Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Bachelor Year 3
23Karakteristieke functies en de centrale limietstelling
De wet van de grote aantallen zegt dat gemiddelden convergeren; de centrale limietstelling zegt hoe ze schommelen: de fout, met uitvergroot, is asymptotisch gaussisch — wat de verdeling ook is waarvan je vertrok. Die universaliteit is het diepste feit van de elementaire kansrekening, en haar natuurlijke bewijs is fourieranalytisch: de karakteristieke functie (de fouriergetransformeerde van een verdeling) zet onafhankelijke sommen om in producten, en de machinerie van Hoofdstuk 14 — injectiviteit, gaussische vaste punten — zet de puntsgewijze convergentie van die producten om in convergentie van verdelingen (de stelling van Lévy, voluit bewezen). Het hoofdstuk eindigt met gaussische vectoren en de eerlijke afleiding van de betrouwbaarheidsintervallen die overal in de statistiek worden gebruikt; de weekendopgave geeft het tweede bewijs van de centrale limietstelling, van Lindeberg, met een expliciete foutsnelheid.
23.1 Karakteristieke functies
Definitie 23.1
De karakteristieke functie van een reële toevalsveranderlijke is
(de overdrachtsformule berekent haar uit de verdeling; voor een dichtheid is in de afspraak van Hoofdstuk 14).
Propositie 23.2
(a) , , en is uniform continu; en . (b) Zijn onafhankelijk, dan is . (c) Is , dan is met voor ; in het bijzonder is voor gecentreerde met variantie
(d) Gaussisch: heeft .
Bewijs. (a) De grenzen zijn onmiddellijk; continuïteit: als volgens de gedomineerde convergentie, uniform in . De affiene regel is een substitutie. (b) , en verwachtingswaarden van producten van onafhankelijke veranderlijken ontbinden (Stelling 22.5, toegepast op het reële en het imaginaire deel). (c) Differentiëren onder de verwachtingswaarde, gedomineerd door (Stelling 10.15); de taylorontwikkeling in is dan Taylor–Young voor de -functie . (d) Voor : de gaussische getransformeerde (Voorbeeld 14.2 met ) geeft ; het algemene geval met de affiene regel. ∎
Stelling 23.3 (Injectiviteit)
Is , dan hebben en dezelfde verdeling. Preciezer: voor onafhankelijk van en heeft de gladgestreken veranderlijke de dichtheid
die enkel door wordt bepaald; laten gaan wint de verdeling van terug.
Bewijs. heeft de dichtheid , met de dichtheid van : inderdaad geven voor borel de onafhankelijkheid en Tonelli (substitueer, dan opnieuw Tonelli). met de fourierinversie van haar getransformeerde schrijven (Oefening 14.4, herschaald): , en Fubini (alles gedomineerd door de gaussische factor):
een functionaal van enkel . Is , dan hebben en voor elke dezelfde verdeling; voor begrensde continue is als (gedomineerde convergentie, want puntsgewijs op de productruimte), dus voor al zulke — en dat legt de verdeling vast: klem voor elke tussen de begrensde continue hellingen (gelijk aan op , aan voorbij , affien ertussen); naar de limiet gaan in geeft in elk punt waar beide continu zijn, en dus overal wegens de rechtscontinuïteit en de dichtheid van de gemeenschappelijke continuïteitspunten (beide ’s hebben aftelbaar veel sprongen); gelijke verdelingsfuncties dwingen gelijke verdelingen af (Oefening 9.3, steunend op Stelling 9.7). ∎
23.2 Convergentie in verdeling
Definitie 23.4
convergeert in verdeling naar , genoteerd , als
Gelijkwaardig (Oefening 23.4): in elk continuïteitspunt van . De hoeven niet op een gemeenschappelijke kansruimte te leven: enkel de verdelingen tellen.
Stelling 23.5 (Selectiestelling van Helly)
Elke rij verdelingsfuncties heeft een deelrij die in elk continuïteitspunt van de limiet puntsgewijs convergeert naar een niet-dalende rechtscontinue — mogelijk met (er kan massa naar oneindig ontsnappen).
Bewijs. Een diagonaalextractie geeft voor elke rationale (waarden in de compacte ). Definieer : niet-dalend en rechtscontinu (een infimum over krimpende rationale omgevingen van rechts). In een continuïteitspunt van is voor rationale
wegens de monotonie van elke . Uit de definitie van als infimum en de monotonie van op de rationale getallen: zodra . Met geeft dat , en ; laat en gaan: de continuïteit van in klemt zowel de als de tot . ∎
Lemma 23.6 (Gespannenheid uit de karakteristieke functie)
Voor elke toevalsveranderlijke en is
Bewijs. Met Tonelli–Fubini (begrensde integrand, eindig gebied in ):
(vat het haakje in op als zijn limiet ). De integrand is niet-negatief (), en voor is . Enkel de gebeurtenis binnen de verwachtingswaarde behouden laat dus minstens over, en dat is de bewering. ∎
Stelling 23.7 (Continuïteitsstelling van Lévy)
Zij toevalsveranderlijken waarvan de karakteristieke functies puntsgewijs convergeren: voor elke , waarbij de karakteristieke functie van een toevalsveranderlijke is. Dan is .
Bewijs. Gespannenheid. Leg vast. Omdat continu is in met , kies je met ; volgens de gedomineerde convergentie (de integrand is op de vaste door begrensd) is dezelfde integraal voor voor grote : Lemma 23.6 geeft voor grote , en de constante vergroten handelt de eindig veel andere af: de verdelingen zijn gespannen — er ontsnapt geen massa.
Deelrijen. Zij een willekeurige deelrij; haal er met Helly (Stelling 23.5) een uit in de continuïteitspunten. De gespannenheid dwingt en af ( in de continuïteitspunten): is dus een echte verdelingsfunctie, van een toevalsveranderlijke . Dan is (Oefening 23.4, convergentie in verdeling uit de ’s), dus puntsgewijs ( is begrensd en continu, met het reële en het imaginaire deel apart); vergelijken met de hypothese geeft , en de injectiviteit (Stelling 23.3) geeft , dat wil zeggen .
