Mathematics · Boek 5 · Bachelor Year 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3

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 n\sqrt n 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 XX is

φX(ξ)=E[eiξX]=Reiξx ⁣dPX(x)(ξR)\varphi_X(\xi) = \E\bigl[\eu^{\iu\xi X}\bigr] = \int_\R \eu^{\iu\xi x}\,\dd\P_X(x) \qquad (\xi \in \R)

(de overdrachtsformule berekent haar uit de verdeling; voor een dichtheid ff is φX(ξ)=f^(ξ)\varphi_X(\xi) = \hat f(-\xi) in de afspraak van Hoofdstuk 14).

Propositie 23.2

(a) φX(0)=1\varphi_X(0) = 1, φX1\abs{\varphi_X} \leq 1, en φX\varphi_X is uniform continu; en φaX+b(ξ)=eibξφX(aξ)\varphi_{aX + b}(\xi) = \eu^{\iu b\xi}\varphi_X(a\xi). (b) Zijn X,YX, Y onafhankelijk, dan is φX+Y=φXφY\varphi_{X+Y} = \varphi_X\,\varphi_Y. (c) Is EXk<\E\abs X^k < \infty, dan is φXCk\varphi_X \in \mathcal C^k met φX(j)(0)=ijE[Xj]\varphi_X^{(j)}(0) = \iu^j\,\E[X^j] voor jkj \leq k; in het bijzonder is voor gecentreerde XL2X \in L^2 met variantie σ2\sigma^2

φX(ξ)=1σ2ξ22+o(ξ2)(ξ0).\varphi_X(\xi) = 1 - \frac{\sigma^2\xi^2}{2} + o(\xi^2) \qquad (\xi \to 0).

(d) Gaussisch: XN(m,σ2)X \sim \mathcal N(m, \sigma^2) heeft φX(ξ)=eimξσ2ξ2/2\varphi_X(\xi) = \eu^{\iu m\xi - \sigma^2\xi^2/2}.

Bewijs. (a) De grenzen zijn onmiddellijk; continuïteit: φ(ξ+h)φ(ξ)EeihX10\abs{\varphi(\xi + h) - \varphi(\xi)} \leq \E\abs{\eu^{\iu hX} - 1} \to 0 als h0h \to 0 volgens de gedomineerde convergentie, uniform in ξ\xi. De affiene regel is een substitutie. (b) eiξ(X+Y)=eiξXeiξY\eu^{\iu\xi(X+Y)} = \eu^{\iu\xi X}\eu^{\iu\xi Y}, 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 EXj\E\abs X^j (Stelling 10.15); de taylorontwikkeling in 00 is dan Taylor–Young voor de C2\mathcal C^2-functie φ\varphi. (d) Voor N(0,1)\mathcal N(0,1): de gaussische getransformeerde (Voorbeeld 14.2 met a=12a = \frac12) geeft eiξxex2/22π ⁣dx=eξ2/2\int\eu^{\iu\xi x}\frac{\eu^{-x^2/2}}{\sqrt{2\pi}}\dd x = \eu^{-\xi^2/2}; het algemene geval met de affiene regel.

Stelling 23.3 (Injectiviteit)

Is φX=φY\varphi_X = \varphi_Y, dan hebben XX en YY dezelfde verdeling. Preciezer: voor NN(0,1)N \sim \mathcal N(0,1) onafhankelijk van XX en ε>0\varepsilon > 0 heeft de gladgestreken veranderlijke X+εNX + \varepsilon N de dichtheid

pε(x)=12πRφX(ξ)eε2ξ2/2eiξx ⁣dξ,p_\varepsilon(x) = \frac1{2\pi}\int_\R \varphi_X(-\xi)\,\eu^{-\varepsilon^2\xi^2/2}\, \eu^{\iu\xi x}\,\dd\xi ,

die enkel door φX\varphi_X wordt bepaald; ε0\varepsilon \to 0 laten gaan wint de verdeling van XX terug.

