर्णायक चरण गुणनखंडन है: Sk1AkS_k\mathbf 1_{A_k} समूचे पहले खंड का एक अरैखिक फलन है, और दूसरे खंड से उसका स्वातंत्र्य गुट-स्वातंत्र्य है — ZiZ_i का युग्मशः स्वातंत्र्य केवल युग्मों का सहसंबंध मिटाता है और इसे उचित नहीं ठहरा पाता।

13. NN स्थिर कीजिए और प्रश्न 12 को ZN+1,…,ZN+mZ_{N+1}, \dots, Z_{N+m} पर लगाइए:

P(max⁡N<k≤N+m∣Sk−SN∣>ε)≤1ε2∑j=N+1N+mV(Zj)≤rNε2,rN=∑j>NV(Zj).\P\Bigl(\max_{N < k \leq N+m}\abs{S_k - S_N} > \varepsilon\Bigr) \leq \frac1{\varepsilon^2}\sum_{j=N+1}^{N+m}\V(Z_j) \leq \frac{r_N}{\varepsilon^2}, \qquad r_N = \sum_{j>N}\V(Z_j) .

ये घटनाएँ mm के साथ बढ़ती हैं; नीचे से सांतत्य P(sup⁡k>N∣Sk−SN∣>ε)≤rN/ε2\P(\sup_{k>N}\abs{S_k - S_N} > \varepsilon) \leq r_N/\varepsilon^2 दे देता है, और परिकल्पना से rN→0r_N \to 0। अतः प्रत्येक p∈N∗p \in \N^* के लिए P(⋂N{sup⁡k>N∣Sk−SN∣>1p})≤inf⁡Np2rN=0\P\bigl(\bigcap_N\{\sup_{k>N} \abs{S_k - S_N} > \frac1p\}\bigr) \leq \inf_Np^2r_N = 0: अर्थात् लगभग निश्चित रूप से प्रत्येक pp के लिए कोई ऐसा NN है जिसके साथ sup⁡k>N∣Sk−SN∣≤1p\sup_{k>N}\abs{S_k - S_N} \leq \frac1p (pp पर गणनीय संख्या की प्रायिकता-एक घटनाओं का सर्वनिष्ठ लीजिए), ताकि सभी k,l>Nk, l > N के लिए ∣Sk−Sl∣≤2p\abs{S_k - S_l} \leq \frac2p: अर्थात् आंशिक योग लगभग निश्चित रूप से कोशी हैं, इसलिए लगभग निश्चित रूप से अभिसारी।

14. चर Zn=xnεnZ_n = x_n\varepsilon_n स्वतंत्र हैं (स्वतंत्र चरों के बोरेल फलन, अभ्यास 22.3(क)), केंद्रित हैं, और V(Zn)=xn2\V(Z_n) = x_n^2: अतः ∑nxn2<∞\sum_nx_n^2 < \infty होने पर प्रश्न 13 लागू होता है और लगभग निश्चित अभिसरण दे देता है। व्यापक स्थिति में, प्रत्येक NN के लिए ∑nxnεn\sum_nx_n\varepsilon_n का अभिसरण ε1,…,εN\varepsilon_1, \dots, \varepsilon_N के मानों से अप्रभावित रहता है: अतः अभिसरण की घटना स्वतंत्र अनुक्रम (εn)(\varepsilon_n) के पुच्छ σ\sigma-बीजगणित में है, इसलिए कोल्मोगोरोव का शून्य–एक नियम (प्रमेय 22.9) उसकी प्रायिकता को 00 या 11 होने पर विवश कर देता है।

15. (क) स्तर θEZ\theta\E Z पर विभाजन करके ऊपरी टुकड़े पर कोशी–श्वार्ज़ लगाने से,

EZ=E[Z1Z≤θEZ]+E[Z1Z>θEZ]≤θ EZ+EZ2 P(Z>θEZ),\E Z = \E\bigl[Z\mathbf 1_{Z \leq \theta\E Z}\bigr] + \E\bigl[Z\mathbf 1_{Z > \theta\E Z}\bigr] \leq \theta\,\E Z + \sqrt{\E Z^2}\, \sqrt{\P(Z > \theta\E Z)} ,