Besluit. Elke deelrij van heeft een deeldeelrij die naar dezelfde convergeert (in haar continuïteitspunten); dus in elk continuïteitspunt (een reële rij waarvan alle deelrijen deeldeelrijen met dezelfde limiet hebben, convergeert): . ∎
23.3 De centrale limietstelling
Stelling 23.8 (Centrale limietstelling)
Zij i.i.d. met en . Dan is
voor alle .
Bewijs. Centreer en normeer: (i.i.d., met gemiddelde en variantie ) en . Met de onafhankelijkheid en de affiene regel (Propositie 23.2):
Leg vast en stel en : beide hebben voor grote modulus ( zodra ; altijd). De elementaire ongelijkheid voor (telescoperen: ) geeft
terwijl (reële logaritme). Dus (Propositie 23.2(d)) voor elke : Lévy (Stelling 23.7) besluit . De kansen op intervallen volgen omdat overal continu is. ∎
Voorbeeld 23.9 (Betrouwbaarheidsintervallen, eerlijk afgeleid)
Peil onafhankelijke kiezers; schat de ware , met . De centrale limietstelling geeft voor grote
waarbij de standaardgaussische verdelingsfunctie is. Met : een asymptotisch betrouwbaarheidsniveau van , en een marge vereist — het getal achter elke “ punten, ” die je leest; vergelijk met de van Chebyshev (Oefening 22.7). De is universeel: om de fout te halveren moet je de steekproef verviervoudigen — dezelfde wet die de kostprijs van monte carlo bepaalt (Oefening 23.7).
23.4 Gaussische vectoren
Definitie 23.10
Een toevalsvector heet gaussisch als elke lineaire combinatie een (mogelijk ontaarde) reële gaussische veranderlijke is. Haar verdeling ligt vast door de gemiddeldenvector en de covariantiematrix : inderdaad is de karakteristieke functie van de vector, , de waarde in van de karakteristieke functie van :
en -dimensionale karakteristieke functies zijn injectief (hetzelfde bewijs met gladstrijken als Stelling 23.3, met coördinaatsgewijze gaussische functies).
Stelling 23.11
Zij een gaussische vector.
- Elk affien beeld is een gaussische vector.
- De componenten zijn onafhankelijk dan en slechts dan als diagonaal is: voor gezamenlijk gaussische veranderlijken is ongecorreleerd onafhankelijk.
- Is inverteerbaar, dan heeft de dichtheid .
Bewijs. (1) Lineaire combinaties van de componenten van zijn affiene functies van lineaire combinaties van : gaussisch (een affien beeld van een gaussische veranderlijke is gaussisch). (2) Is diagonaal, dan ontbindt de karakteristieke functie: , en dat is de karakteristieke functie van de productverdeling (Stelling 22.5, gelezen via de -dimensionale injectiviteit): de componenten zijn dus onafhankelijk. De omkering is het verdwijnen van de covarianties van onafhankelijke veranderlijken in . (3) Diagonaliseer ( orthogonaal, diagonaal — Oefening 20.8); de vector is gaussisch met covariantie : volgens (2) zijn haar componenten onafhankelijk , dus heeft de productdichtheid; duw vooruit met de volumebehoudende (Stelling 11.10, ) en herschrijf de exponent invariant. ∎
Stelling 23.12 (Meerdimensionale centrale limietstelling)
Zij i.i.d. kwadratisch integreerbare toevalsvectoren van met gemiddelde en covariantiematrix . Dan convergeert in verdeling naar de gaussische vector .
Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen. ∎
Opmerking 23.13
Bijna alles hebben we al in handen. Voor elke richting is de reële veranderlijke een genormeerde som van i.i.d. reële veranderlijken met variantie , dus geeft de berekening van Stelling 23.8 de puntsgewijze convergentie van de -dimensionale karakteristieke functies naar , de karakteristieke functie van (Definitie 23.10). Wat we niet opnieuw hebben bewezen, is de continuïteitsstelling van Lévy in : de selectie van Helly en de afschatting van de gespannenheid veralgemenen routineus (coördinaatsgewijs), en die herleiding van Cramér–Wold wordt in elke masteropleiding kansrekening eerlijk uitgevoerd; er is niets nodig voorbij de methoden van dit hoofdstuk.
Methode 23.14
Om een limietverdeling te herkennen: bereken karakteristieke functies, neem de puntsgewijze limiet, herken haar (gaussisch , poisson , exponentieel , …) en roep Lévy in. Het ritueel in drie stappen (onafhankelijkheid product; Taylor in exponentiële limiet; Lévy convergentie in verdeling) bewijst de centrale limietstelling, de wet van de zeldzame gebeurtenissen (Oefening 23.5) en elke klassieke limietstelling van deze cursus. Voor b.z.-uitspraken ga je terug naar de gereedschapskist van Hoofdstuk 22: de twee hoofdstukken beantwoorden verschillende vragen over dezelfde .
23.5 Oefeningen
Oefening 23.1 ★
Bereken de karakteristieke functies: uniform op ; exponentieel ; poisson ; binomiaal . Leid met Stelling 23.3 af dat de som van onafhankelijke poissonveranderlijken () poisson is.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.1.
Uniform op : (gelijk aan in ). Exponentieel : (de primitieve verdwijnt in omdat ). Poisson : volgens de overdrachtsstelling voor discrete verdelingen,
Binomiaal : een som van onafhankelijke bernoulliveranderlijken, elk met karakteristieke functie , dus (Propositie 23.2(b)). Additiviteit van poisson: zijn en onafhankelijk, dan is
de karakteristieke functie van ; de injectiviteit (Stelling 23.3) identificeert de verdeling.
Oefening 23.2 ★★
(a) Toon aan dat reëelwaardig is dan en slechts dan als en dezelfde verdeling hebben (een symmetrische veranderlijke). (b) Stel dat voor een . Toon aan dat bijna zeker haar drager in een rekenkundige rij heeft (schrijf en bereken ). Leid af dat als een dichtheid heeft, voor alle .
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.2.
(a) . Dus is reëelwaardig dan en slechts dan als , dan en slechts dan als (injectiviteit, Stelling 23.3) en dezelfde verdeling hebben. (b) Schrijf . Dan is
De integrand is niet-negatief, dus bijna zeker (een niet-negatieve veranderlijke met verwachtingswaarde nul verdwijnt b.z.), dat wil zeggen b.z.: neemt haar waarden bijna zeker aan in de rekenkundige rij . Heeft een dichtheid, dan is die aftelbare verzameling lebesgue-nul en draagt ze dus kans — tegenspraak; bijgevolg is voor elke .