Bewijs. X+εNX + \varepsilon N heeft de dichtheid pε(x)=E[gε(xX)]p_\varepsilon(x) = \E\bigl[g_\varepsilon(x - X)\bigr], met gεg_\varepsilon de dichtheid van N(0,ε2)\mathcal N(0, \varepsilon^2): inderdaad geven voor borel BB de onafhankelijkheid en Tonelli P(X+εNB)= ⁣ ⁣1B(x+εn)g1(n) ⁣dn ⁣dPX(x)=BE[gε(tX)] ⁣dt\P(X + \varepsilon N \in B) = \int\!\!\int\mathbf 1_B(x + \varepsilon n)g_1(n)\,\dd n\,\dd\P_X(x) = \int_B\E[g_\varepsilon(t - X)]\dd t (substitueer, dan opnieuw Tonelli). gεg_\varepsilon met de fourierinversie van haar getransformeerde schrijven (Oefening 14.4, herschaald): gε(u)=12πeε2ξ2/2eiξu ⁣dξg_\varepsilon(u) = \frac1{2\pi}\int \eu^{-\varepsilon^2\xi^2/2}\eu^{\iu\xi u}\dd \xi, en Fubini (alles gedomineerd door de gaussische factor):

pε(x)=12πRφX(ξ)eε2ξ2/2eiξx ⁣dξ,p_\varepsilon(x) = \frac1{2\pi}\int_\R \varphi_X(-\xi)\,\eu^{-\varepsilon^2\xi^2/2}\, \eu^{\iu\xi x}\,\dd\xi ,

een functionaal van enkel φX\varphi_X. Is φX=φY\varphi_X = \varphi_Y, dan hebben X+εNX + \varepsilon N en Y+εNY + \varepsilon N voor elke ε\varepsilon dezelfde verdeling; voor begrensde continue ff is Ef(X+εN)Ef(X)\E f(X + \varepsilon N) \to \E f(X) als ε0\varepsilon \to 0 (gedomineerde convergentie, want X+εNXX + \varepsilon N \to X puntsgewijs op de productruimte), dus Ef(X)=Ef(Y)\E f(X) = \E f(Y) voor al zulke ff — en dat legt de verdeling vast: klem voor elke tt 1(,t]\mathbf 1_{\intoc{-\infty}t} tussen de begrensde continue hellingen fk±f_k^\pm (gelijk aan 11 op (,t1k]\intoc{-\infty}{t \mp \frac1k}, aan 00 voorbij t±1kt \pm \frac1k, affien ertussen); naar de limiet gaan in Efk(X)FX(t)Efk+(X)\E f_k^-(X) \leq F_X(t) \leq \E f_k^+(X) geeft FX(t)=FY(t)F_X(t) = F_Y(t) in elk punt waar beide continu zijn, en dus overal wegens de rechtscontinuïteit en de dichtheid van de gemeenschappelijke continuïteitspunten (beide FF’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

XnX_n convergeert in verdeling naar XX, genoteerd XnXX_n \Rightarrow X, als

E[f(Xn)]E[f(X)]voor elke begrensde continue f ⁣:RR.\E\bigl[f(X_n)\bigr] \longrightarrow \E\bigl[f(X)\bigr] \qquad\text{voor elke begrensde continue } f\colon\R\to\R .

Gelijkwaardig (Oefening 23.4): FXn(t)FX(t)F_{X_n}(t) \to F_X(t) in elk continuïteitspunt tt van FXF_X. De XnX_n hoeven niet op een gemeenschappelijke kansruimte te leven: enkel de verdelingen tellen.

Stelling 23.5 (Selectiestelling van Helly)

Elke rij (Fn)(F_n) verdelingsfuncties heeft een deelrij die in elk continuïteitspunt van de limiet puntsgewijs convergeert naar een niet-dalende rechtscontinue G ⁣:R[0,1]G \colon \R \to \intcc01 — mogelijk met G(+)G()<1G(+\infty) - G(-\infty) < 1 (er kan massa naar oneindig ontsnappen).

Bewijs. Een diagonaalextractie geeft Fnk(q)(q)F_{n_k}(q) \to \ell(q) voor elke rationale qq (waarden in de compacte [0,1]\intcc01). Definieer G(t)=inf{(q):qQ,q>t}G(t) = \inf\{\ell(q) : q \in \Q, q > t\}: niet-dalend en rechtscontinu (een infimum over krimpende rationale omgevingen van rechts). In een continuïteitspunt tt van GG is voor rationale q1<t<q2q_1 < t < q_2

(q1)lim infFnk(t)lim supFnk(t)(q2),\ell(q_1) \leq \liminf F_{n_k}(t) \leq \limsup F_{n_k}(t) \leq \ell(q_2),

wegens de monotonie van elke FnkF_{n_k}. Uit de definitie van GG als infimum en de monotonie van \ell op de rationale getallen: G(s)(q)G(q)G(s) \leq \ell(q) \leq G(q) zodra s<qs < q. Met s<q1<ts < q_1 < t geeft dat (q1)G(s)\ell(q_1) \geq G(s), en (q2)G(q2)\ell(q_2) \leq G(q_2); laat sts \uparrow t en q2tq_2 \downarrow t gaan: de continuïteit van GG in tt klemt zowel de lim inf\liminf als de lim sup\limsup tot G(t)G(t).