अतः (1−θ)EZ≤EZ2 P(Z>θEZ)(1 - \theta)\E Z \leq \sqrt{\E Z^2\,\P(Z > \theta\E Z)}; अब वर्ग कीजिए। (ख) Tn4=∑i,j,k,lxixjxkxl E[εiεjεkεl]T_n^4 = \sum_{i,j,k,l}x_ix_jx_kx_l\, \E[\varepsilon_i\varepsilon_j\varepsilon_k\varepsilon_l] का प्रसार कीजिए: प्रत्याशा तब 11 है जब सूचकांक युग्मों में बँट जाएँ (चारों बराबर, अथवा दो भिन्न युग्म, जो 33 प्रकार से सज सकते हैं) और अन्यथा 00 (कोई अयुग्मित चिह्न शून्य माध्य का होता है और स्वातंत्र्य से बाहर निकल आता है)। अतः

ETn4=∑kxk4+3∑i≠jxi2xj2=3sn4−2∑kxk4≤3sn4.\E T_n^4 = \sum_kx_k^4 + 3\sum_{i\neq j}x_i^2x_j^2 = 3s_n^4 - 2\sum_kx_k^4 \leq 3s_n^4 .

(ग) Z=Tn2Z = T_n^2, EZ=sn2\E Z = s_n^2, θ=14\theta = \frac14 के साथ पेली–ज़िगमुंड:

P(∣Tn∣>sn2)=P(Tn2>sn24)≥(34)2sn43sn4=316.\P\Bigl(\abs{T_n} > \frac{s_n}2\Bigr) = \P\Bigl(T_n^2 > \frac{s_n^2}4\Bigr) \geq \Bigl(\frac34\Bigr)^2 \frac{s_n^4}{3s_n^4} = \frac3{16} .

यदि श्रेणी धनात्मक प्रायिकता के साथ अभिसरित होती, तो वह लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होती (प्रश्न 14), अतः लगभग निश्चित रूप से sup⁡n∣Tn∣<∞\sup_n\abs{T_n} < \infty, और कोई MM P(sup⁡n∣Tn∣>M)<316\P(\sup_n\abs{T_n} > M) < \frac3{16} संतुष्ट करता; पर sn>2Ms_n > 2M होते ही P(∣Tn∣>M)≥P(∣Tn∣>sn2)≥316\P(\abs{T_n} > M) \geq \P(\abs{T_n} > \frac{s_n}2) \geq \frac3{16}: विरोधाभास। अतः अपसरण लगभग निश्चित है, और प्रश्न 14 के साथ द्विभाजन पूर्ण हो जाता है।

16. यहाँ xn=n−sx_n = n^{-s} है और ∑nn−2s<∞\sum_nn^{-2s} < \infty ठीक तब जब s>12s > \frac12: अतः प्रश्न 14–15 से ∑nεnns\sum_n\frac{\varepsilon_n}{n^s} लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होती है तभी और केवल तभी जब s>12s > \frac12 हो (s≤12s \leq \frac12 के लिए लगभग निश्चित अपसरण)। 12<s≤1\frac12 < s \leq 1 के लिए यह अभिसरण कभी निरपेक्ष नहीं होता। तुलना शिक्षाप्रद है: पूर्णतः एकांतर चिह्न प्रत्येक s>0s > 0 पर सामर्थ्य n−sn^{-s} के साथ निरसन कर देते हैं, जबकि प्रारूपिक यादृच्छिक चिह्न केवल वर्गमूल-सामर्थ्य पर निरसन करते हैं — प्रश्न 21 का यादृच्छिक भ्रमण n\sqrt n की भाँति बढ़ता है, और आबेल योगीकरण ठीक उसी वृद्धि को s>12s > \frac12 पर ∑εnn−s\sum\varepsilon_nn^{-s} के अभिसरण में बदल देता है।