Oefening 23.3 ★★
Zij en onafhankelijk. Toon aan dat , en algemener dat de gaussische familie stabiel is onder onafhankelijke sommen en affiene afbeeldingen. Contrast: is de som van twee afhankelijke gaussische veranderlijken altijd gaussisch? (Oefening 23.9.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.3.
Uit de onafhankelijkheid en Propositie 23.2:
de karakteristieke functie van ; de injectiviteit besluit. De stabiliteit onder affiene afbeeldingen is de affiene regel (, met het ontaarde geval toegelaten), en de stabiliteit onder onafhankelijke sommen volgt uit bovenstaande berekening met inductie. Voor afhankelijke gaussische veranderlijken hoeft de som niet gaussisch te zijn: in Oefening 23.9 zijn en elk standaardgaussisch, maar verdwijnt met kans zonder b.z. nul te zijn, dus is het niet gaussisch.
Oefening 23.4 ★★
(a) Bewijs de gelijkwaardigheid in Definitie 23.4: geldt voor alle begrensde continue , dan is in de continuïteitspunten (klem tussen twee continue traphellingen); en omgekeerd (benader een begrensde continue met sommen van hellingfuncties, of conditioneer op een fijn rooster van continuïteitspunten) — de omkering mag eerst voor uniform continue worden behandeld, en dan in het algemeen. (b) Toon aan dat (een constante) impliceert dat in kans.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.4.
(a) Directe implicatie. Zij een continuïteitspunt van en . Neem de continue hellingen ( op , vanaf , affien daartussen) en ( op , vanaf , affien daartussen); dan is , dus
en de buitenste termen convergeren naar , die zelf tussen en geklemd liggen. Laat en daarna gaan en gebruik de continuïteit van in : .
Omgekeerd. Zij begrensd en continu, , . De continuïteitspunten van liggen dicht ( heeft hoogstens aftelbaar veel sprongen), dus kies continuïteitspunten met en . Op de compacte is uniform continu: kies continuïteitspunten van zodat de oscillatie van op elke hoogstens is, en stel . Dan is op , , en voor of :
Bovendien is (een eindige som van convergerende termen, want alle zijn continuïteitspunten), en , . Samengevoegd: ; laat gaan.
(b) De verdelingsfunctie van de constante is , continu behalve in . Voor zijn de punten en continuïteitspunten, dus
Oefening 23.5 ★★
(Wet van de zeldzame gebeurtenissen) Zij met . Toon met karakteristieke functies en Stelling 23.7 aan dat . Numerieke controle: vergelijk voor en .
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.5.
Stel , zodat (Oefening 23.1) en (merk op dat ). Zowel als hebben modulus hoogstens : volgens de driehoeksongelijkheid, en . De telescopische ongelijkheid (bewijs van Stelling 23.8) en de machtreeksgrens geven
Omdat , besluiten we voor elke : de karakteristieke functie van , en Lévy (Stelling 23.7) geeft . Numeriek: , terwijl : twee procent verschil, al bij deze grove .
Oefening 23.6 ★★
(a) Een eerlijke dobbelsteen wordt keer geworpen; benader de kans dat het totaal overschrijdt (gemiddelde , variantie per worp ). (b) Benader voor met de centrale limietstelling en de continuïteitscorrectie (), en becommentarieer het effect van de correctie.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.6.
(a) Eén worp heeft gemiddelde en variantie , dus heeft gemiddelde , variantie en standaardafwijking . Volgens de centrale limietstelling,
ongeveer kans. (b) : gemiddelde , standaardafwijking . Met de continuïteitscorrectie,
tegenover de exacte waarde ; zonder de correctie , bijna vijf punten ernaast. De correctie doet ertoe omdat een roosterveranderlijke is: het atoom wordt goed benaderd door de gaussische massa van , en het interval bij de gehele getallen en afknippen gooit aan elk uiteinde een half atoom weg.
Oefening 23.7 ★★
(Fout van monte carlo) Zij in het kader van Probleem 22.1, vraag 11, met , en . Toon aan dat
en leid de asymptotische foutmarge van , , af — onafhankelijk van de dimensie . Vergelijk met de deterministische middelpuntsregel in dimensie (fout voor -integranden): vanaf welke dimensie wint het toevallig bemonsteren?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.7.
De veranderlijken zijn i.i.d. (meetbare beelden van i.i.d. veranderlijken), kwadratisch integreerbaar, met gemiddelde (overdrachtsstelling, Oefening 11.9) en variantie . Is , dan is Stelling 23.8 toegepast op die veranderlijken precies de gevraagde convergentie
(is , dan is b.z. constant en verdwijnt het linkerlid identiek). Bijgevolg is : de foutmarge ziet de dimensie enkel via de constante , nooit via de snelheid in . De middelpuntsregel met knopen in dimensie heeft maaswijdte en een fout van de orde voor -integranden. De van monte carlo daalt sneller dan precies wanneer , dat wil zeggen : vanaf dimensie wint het toevallig bemonsteren asymptotisch van het rooster — de vloek van de dimensie spaart de kansrekenkundige methoden, en daarom heerst monte carlo over de hoogdimensionale integratie.
Oefening 23.8 ★★★
(Slutsky) Stel dat en in kans ( constant). Toon aan dat en . (Werk met karakteristieke functies en de afschatting , en splits op .) Toepassing: verantwoord in Voorbeeld 23.9 het vervangen van de onbekende door .
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.8.
Som. Voor vaste :
Splits op de gebeurtenis : daar is (de koorde is korter dan de boog); het complement draagt hoogstens bij. De is dus voor elke : het verschil streeft naar . Omdat , krijgen we , en Lévy (Stelling 23.7) levert .
Product. Eerst : . Vervolgens in kans: de verdelingen van de zijn gespannen (hun karakteristieke functies convergeren naar een karakteristieke functie; zie de gespannenheidsstap van Stelling 23.7), dus kies bij een met voor alle ; dan is
Schrijf en pas het somgedeelte toe (waarvan het bewijs enkel gebruikte dat in kans, met constante ): .