Lemma 23.6 (Gespannenheid uit de karakteristieke functie)

Voor elke toevalsveranderlijke XX en u>0u > 0 is

P(X2u)    1uuu(1ReφX(ξ)) ⁣dξ.\P\Bigl(\abs X \geq \frac2u\Bigr) \;\leq\; \frac1u\int_{-u}^{u}\bigl(1 - \operatorname{Re}\varphi_X(\xi)\bigr)\,\dd\xi .

Bewijs. Met Tonelli–Fubini (begrensde integrand, eindig gebied in ξ\xi):

1uuu(1ReφX(ξ)) ⁣dξ=E[1uuu(1cos(ξX)) ⁣dξ]=2E[1sin(uX)uX]\frac1u\int_{-u}^u\bigl(1 - \operatorname{Re}\varphi_X(\xi)\bigr)\dd\xi = \E\Bigl[\frac1u\int_{-u}^u(1 - \cos(\xi X))\,\dd\xi\Bigr] = 2\,\E\Bigl[1 - \frac{\sin(uX)}{uX}\Bigr]

(vat het haakje in X=0X = 0 op als zijn limiet 00). De integrand is niet-negatief (sintt\abs{\sin t} \leq \abs t), en voor uX2\abs{uX} \geq 2 is 1sin(uX)uX11uX121 - \frac{\sin(uX)}{uX} \geq 1 - \frac1{\abs{uX}} \geq \frac12. Enkel de gebeurtenis {uX2}\{\abs{uX} \geq 2\} binnen de verwachtingswaarde behouden laat dus minstens 212P(X2u)2 \cdot \frac12\,\P(\abs X \geq \frac2u) over, en dat is de bewering.

Stelling 23.7 (Continuïteitsstelling van Lévy)

Zij (Xn)(X_n) toevalsveranderlijken waarvan de karakteristieke functies puntsgewijs convergeren: φXn(ξ)φ(ξ)\varphi_{X_n}(\xi) \to \varphi(\xi) voor elke ξ\xi, waarbij φ=φX\varphi = \varphi_X de karakteristieke functie van een toevalsveranderlijke XX is. Dan is XnXX_n \Rightarrow X.

Bewijs. Gespannenheid. Leg ε>0\varepsilon > 0 vast. Omdat φ\varphi continu is in 00 met φ(0)=1\varphi(0) = 1, kies je u>0u > 0 met 1uuu(1Reφ)<ε\frac1u\int_{-u}^u(1 - \operatorname{Re}\varphi) < \varepsilon; volgens de gedomineerde convergentie (de integrand is op de vaste [u,u][-u,u] door 22 begrensd) is dezelfde integraal voor φXn\varphi_{X_n} voor grote nn <2ε< 2\varepsilon: Lemma 23.6 geeft P(Xn2u)2ε\P(\abs{X_n} \geq \frac2u) \leq 2\varepsilon voor grote nn, en de constante vergroten handelt de eindig veel andere af: de verdelingen zijn gespannen — er ontsnapt geen massa.

Deelrijen. Zij (Fnk)(F_{n_k}) een willekeurige deelrij; haal er met Helly (Stelling 23.5) een FnkjGF_{n_{k_j}} \to G uit in de continuïteitspunten. De gespannenheid dwingt G()=0G(-\infty) = 0 en G(+)=1G(+\infty) = 1 af (G(2u)G(2u)12εG(\frac2u) - G(-\frac2u) \geq 1 - 2\varepsilon in de continuïteitspunten): GG is dus een echte verdelingsfunctie, van een toevalsveranderlijke YY. Dan is XnkjYX_{n_{k_j}} \Rightarrow Y (Oefening 23.4, convergentie in verdeling uit de FF’s), dus φXnkjφY\varphi_{X_{n_{k_j}}} \to \varphi_Y puntsgewijs (xeiξxx \mapsto \eu^{\iu\xi x} is begrensd en continu, met het reële en het imaginaire deel apart); vergelijken met de hypothese geeft φY=φ=φX\varphi_Y = \varphi = \varphi_X, en de injectiviteit (Stelling 23.3) geeft YXY \sim X, dat wil zeggen G=FXG = F_X.