17. (क) cosh⁡λ=∑kλ2k(2k)!\cosh\lambda = \sum_k\frac{\lambda^{2k}}{(2k)!} और eλ2/2=∑kλ2k2kk!\eu^{\lambda^2/2} = \sum_k\frac{\lambda^{2k}}{2^kk!}; और (2k)!≥2kk!(2k)! \geq 2^kk! पदशः लागू होता है, क्योंकि (2k)!k!=∏i=1k(k+i)≥∏i=1k(2i)=2kk!\frac{(2k)!}{k!} = \prod_{i=1}^k(k + i) \geq \prod_{i=1}^k(2i) = 2^kk! (प्रत्येक गुणनखंड i≤ki \leq k पर k+i≥2ik + i \geq 2i संतुष्ट करता है), जिससे वस्तुतः (2k)!≥2k(k!)2≥2kk!(2k)! \geq 2^k(k!)^2 \geq 2^kk!। (ख) ध्यान दीजिए कि a≤0≤ba \leq 0 \leq b (ZZ केंद्रित है), और z↦eλzz \mapsto \eu^{\lambda z} की उत्तलता से, z∈[a, b]z \in \intcc ab के लिए:

eλz≤b−zb−a eλa+z−ab−a eλb,अतःE eλZ≤b eλa−a eλbb−a=(1−p)e−pt+p e(1−p)t=eφ(t)\eu^{\lambda z} \leq \frac{b - z}{b - a}\,\eu^{\lambda a} + \frac{z - a}{b - a}\,\eu^{\lambda b}, \qquad\text{अतः}\qquad \E\,\eu^{\lambda Z} \leq \frac{b\,\eu^{\lambda a} - a\,\eu^{\lambda b}}{b - a} = (1 - p)\eu^{-pt} + p\,\eu^{(1-p)t} = \eu^{\varphi(t)}

जहाँ p=−ab−a∈[0, 1]p = \frac{-a}{b-a} \in \intcc01, t=λ(b−a)t = \lambda(b - a), φ(t)=−pt+log⁡(1−p+pet)\varphi(t) = -pt + \log(1 - p + p\eu^t)। तब φ(0)=0\varphi(0) = 0, φ′(t)=−p+pet1−p+pet\varphi'(t) = -p + \frac{p\eu^t}{1 - p + p\eu^t} 00 पर लुप्त हो जाता है, और ρ=pet1−p+pet∈[0, 1]\rho = \frac{p\eu^t}{1 - p + p\eu^t} \in \intcc01 के साथ φ′′(t)=ρ(1−ρ)≤14\varphi''(t) = \rho(1 - \rho) \leq \frac14: अतः कोटि 22 पर टेलर φ(t)≤t28=λ2(b−a)28\varphi(t) \leq \frac{t^2}8 = \frac{\lambda^2(b-a)^2}8 दे देता है।

18. λ>0\lambda > 0 के लिए धनात्मक चर eλ(Sn−ESn)\eu^{\lambda(S_n - \E S_n)} पर लगाई गई मार्कोव (प्रतिज्ञप्ति 22.3) और स्वतंत्र चरों का गुणनफल सूत्र देते हैं

P(Sn−ESn≥t)≤e−λt∏i=1nE eλ(Xi−EXi)≤exp⁡(−λt+λ28∑i(bi−ai)2),\P(S_n - \E S_n \geq t) \leq \eu^{-\lambda t}\prod_{i=1}^n\E\,\eu^{\lambda(X_i - \E X_i)} \leq \exp\Bigl(-\lambda t + \frac{\lambda^2}8\sum_i(b_i - a_i)^2\Bigr),

जो प्रत्येक केंद्रित Xi−EXi∈[ai−EXi, bi−EXi]X_i - \E X_i \in \intcc{a_i - \E X_i}{b_i - \E X_i} (चौड़ाई वही) पर लगाए गए प्रश्न 17(ख) से मिलता है। D=∑i(bi−ai)2D = \sum_i(b_i - a_i)^2 के साथ घातांक को λ=4tD\lambda = \frac{4t}{D} पर न्यूनतम करने से −2t2D-\frac{2t^2}D मिलता है। अधःपुच्छ के लिए वही परिणाम (−Xi)(-X_i) पर लगाइए।