Toepassing. Volgens de sterke wet van de grote aantallen (Stelling 22.13) is b.z., dus is b.z. wegens continuïteit, en dus in kans. De productregel van Slutsky waardeert op tot : het bruikbare betrouwbaarheidsinterval , enkel uit de gegevens opgebouwd, behoudt zijn asymptotische niveau van .
Oefening 23.9 ★★★
Zij en onafhankelijk met ; stel . (a) Toon aan dat en . (b) Toon aan dat en niet onafhankelijk zijn, en dat geen gaussische vector is (bereken ). (c) Moraal: Stelling 23.11(2) vereist gezamenlijke gaussischheid — “ongecorreleerde gaussische veranderlijken” alleen bewijst niets.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.9.
(a) Splits de verwachtingswaarde over de twee waarden van (onafhankelijkheid): voor borelse is , want ( is symmetrisch): . En . (b) , dus terwijl : niet onafhankelijk. Was een gaussische vector, dan zou een reële gaussische veranderlijke zijn (Definitie 23.10 met ); maar , terwijl een gaussische veranderlijke enkel een atoom heeft als ze b.z. constant is — en is gelijk aan b.z. op . Tegenspraak: is niet gaussisch. (c) Elke marginale is gaussisch en de covariantie verdwijnt, en toch faalt de onafhankelijkheid — omdat het paar niet gezamenlijk gaussisch is. Stelling 23.11(2) laat zich niet verzwakken tot “gaussische marginalen”.
Oefening 23.10 ★★
De cauchyverdeling heeft dichtheid . (a) Toon aan dat haar karakteristieke functie is (Oefening 14.1 en inversie). (b) Toon aan dat als i.i.d. cauchy zijn, opnieuw cauchy is — met dezelfde verdeling: het gemiddelde concentreert nooit. (c) Verzoen dat met de wetten van de grote aantallen en de centrale limietstelling: welke hypothesen falen? (Bereken .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.10.
(a) Oefening 14.1 berekent ; beide leden zijn integreerbaar, dus draait de fourierinversie (Stelling 14.5) dit om:
en dat is precies voor een cauchyveranderlijke . (b) Uit de onafhankelijkheid volgt , dus : het empirische gemiddelde is voor elke opnieuw standaardcauchy (injectiviteit). Het gemiddelde concentreert nooit: zijn schommelingen op tijd zijn die van één enkele waarneming. (c) : de cauchyverdeling is niet integreerbaar, dus is de sterke wet van de grote aantallen (Stelling 22.13) niet van toepassing, en de centrale limietstelling (die een eindige variantie vergt) al helemaal niet. Hier falen hun conclusies echt, niet enkel hun bewijzen. Consistentiecontrole: is niet differentieerbaar in , zoals Propositie 23.2(c) contrapositief gelezen voorspelt voor een niet-integreerbare veranderlijke.
Oefening 23.11 ★★
(Stabiele verdelingen in de dop) Zij i.i.d. standaardcauchy (Oefening 23.10). (a) Toon aan dat voor alle de verdeling van heeft: de cauchyfamilie is strikt stabiel van index . (b) Toon aan dat de gaussische familie strikt stabiel van index is: voor i.i.d. . (c) Leg met karakteristieke functies van de vorm uit waarom stabiliteit van index voor sommen de normering afdwingt, en wat dat zegt over de aantrekkingsbekkens van de centrale limietstelling: welke i.i.d. sommen kunnen na affiene normering naar een cauchyverdeling convergeren in plaats van naar een gaussische?
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.11.
(a) (onafhankelijkheid en Oefening 23.10); de injectiviteit identificeert de verdelingen.
(b) : de verdeling van .
(c) Is , dan heeft als karakteristieke functie , en heeft opnieuw : exacte zelfreproductie onder de schaling — voor de gaussische (), zelf voor cauchy (, Oefening 23.10(b)). Een som van i.i.d. veranderlijken kan (na affiene normering) enkel convergeren naar een verdeling die stabiel is onder zulke convoluties; de centrale limietstelling zegt dat een eindige variantie het gaussische bekken afdwingt, en het cauchybekken is voorbehouden aan verdelingen met zulke zware staarten dat en zelfs — bijvoorbeeld sommen van cauchyveranderlijken zelf. De universaliteit heeft meerdere eilanden, geïndexeerd door de staartexponent .
Oefening 23.12 ★★
(De empirische verdelingsfunctie) Zij i.i.d. met verdelingsfunctie , en . (a) Leg vast. Toon aan dat , dat b.z. (Stelling 22.13), en dat
(b) In welke is de asymptotische variantie maximaal? Interpreteer: de mediaan is waar een empirische verdeling het moeilijkst vast te pinnen is. (c) Toon voor continue aan dat de verdeling van niet van afhangt (herleid met Oefening 22.1 tot uniforme veranderlijken) — het verdelingsvrije wonder achter de toets van Kolmogorov–Smirnov; die verdeling berekenen wordt niet gevraagd.
Oplossing
Oplossing van Oefening 23.12.
(a) De indicatoren zijn i.i.d. bernoulli met parameter : hun som is binomiaal ; de sterke wet geeft b.z., en de centrale limietstelling (Stelling 23.8) toegepast op dezelfde indicatoren (variantie ) geeft de gevraagde gaussische limiet.
(b) is maximaal in , dat wil zeggen waar : in de mediaan. Staartkansen schatten is asymptotisch makkelijk (de variantie gaat naar als ); het mediaangebied draagt de grootste statistische ruis — de empirische kromme wiebelt het meest in haar midden.
(c) Voor continue zijn de veranderlijken i.i.d. uniform op (Oefening 22.1), en de monotonie van geeft, met voor de empirische verdelingsfunctie van de :
de eerste gelijkheid omdat op nulgebeurtenissen na (monotonie; de strikte ongelijkheid kan enkel falen op de vlakke stukken van , waar beide leden onveranderd blijven), en de tweede omdat een continue , die van naar loopt, elke waarde van aanneemt (tussenwaardestelling), terwijl de eindpunten niets toevoegen ( en ). Het rechterlid bevat enkel uniforme veranderlijken: één verdeling voor alle — zodat één enkele tabel van kritieke waarden (die van de verdeling van Kolmogorov) elk continu model tegen gegevens toetst.