Besluit. Elke deelrij van (Fn)(F_n) heeft een deeldeelrij die naar dezelfde FXF_X convergeert (in haar continuïteitspunten); dus Fn(t)FX(t)F_n(t) \to F_X(t) in elk continuïteitspunt tt (een reële rij waarvan alle deelrijen deeldeelrijen met dezelfde limiet hebben, convergeert): XnXX_n \Rightarrow X.

23.3 De centrale limietstelling

Stelling 23.8 (Centrale limietstelling)

Zij (Xn)(X_n) i.i.d. met EX1=m\E X_1 = m en V(X1)=σ2(0,)\V(X_1) = \sigma^2 \in \intoo0\infty. Dan is

Snnmσn    N(0,1):P(aSnnmσnb)12πabex2/2 ⁣dx\frac{S_n - nm}{\sigma\sqrt n} \;\Longrightarrow\; \mathcal N(0, 1) : \qquad \P\Bigl(a \leq \frac{S_n - nm}{\sigma\sqrt n} \leq b\Bigr) \longrightarrow \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_a^b\eu^{-x^2/2}\,\dd x

voor alle a<ba < b.

Bewijs. Centreer en normeer: Zi=XimσZ_i = \frac{X_i - m}{\sigma} (i.i.d., met gemiddelde 00 en variantie 11) en Tn=1ninZiT_n = \frac1{\sqrt n}\sum_{i\leq n}Z_i. Met de onafhankelijkheid en de affiene regel (Propositie 23.2):

φTn(ξ)=φZ(ξn)n,φZ(η)=1η22+η2ρ(η),ρ(η)0.\varphi_{T_n}(\xi) = \varphi_{Z}\Bigl(\frac{\xi}{\sqrt n}\Bigr)^{n}, \qquad \varphi_Z(\eta) = 1 - \frac{\eta^2}2 + \eta^2\rho(\eta),\quad \rho(\eta)\to0 .

Leg ξ\xi vast en stel an=φZ(ξ/n)a_n = \varphi_Z(\xi/\sqrt n) en bn=1ξ22nb_n = 1 - \frac{\xi^2}{2n}: beide hebben voor grote nn modulus 1\leq 1 (bn1\abs{b_n} \leq 1 zodra ξ24n\xi^2 \leq 4n; an1\abs{a_n} \leq 1 altijd). De elementaire ongelijkheid anbnnab\abs{a^n - b^n} \leq n\abs{a - b} voor a,b1\abs a, \abs b \leq 1 (telescoperen: anbn=ak(ab)bn1ka^n - b^n = \sum a^k(a - b)b^{n-1-k}) geeft

φTn(ξ)(1ξ22n)nnφZ(ξn)1+ξ22n=ξ2ρ(ξn)0,\Bigl|\varphi_{T_n}(\xi) - \Bigl(1 - \frac{\xi^2}{2n}\Bigr)^{n}\Bigr| \leq n\,\Bigl|\varphi_Z\Bigl(\frac\xi{\sqrt n}\Bigr) - 1 + \frac{\xi^2}{2n}\Bigr| = \xi^2\,\Bigl|\rho\Bigl(\frac{\xi}{\sqrt n}\Bigr)\Bigr| \longrightarrow 0,

terwijl (1ξ22n)neξ2/2\bigl(1 - \frac{\xi^2}{2n}\bigr)^n \to \eu^{-\xi^2/2} (reële logaritme). Dus φTn(ξ)eξ2/2=φN(0,1)(ξ)\varphi_{T_n}(\xi) \to \eu^{-\xi^2/2} = \varphi_{\mathcal N(0,1)}(\xi) (Propositie 23.2(d)) voor elke ξ\xi: Lévy (Stelling 23.7) besluit TnN(0,1)T_n \Rightarrow \mathcal N(0,1). De kansen op intervallen volgen omdat FNF_{\mathcal N} overal continu is.