19. t=nεt = n\varepsilon और D=n(b−a)2D = n(b - a)^2 लीजिए:

P(∣Snn−m∣≥ε)≤2exp⁡(−2n2ε2n(b−a)2)=2exp⁡(−2nε2(b−a)2),\P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n}n - m\Bigr| \geq \varepsilon\Bigr) \leq 2\exp\Bigl(\frac{-2n^2\varepsilon^2}{n(b-a)^2}\Bigr) = 2\exp\Bigl(\frac{-2n\varepsilon^2}{(b-a)^2}\Bigr),

जिसका nn में योग परिमित है (ज्यामितीय-प्रकार की श्रेणी): अतः बोरेल–कांतेली (प्रमेय 22.8) से लगभग निश्चित रूप से अंततः ∣Snn−m∣<ε\abs{\frac{S_n}n - m} < \varepsilon; और ε=1p\varepsilon = \frac1p पर सर्वनिष्ठ लेने से लगभग निश्चित रूप से Snn→m\frac{S_n}n \to m। तुलना: एतेमादी केवल X1∈L1X_1 \in L^1 और युग्मशः स्वातंत्र्य माँगते हैं, पर कोई दर नहीं देते; हॉफडिंग परिबद्धता और पूर्ण स्वातंत्र्य माँगती है, और प्रत्येक परिमित nn पर स्पष्ट चरघातांकी प्रत्याभूति दे देती है — दोनों प्रमेयें एक ही सीमा के बारे में भिन्न प्रश्नों का उत्तर देती हैं।

20. g(Uk)g(U_k) स्वतंत्र सम-बंटित हैं, [0, 1]\intcc01 में मान लेते हैं और उनका माध्य ∫g  ⁣dλd\int g\,\dd\lambda_d है (अंतरण), अतः bi−ai=1b_i - a_i = 1, t=nεt = n\varepsilon के साथ प्रश्न 18 द्विपार्श्व परिबंध देता है, और 2e−2nε2≤δ2\eu^{-2n\varepsilon^2} \leq \delta तभी होता है जब e2nε2≥2δ\eu^{2n\varepsilon^2} \geq \frac2\delta, अर्थात् n≥log⁡(2/δ)2ε2n \geq \frac{\log(2/\delta)}{2\varepsilon^2}। ε=δ=10−2\varepsilon = \delta = 10^{-2} के लिए:

n≥log⁡2002⋅10−4=5.2983…0.0002≈26 492:n \geq \frac{\log 200}{2\cdot10^{-4}} = \frac{5.2983\ldots}{0.0002} \approx 26\,492 :

अर्थात् लगभग 26 50026\,500 प्रतिदर्श 99%99\% विश्वास के साथ 1%1\% यथार्थता की प्रत्याभूति दे देते हैं — प्रत्येक विमा dd में, और [0, 1]\intcc01 में मान लेने वाले प्रत्येक मापनीय समाकल्य के लिए। प्रश्न 11 का प्रबल नियम अभिसरण का वचन तो देता था पर परिमित nn पर कोई प्रत्याभूति नहीं; और प्रति अक्ष kk बिंदुओं वाला कोई नियतांकी जालक kdk^d मूल्यांकन माँगता है, जो dd में चरघातांकी है। संकेंद्रण ही मोंते कार्लो को आशा के बजाय विधि बनाता है।

21. स्वातंत्र्य और गुणनफल सूत्र: प्रश्न 17(क) से E eλSn=(E eλε1)n=(cosh⁡λ)n≤enλ2/2\E\,\eu^{\lambda S_n} = (\E\,\eu^{\lambda\varepsilon_1})^n = (\cosh\lambda)^n \leq \eu^{n\lambda^2/2}। eλSn\eu^{\lambda S_n} पर मार्कोव:

P(Sn≥x)≤e−λx+nλ2/2=e−x2/(2n)अनुकूलतम λ=xn पर,\P(S_n \geq x) \leq \eu^{-\lambda x + n\lambda^2/2} = \eu^{-x^2/(2n)} \qquad\text{अनुकूलतम } \lambda = \frac xn \text{ पर},