23.6 Probleem: het bewijs van Lindeberg van de centrale limietstelling, met een snelheid
Probleem 23.1
Weekendopgave — de vervangingsmethode
Lindeberg (1922) bewees de centrale limietstelling met een idee van ontwapenende eenvoud: verwissel de termen één voor één met gaussische en beheers elke verwisseling met een taylorontwikkeling. De methode heeft geen fourieranalyse nodig, levert een expliciete foutsnelheid, en drijft vandaag universaliteitsbewijzen door de hele kansrekening aan. Zij i.i.d. en gecentreerd met en ; en zij i.i.d. , onafhankelijk van de (bestaan: Stelling 22.6). Stel
Deel I — De verwisselingsidentiteit. Leg vast (drie begrensde continue afgeleiden; ). Definieer voor de hybride sommen
zodat en .
- Schrijf en met , en merk op dat onafhankelijk is van het paar . Verantwoord dat.
Taylor met integraal- of lagrangerestterm: voor alle reële is
Pas vraag 2 tweemaal toe ( en in ), neem verwachtingswaarden, en gebruik de onafhankelijkheid plus het samenvallen van de eerste twee momenten van en om aan te tonen dat
Telescopeer over en besluit tot de grens van Lindeberg:
Deel II — Van gladde naar de centrale limietstelling.
- Toon aan dat voor elke , en til dat op tot alle begrensde continue : construeer bij zo’n en een met op een groot interval — bijvoorbeeld door met een -bult te convolueren (Stelling 12.9) — en handel de staarten met de gespannenheid af ( en Chebyshev). Besluit : de centrale limietstelling, opnieuw bewezen.
- Waar gebruikte het bewijs dat de identiek verdeeld zijn? Toon aan dat het dat nauwelijks deed: formuleer en bewijs de versie voor onafhankelijke, gecentreerde, niet identiek verdeelde met en derde momenten, met de fout — de echte stelling van Lindeberg in haar vorm van Lyapunov.
Deel III — Kwantitatieve dividenden.
(Verdelingsfuncties) Zij en benader van boven en van onder met -hellingen van breedte (construeer ze, met ). Leid, samen met Deel I, de grens met twee termen af:
met expliciete constanten (de term gebruikt dat een dichtheid heeft die door begrensd is), en optimaliseer om een uniforme snelheid van de orde te verkrijgen. (De optimale — Berry–Esseen — vergt fijner gereedschap; het punt is een expliciete snelheid uit elementair verwisselen.)
- (De Moivre–Laplace, gekwantificeerd) Specialiseer tot (de tekens van eerlijke munten): vergelijk het besluit met de lokale schatting van Probleem 11.1, vraag 7 — wat geeft elke methode wat de andere niet geeft?
- (Universaliteit) Leg in een alinea uit waarom de vervangingsmethode meer toont dan de centrale limietstelling: elke statistiek van de vorm met gladde is, tot op de orde , ongevoelig voor de hele verdeling van de termen voorbij haar eerste twee momenten — het “invariantiebeginsel” dat de moderne universaliteitsresultaten (toevalsmatrices, toevalsveeltermen) schraagt, waarvan de centrale limietstelling het eerste geval is.
Deel IV — Gladstrijken, doorgedreven: betere snelheden. Het verlies van (gladde ) naar (verdelingsfuncties) kwam doordat in supremumnorm werd aangerekend. De hybriden kunnen een deel ervan herstellen: ze bevatten gaussische termen, en gaussische functies strijken glad.
(Een verborgen gaussische) Schrijf voor , of , en met . Toon aan dat onafhankelijk is van het paar , en leid voor elke continue af dat
Combineer vraag 10 met de integraalvorm van de taylorrestterm,
om de vragen 3 en 4 over te doen: voor met bovendien is
(vraag 10 handelt de verwisselingen met af — gebruik — en de grove grens van vraag 3 handelt de laatste af). Ga na dat de hellingen van vraag 7 voldoen aan terwijl , voer ze in, en optimaliseer : de uniforme snelheid voor de verdelingsfuncties verbetert tot .
- (Nog een moment doen samenvallen) Neem daarbovenop aan dat en . Bereken en , ontwikkel tot de vierde orde, en bewijs langs dezelfde lijnen dat de snelheid voor de verdelingsfuncties wordt (nu is en ; kies ).
- (De obstructie) Stel dat de eerste momenten van met de gaussische overeenstemmen ( altijd; precies wanneer ; in wezen nooit, want ). Ga na dat het schema van de vragen 10 tot 12 voor de verdelingsfuncties de snelheid levert, door tegen af te wegen, en merk op dat de exponent de waarde van Berry–Esseen enkel benadert als . Leg in enkele zinnen uit waarom de verwisselingsmethode verzadigt: elke verwisseling wordt in absolute waarde aangerekend, terwijl de fourierweg (de gladstrijkongelijkheid van Esseen) de oscillatie van het verschil van de karakteristieke functies uitbuit en met enkel drie momenten haalt.
Deel V — Twee dimensies: de meerdimensionale centrale limietstelling, door te verwisselen. Zij nu de i.i.d. gecentreerde toevalsvectoren van met covariantiematrix en (euclidische norm).
- (Gaussische vectoren, op maat) Diagonaliseer (Oefening 20.8) en stel . Toon voor een paar onafhankelijke standaardgaussische veranderlijken (Stelling 22.6) aan dat een gaussische vector is (Definitie 23.10) met gemiddelde en covariantie , met ; en dat voor i.i.d. kopieën exact de verdeling heeft.
(Taylor in twee veranderlijken) Bewijs voor van klasse met dat
(bestudeer op ).
(De centrale limietstelling in ) Voer het vervangingsschema uit op de vectorhybriden : toon aan dat de termen van eerste en tweede orde wegvallen (de gemiddelden en de covarianties vallen samen), telescopeer, en til het op als in vraag 5 (gespannenheid uit ; het gladstrijken nu in , Stelling 12.9) om te besluiten: voor elke begrensde continue is
Stelling 23.12 in dimensie , met een snelheid voor gladde en zonder fourieranalyse.
(Cramér–Wold, en een gezamenlijke schommeling) Leid af dat voor elke vaste . Toepassing: toon voor i.i.d. reële , gecentreerd, met en (zodat Deel V op van toepassing is) aan dat
het empirische gemiddelde en het empirische tweede moment schommelen gezamenlijk gaussisch — in de limiet onafhankelijk dan en slechts dan als (Stelling 23.11).
Deel VI — De deltamethode.
Zij toevalsveranderlijken met voor een reële parameter , en zij differentieerbaar in . Bewijs de deltamethode:
(schrijf met in ; toon aan dat en dan in kans; maak het af met Slutsky, Oefening 23.8, en Oefening 23.4(b)).
Toepassingen. (a) Toon voor i.i.d. reële met gemiddelde en variantie , en , aan dat wanneer , en dat de juiste uitspraak voor op een andere schaal leeft: met (identificeer de verdelingsfunctie van de limiet). (b) (Variantiestabilisering) Toon voor de successfrequentie van een steekproef met aan dat voldoet aan
wat ook is — een asymptotische foutmarge vrij van de onbekende parameter; vergelijk met Voorbeeld 23.9.
Deel VII — Poisson, met dezelfde methode: de stelling van Le Cam. Het verwisselen kent een tweede universaliteitsklasse: sommen van veel onafhankelijke zeldzame gebeurtenissen. Voor verdelingen op is de juiste afstand de totale variatie,
- Toon aan dat , en bewijs de koppelingsgrens: voor elk paar toevalsveranderlijken met verdelingen en op dezelfde ruimte is .
Bereken exact, voor :
(Le Cam, door te verwisselen) Zij en , met de veranderlijken onafhankelijk; , en herinner je dat met (Oefening 23.1). Verwissel in de gehele hybriden één coördinaat per keer: toon voor elke aan dat
en besluit tot de ongelijkheid van Le Cam:
- Dividenden. (a) Voor is de grens — de wet van de zeldzame gebeurtenissen (Oefening 23.5), opgewaardeerd tot een expliciete snelheid, uniform over alle gebeurtenissen en ook geldig voor ongelijke . (b) Er worden brieven bezorgd, die elk onafhankelijk met kans verloren gaan: begrens de fout van het poissonmodel met parameter , en schat de kans dat geen enkele brief verloren gaat. (c) Sluit de opgave af: vergelijk de twee universaliteitsklassen die je hier bent tegengekomen — gaussisch (veel kleine, uitgespreide bijdragen; twee samenvallende momenten; Taylor) en poisson (veel zeldzame bijdragen; één samenvallend gemiddelde; een exacte koppeling in totale variatie) — en de ene vervangingsmethode achter beide.
(Relatieve fout en de logtransformatie) Zij i.i.d. en positief met gemiddelde en variantie , en zij het empirische gemiddelde. Toon met de deltamethode aan dat
de asymptotische parameter van is de variatiecoëfficiënt — een relatieve, schaalvrije fout. Leid een betrouwbaarheidsinterval van voor af van de multiplicatieve vorm , en leg uit wanneer het boven het additieve interval te verkiezen is.
- (Het derde moment stuurt de fout) Bereken voor gecentreerde bernoulli() . Leg met de analyse van Deel IV (de fout bij het verwisselen wordt door derde momenten aangedreven) uit waarom de normale benadering van voor asymmetrisch is — aan de ene kant te hoog, aan de andere te laag — en waarom de snellere snelheid van samenvallende momenten geniet. Ga het teken van de scheefheid numeriek na op tegenover : vergelijk met de gaussische massa van .
Oplossing
Oplossing van Probleem 23.1.
1. De familie is onafhankelijk: de twee blokken zijn per constructie onafhankelijk van elkaar en elk blok is i.i.d. is een meetbare functie van enkel de veranderlijken en , alle verschillend van en : volgens het coalitieprincipe (Stelling 22.5) is onafhankelijk van het paar . De ontbindingen en volgen onmiddellijk uit de definities: van naar gaan verwisselt de ene term voor .
2. Taylor–Lagrange van orde : er is een tussen en met , en geeft de grens.
3. Trek de twee ontwikkelingen in het gemeenschappelijke basispunt van elkaar af:
Neem verwachtingswaarden. Volgens vraag 1 zijn en onafhankelijk van , dus splitsen de gemengde verwachtingswaarden:
de eerste twee momenten van en vallen samen, en enkel de restterm overleeft:
Het gaussische derde moment: (substitutie , daarna ).
4. Telescopeer en pas vraag 3 toe op elk van de termen:
5. is voor elke exact (een genormeerde som van onafhankelijke standaardgaussische veranderlijken, Oefening 23.3), dus is en luidt vraag 4 voor . Optillen. Zij begrensd en continu, , . Kies met : Chebyshev met geeft voor alle , en evenzo . Zij van klasse met (een gladde plateaufunctie, gebouwd door te regulariseren, Stelling 12.9); is continu met compacte drager, dus uniform continu, zodat haar regularisatie van klasse is met begrensde afgeleiden van alle orden en voor klein genoeg. Voor of , en omdat op en overal:
Samen met (vraag 4 is van toepassing: ):
en was willekeurig: voor elke begrensde continue , dat wil zeggen .
6. De gelijke verdeling kwam maar in één zin binnen: “ en hebben dezelfde eerste twee momenten”. Zij dus onafhankelijk, gecentreerd, met varianties en eindige derde momenten, , en neem onafhankelijk van al de rest. Definieer de hybriden met de normering : . Bij de -de verwisseling doden en opnieuw de termen in en , en de restterm geeft (met door schaling):
Telescoperen:
Omdat (de machtsgemiddelde-ongelijkheid, dat wil zeggen Jensen voor toegepast op ), is het rechterlid hoogstens : onder de voorwaarde van Lyapunov convergeren de genormeerde sommen in verdeling naar — de centrale limietstelling zonder gelijke verdeling.