और −Sn-S_n के लिए सममित परिबंध (वही बंटन नियम) ∣Sn∣\abs{S_n} वाले अचर को दुगुना कर देता है।

22. η>0\eta > 0 स्थिर कीजिए और n≥2n \geq 2 के लिए xn=(1+η)2nlog⁡nx_n = (1 + \eta)\sqrt{2n\log n} रखिए:

P(∣Sn∣≥xn)≤2exp⁡(−(1+η)2log⁡n)=2n(1+η)2,\P(\abs{S_n} \geq x_n) \leq 2\exp\bigl(-(1 + \eta)^2\log n\bigr) = \frac{2}{n^{(1+\eta)^2}},

जिसका योग परिमित है, क्योंकि (1+η)2>1(1 + \eta)^2 > 1। बोरेल–कांतेली: लगभग निश्चित रूप से सभी बड़े nn के लिए ∣Sn∣<(1+η)2nlog⁡n\abs{S_n} < (1 + \eta)\sqrt{2n\log n}, अतः लगभग निश्चित रूप से lim sup⁡n∣Sn∣2nlog⁡n≤1+η\limsup_n\frac{\abs{S_n}}{\sqrt{2n\log n}} \leq 1 + \eta; और η=1p\eta = \frac1p, p∈N∗p \in \N^* वाली प्रायिकता-एक घटनाओं का सर्वनिष्ठ लेने से कथन सिद्ध हो जाता है। आकार nn के भ्रमण का प्रारूपिक आयाम n\sqrt n (उसका प्रसरण) है, और उसके निकृष्टतम उत्क्रमण भी उस मापक्रम से अधिक से अधिक 2log⁡n\sqrt{2\log n} गुना ही आगे जाते हैं।

23. nj=2jn_j = 2^j और x=(1+η)2njlog⁡log⁡njx = (1 + \eta)\sqrt{2n_j\log\log n_j} (j≥2j \geq 2 के लिए परिभाषित) के साथ प्रश्न 21 देता है

P(Snj≥x)≤exp⁡(−(1+η)2log⁡log⁡nj)=(jlog⁡2)−(1+η)2,\P\bigl(S_{n_j} \geq x\bigr) \leq \exp\bigl(-(1 + \eta)^2\log\log n_j\bigr) = (j\log 2)^{-(1+\eta)^2},

जिसका jj में योग परिमित है, क्योंकि (1+η)2>1(1 + \eta)^2 > 1: अतः बोरेल–कांतेली और η=1p\eta = \frac1p लगभग निश्चित रूप से lim sup⁡jSnj/2njlog⁡log⁡nj≤1\limsup_jS_{n_j}/\sqrt{2n_j \log\log n_j} \leq 1 दे देते हैं। पूरे ऊपरी अर्ध भाग के लिए जो शेष है वह जाँच-बिंदुओं के बीच का सेतु है: दिखाना पड़ता है कि max⁡nj≤n≤nj+1Sn\max_{n_j\leq n\leq n_{j+1}}S_n (1+η)2njlog⁡log⁡nj(1+\eta)\sqrt{2n_j\log\log n_j} को परिमित बार ही पार करता है, जिसके लिए गाउसीय पुच्छों वाली कोई उच्चिष्ठ असमिका चाहिए (लेवी की परावर्तन असमिका अथवा ओत्तावियानी की असमिका, जो यहाँ सिद्ध नहीं की गईं)। प्रश्न 12 मात्रात्मक रूप से बहुत दुर्बल है: वह प्रायिकता को

nj(1+η)2 2njlog⁡log⁡nj=12(1+η)2log⁡(jlog⁡2),\frac{n_j}{(1+\eta)^2\,2n_j\log\log n_j} = \frac{1}{2(1+\eta)^2\log(j\log2)},