7. Zij met en stel : is , niet-stijgend, op , op ; zij . Definieer voor en en : die zijn met derde afgeleide begrensd door , en
Bovengrens: volgens vraag 4 toegepast op (met ),
want is lipschitz met constante (haar dichtheid is door begrensd). De symmetrische ondergrens via geeft de schatting met twee termen
De twee termen wegen tegen elkaar op wanneer , dat wil zeggen : beide zijn dan , een expliciete uniforme snelheid, geldig voor elke . (De optimale snelheid van Berry–Esseen vergt de gladstrijkongelijkheid van de fouriermethode; het verwisselen ruilt scherpte voor volledige elementariteit.)
8. Voor (eerlijke tekens): gecentreerd, variantie , en , dus . Vraag 7 begrenst dan expliciet en uniform voor elke eindige — een globale, niet-asymptotische uitspraak over de verdelingsfunctie. De lokale schatting van Probleem 11.1, vraag 7, geeft daarentegen de exacte asymptotiek van één afzonderlijk atoom, : zij lost kansen van de grootte op, ver onder de resolutie van vraag 7, maar ze is puntsgewijs, asymptotisch (geen expliciete fout bij vaste ) en gebonden aan deze bijzondere roosterverdeling. Lokale precisie tegenover globale uniformiteit: de twee methoden vullen elkaar aan, en de lokale schatting over sommeren geeft de Moivre–Laplace op intervallen terug — met een scherpere snelheid, maar enkel voor deze verdeling.
9. Het verwisselingsargument gebruikte over de verdeling van de niets meer dan , en de eindigheid van : hadden we de gaussische vervangen door om het even welke andere i.i.d. familie met dezelfde eerste twee momenten en een eindig derde moment, dan zou hetzelfde telescoperen begrenzen door voor elke gladde . Gladde statistieken van grote onafhankelijke sommen zijn dus universeel: op een gekwantificeerde fout na hangen ze van de verdeling van de termen enkel via twee getallen af. Dat is het invariantiebeginsel: bewijs een limietstelling voor de best berekenbare verdeling (de gaussische, waar alles exact is) en draag ze dan door verwisseling over naar alle verdelingen. Hetzelfde schema — met sommen vervangen door ingewikkelder functionalen — drijft de halvecirkelwet van Wigner voor toevalsmatrices aan, de universaliteit van de nulpunten van toevalsveeltermen, en een groot deel van de moderne kansrekening; de centrale limietstelling is er het eerste en eenvoudigste geval van.
10. is een borelfunctie van enkel , terwijl en functies zijn van de overige veranderlijken van de onafhankelijke familie : volgens het coalitieprincipe (Stelling 22.5) is onafhankelijk van . Als som van de onafhankelijke is met (Oefening 23.3), met een dichtheid begrensd door . De verdeling van is het product van de twee marginale verdelingen, dus bevriest Tonelli (overdracht) het eerste blok: met voor elke ,
11. De integraalvorm van de formule van Taylor volgt door tweemaal partieel te integreren naar . Neem verwachtingswaarden bij de -de verwisseling: de orden vallen precies weg als in vraag 3, en de twee resttermen (voor en ) worden voor begrensd door vraag 10 met :
Sommeren, met , en de grens van vraag 3 voor de laatste verwisseling erbij (, geen gaussische meer over):
De hellingen: , dus met en (substitutie). De insluiting van vraag 7 geeft dan
In zijn de eerste en de derde term en de middelste : een uniforme snelheid , strikt beter dan de van vraag 7 — de gaussische helft van de hybride deed het extra gladstrijken.
12. (oneven integrand), en partiële integratie geeft (). Voor van klasse met begrensde afgeleiden ontwikkel je elke verwisseling tot de vierde orde: de termen van derde orde dragen de factor (de onafhankelijkheid splitst ze als in vraag 3), dus overleeft enkel de restterm van vierde orde , met en of . Vraag 10 (met ) begrenst de verwisselingen met , en sommeren als in vraag 11:
Met en wordt de grens voor de verdelingsfuncties ; in zijn de buitenste termen en de middelste : snelheid .
13. Met samenvallende momenten is de overblijvende restterm per verwisseling van de orde ; de grens met de verborgen gaussische rekent aan en de som over de verwisselingen draagt de factor bij, wat geeft voor gladde . Hellingen kosten , dus is de fout voor de verdelingsfuncties , afgewogen in : snelheid , dat is voor , voor , en streeft enkel naar als — maar zou en verder afdwingen, dat wil zeggen een verdeling die de gaussische al nabootst. De verzadiging is structureel: het verwisselen telt verwisselingsfouten in absolute waarde op en ziet af van elke wegvalling tussen verwisselingen. Het fourierbewijs vergelijkt karakteristieke functies, waar de fouten met hun oscillerende fasen verschijnen; de gladstrijkongelijkheid van Esseen zet , geïntegreerd tegen , tegen enkel logaritmische kosten om in een grens voor de verdelingsfuncties, en levert de van Berry–Esseen uit drie momenten. Het vervangen ruilt optimaliteit voor robuustheid — en, zoals Deel VII toont, voor overdraagbaarheid.
14. is symmetrisch positief semidefiniet; met ( orthogonaal, diagonaal, Oefening 20.8) voldoet de symmetrische aan . Voor elke is een lineaire combinatie van onafhankelijke gaussische veranderlijken, dus gaussisch (Oefening 23.3): is een gaussische vector; haar gemiddelde is en haar covariantie . Momenten: (convexiteit van op ), en elke coördinaat is een reële gaussische veranderlijke met momenten van alle orden (Oefening 11.10): . Ten slotte is elke een genormeerde som van i.i.d. , dus exact : is een gaussische vector met gemiddelde en covariantie , en haar verdeling is (Definitie 23.10: de verdeling ligt door die gegevens vast).
15. Zij , : is met
Taylor–Lagrange van orde voor tussen en geeft de eerste ongelijkheid; Cauchy–Schwarz geeft , vandaar de constante .
16. Definieer en als in vraag 1, nu in ; het coalitieargument blijft onveranderd. Bij de -de verwisseling geven de termen van eerste orde en die van tweede orde : de gemiddelden en de covarianties vallen samen. Vraag 15 begrenst de twee resttermen:
en telescoperen over de verwisselingen:
Optillen: (de gemengde termen verdwijnen wegens onafhankelijkheid en centrering), dus , en evenzo voor : gespannenheid. Vermenigvuldig, bij een begrensde continue en , met een gladde plateaufunctie gelijk aan op de bol met straal en met drager in straal (regulariseer een indicator in , Stelling 12.9); is uniform continu met compacte drager, dus is haar tweedimensionale regularisatie van klasse met begrensde afgeleiden van alle orden en voor kleine . De keten met drie ’s van vraag 5 draagt zich dan woordelijk over: voor elke begrensde continue . Dat is Stelling 23.12 voor , nu bewezen — het verwisselen omzeilt de tweedimensionale stelling van Lévy die het hoofdstuk toegegeven had gelaten.