से परिबद्ध करता है, जो 00 की ओर तो जाता है पर jj में योग्य नहीं है: अतः बोरेल–कांतेली निष्कर्ष नहीं निकाल सकती। पुनरावृत्त लघुगणक के नियम का निचला अर्ध भाग दूसरी बोरेल–कांतेली प्रमेयिका को स्वतंत्र वृद्धियों Snj+1−SnjS_{n_{j+1}} - S_{n_j} पर लगाता है, और उसके लिए गाउसीय-प्रकार के पुच्छों के सुमेलित निचले परिबंध चाहिए। दोनों परिष्कार ईमानदार तृतीय वर्ष की प्रायिकता हैं, एक पाठ्यक्रम और आगे; और यह समस्या बिना सहायता के जो देती है वह ज्यामितीय समयों के अनुदिश पुनरावृत्त-लघुगणक का ठीक-ठीक मापक्रम है।

24. प्रत्येक p^i\hat p_i [0, 1]\intcc01 में मान लेने वाले और माध्य P(Ai)\P(A_i) वाले nn स्वतंत्र सम-बंटित सूचक चरों का औसत है: अतः हॉफडिंग P(∣p^i−P(Ai)∣>ε)≤2e−2nε2\P(\abs{\hat p_i - \P(A_i)} > \varepsilon) \leq 2\eu^{-2n\varepsilon^2} देती है। संघ परिबंध इसे NN से गुणा कर देता है। 2Ne−2nε2≤δ2N\eu^{-2n\varepsilon^2} \leq \delta हल कीजिए: n≥ln⁡(2N/δ)2ε2n \geq \frac{\ln(2N/\delta)}{2\varepsilon^2}। संख्यात्मक रूप से: ln⁡2⋅1060.05=ln⁡(4⋅107)≈17.5\ln\frac{2\cdot10^6}{0.05} = \ln(4\cdot10^7) \approx 17.5, अतः n≥17.52⋅10−4≈87 600n \geq \frac{17.5}{2\cdot10^{-4}} \approx 87\,600: अर्थात् एक प्रायिकता का ±1%\pm1\% तक आकलन लगभग 18 50018\,500 प्रतिदर्श माँगता है (ln⁡(2/δ)/2ε2\ln(2/\delta)/2\varepsilon^2), और दस लाख प्रायिकताओं का आकलन केवल ≈4.7\approx 4.7 गुना अधिक — एकसमानता की क़ीमत ln⁡N\ln N है, NN नहीं: यही वह प्रेक्षण है जो आनुभविक जोखिम न्यूनीकरण को, और उसके साथ यंत्र अधिगम को, सांख्यिकीय रूप से संभव बनाता है।

25. चर Xn=εnnαX_n = \frac{\varepsilon_n} {n^\alpha} स्वतंत्र, केंद्रित और परिबद्ध हैं, जिनके लिए ∑nV(Xn)=∑nn−2α\sum_n\V(X_n) = \sum_nn^{-2\alpha}। यदि α>12\alpha > \frac12: तो प्रसरण श्रेणी अभिसरित होती है, और एक-श्रेणी प्रमेय (भाग VI) ∑Xn\sum X_n का लगभग निश्चित अभिसरण दे देती है। यदि α≤12\alpha \leq \frac12: तो प्रसरण श्रेणी अपसरित होती है, और विलोम अर्ध भाग (भाग VI का पेली–ज़िगमुंड तर्क, जो लागू है क्योंकि योज्य पद 11 से परिबद्ध हैं) लगभग निश्चित अपसरण दे देता है। निरपेक्ष अभिसरण ∑n−α<∞\sum n^{-\alpha} < \infty माँगता है: अर्थात् α>1\alpha > 1। (12, 1]\intoc{\frac12}1 पर श्रेणी लगभग निश्चित रूप से अभिसरित होती है जबकि ∑∣Xn∣=∞\sum\abs{X_n} = \infty निश्चित रूप से: चिह्न प्रायिकता एक के साथ निरसन का षड्यंत्र रच लेते हैं — अर्थात् निरसन से अभिसरण, जो किसी भी निरपेक्ष कसौटी को अदृश्य है, और (शून्य–एक नियम से) फिर भी नियतांकी निर्णय के साथ।

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