17. Voor begrensde continue is de afbeelding begrensd en continu op , dus geeft vraag 16 : elke projectie convergeert in verdeling, en . (Dat is de makkelijke richting van Cramér–Wold: gezamenlijke convergentie impliceert de convergentie van alle lineaire beelden.) Toepassing: zijn i.i.d. gecentreerde vectoren (), met covariantie-elementen , en ; het derde moment is eindig zodra . Vraag 16 levert de opgeschreven gezamenlijke gaussische limiet, en Stelling 23.11(2): de twee limietcoördinaten zijn onafhankelijk precies wanneer de covariantie verdwijnt — voor symmetrische verdelingen ontkoppelen het empirische gemiddelde en de empirische variantie asymptotisch.
18. Schrijf met voor en : differentieerbaarheid in betekent precies dat als . Stap 1: in kans: voor en willekeurige is uiteindelijk , dus (de verdelingsfuncties convergeren in de continuïteitspunten ), en het rechterlid streeft naar als . Stap 2: in kans: kies bij een met op ; dan is . Stap 3:
Volgens de productregel van Slutsky (Oefening 23.8, met de rij in kans en de in verdeling convergerende ) convergeert de tweede term in verdeling naar , dus naar in kans (Oefening 23.4(b)); de eerste convergeert in verdeling naar (opnieuw Slutsky, of de affiene regel voor karakteristieke functies); de somregel van Slutsky zet ze samen: de limiet is .
19. (a) De centrale limietstelling geeft ; de deltamethode met , , geeft — ontaard (limiet ) wanneer . In dat geval leeft de schommeling een schaal hoger: , en voor is
, het kwadraat van een gaussische veranderlijke (een “chi-kwadraatverdeling”) — sterft de eerste afgeleide, dan dicteert de term van tweede orde in Taylor een niet-gaussische limiet. (b) Hier is en heeft de afgeleide , dus : de limiet is voor elke . Op de -schaal is de asymptotische foutmarge van dus , op voorhand bekend — terwijl in Voorbeeld 23.9 de breedte de onbekende bevatte, die door moest worden afgeschat of geschat: de transformatie stabiliseert de variantie.
20. Zij en , zodat . Voor elke is , met gelijkheid in ; en omdat het positieve en het negatieve deel van dezelfde totale massa hebben, is . Het verwisselen van en handelt het teken af: . Koppeling: voor elke is
en neem het supremum over .
21. De twee verdelingen laden: : tegenover , met ; : tegenover ; : tegenover de poissonrest . Bijgevolg
en geeft de grens .
22. Schrijf en met , onafhankelijk van het paar (coalities). Voor geeft conditioneren op de aftelbaar vele waarden, met de onafhankelijkheid,
en evenzo voor met . Aftrekken, met en van som nul:
Telescoperen van tot (Oefening 23.1, herhaald) en vraag 21 gebruiken:
de ongelijkheid van Le Cam. (De koppelingsgrens van vraag 20 geeft een alternatieve weg: koppel elk paar op één uniforme veranderlijke zodat en begrens ; het verwisselen heeft helemaal geen constructie nodig.)
23. (a) Met : . Dat scherpt Oefening 23.5 op drie manieren aan: een expliciete fout bij elke eindige , uniformiteit over alle gebeurtenissen tegelijk (niet één interval per keer), en geen behoefte aan gelijke — enkel aan een kleine , bijvoorbeeld : veel zeldzame gebeurtenissen, geen enkele dominant. (b) Hier is , , : het poissonmodel vergist zich op elke gebeurtenis met hoogstens ; in het bijzonder, met ,
zodat het antwoord is, op een gewaarborgde na (de werkelijke afwijking is ongeveer ). (c) De opgave sluit op één methode met twee regimes. Wanneer vergelijkbare bijdragen elk variantie dragen, maakt het samenvallen van twee momenten met de gaussische de verwisselingsfouten elk : sommen worden gaussisch — met Taylor als lokaal vergelijkingsgereedschap. Wanneer bijdragen indicatoren met kans zijn, maakt het samenvallen van het gemiddelde met een poissonatoom elke verwisseling in het kwadraat duur: tellingen van zeldzame gebeurtenissen worden poisson — met de totale variatie als exacte lokale vergelijking. Dezelfde hybriden, dezelfde telescoop, een andere lokale schatting: het vervangen is een strategie, geen stelling, en de gaussische en de poissonlimiet zijn de twee oudste dividenden ervan.
24. De centrale limietstelling geeft , en is differentieerbaar in met : de deltamethode (Deel VI) levert . Het interval door exponentiëren uitpakken:
(in de praktijk wordt door zijn empirische versie vervangen, Slutsky als in Oefening 23.8). Het multiplicatieve interval is het natuurlijke wanneer de gegevens positief zijn met fouten evenredig aan hun grootte — inkomens, concentraties, halveringstijden: grootheden die op een logaritmische schaal leven, waar symmetrische additieve intervallen zelfs door nul zouden kunnen gaan.
25. . In de analyse van het verwisselen (Deel IV) draagt de leidende foutterm na het samenvallen van twee momenten het getekende derde moment: voor is het positief (de verdeling leunt naar rechts: zeldzame grote uitschieters boven het gemiddelde), en de normale benadering legt de massa stelselmatig verkeerd — ze onderschat de korte linkerstaart en overschat de rechter — met een fout van de orde ; in verdwijnt het derde moment, valt de bernoulliverdeling tot in de derde orde met de gaussische samen, en verbetert de snelheid (de vraag over samenvallende momenten van Deel IV). Numeriek: , terwijl de gaussische geeft: de normale kromme, die niets weet van de muur in en van de scheefheid naar rechts, legt te veel massa onderaan — het voorspelde teken van de fout, al zichtbaar bij .