Voorbeeld 23.9 (Betrouwbaarheidsintervallen, eerlijk afgeleid)

Peil nn onafhankelijke kiezers; p^n=Sn/n\hat p_n = S_n/n schat de ware pp, met σ2=p(1p)14\sigma^2 = p(1-p) \leq \frac14. De centrale limietstelling geeft voor grote nn

P(p^npz2n)    P(Snnpσnz)Φ(z)Φ(z),\P\Bigl(\abs{\hat p_n - p} \leq \frac{z}{2\sqrt n}\Bigr) \;\geq\; \P\Bigl(\Bigl|\frac{S_n - np}{\sigma\sqrt n}\Bigr| \leq z\Bigr) \longrightarrow \Phi(z) - \Phi(-z),

waarbij Φ\Phi de standaardgaussische verdelingsfunctie is. Met z=1.96z = 1.96: een asymptotisch betrouwbaarheidsniveau van 95%95\%, en een marge 1.962n3%\frac{1.96}{2\sqrt n} \leq 3\% vereist n(1.960.06)21068n \geq \bigl(\frac{1.96}{0.06}\bigr)^2 \approx 1068 — het getal achter elke “±3\pm3 punten, 95%95\%” die je leest; vergelijk met de 55565556 van Chebyshev (Oefening 22.7). De n\sqrt n 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 X=(X1,,Xd)X = (X_1, \dots, X_d) heet gaussisch als elke lineaire combinatie t,X=tiXi\langle t, X\rangle = \sum t_iX_i een (mogelijk ontaarde) reële gaussische veranderlijke is. Haar verdeling ligt vast door de gemiddeldenvector m=(EXi)m = (\E X_i) en de covariantiematrix Σ=(Cov(Xi,Xj))\Sigma = \bigl(\operatorname{Cov} (X_i, X_j)\bigr): inderdaad is de karakteristieke functie van de vector, φX(t)=Eeit,X\varphi_X(t) = \E\eu^{\iu\langle t, X\rangle}, de waarde in 11 van de karakteristieke functie van t,X\langle t, X\rangle:

φX(t)=exp(it,m12tTΣt),\varphi_X(t) = \exp\Bigl(\iu\langle t, m\rangle - \tfrac12\,t^{\mathsf T}\Sigma\,t\Bigr),

en dd-dimensionale karakteristieke functies zijn injectief (hetzelfde bewijs met gladstrijken als Stelling 23.3, met coördinaatsgewijze gaussische functies).

Stelling 23.11

Zij XX een gaussische vector.

  1. Elk affien beeld AX+bAX + b is een gaussische vector.
  2. De componenten XiX_i zijn onafhankelijk dan en slechts dan als Σ\Sigma diagonaal is: voor gezamenlijk gaussische veranderlijken is ongecorreleerd == onafhankelijk.
  3. Is Σ\Sigma inverteerbaar, dan heeft XX de dichtheid 1(2π)d/2detΣexp(12(xm)TΣ1(xm))\frac{1}{(2\pi)^{d/2}\sqrt{\det\Sigma}} \exp\bigl(-\frac12(x - m)^{\mathsf T}\Sigma^{-1}(x - m)\bigr).

Bewijs. (1) Lineaire combinaties van de componenten van AX+bAX + b zijn affiene functies van lineaire combinaties van XX: gaussisch (een affien beeld van een gaussische veranderlijke is gaussisch). (2) Is Σ\Sigma diagonaal, dan ontbindt de karakteristieke functie: φX(t)=iexp(itimi12Σiiti2)=φXi(ti)\varphi_X(t) = \prod_i\exp(\iu t_im_i - \frac12\Sigma_{ii}t_i^2) = \prod\varphi_{X_i}(t_i), en dat is de karakteristieke functie van de productverdeling (Stelling 22.5, gelezen via de dd-dimensionale injectiviteit): de componenten zijn dus onafhankelijk. De omkering is het verdwijnen van de covarianties van onafhankelijke veranderlijken in L2L^2. (3) Diagonaliseer Σ=PDPT\Sigma = P D P^{\mathsf T} (PP orthogonaal, D>0D > 0 diagonaal — Oefening 20.8); de vector Y=PT(Xm)Y = P^{\mathsf T}(X - m) is gaussisch met covariantie DD: volgens (2) zijn haar componenten onafhankelijk N(0,di)\mathcal N(0, d_i), dus heeft YY de productdichtheid; duw vooruit met de volumebehoudende x=m+PYx = m + PY (Stelling 11.10, detP=1\abs{\det P} = 1) en herschrijf de exponent invariant.

Stelling 23.12 (Meerdimensionale centrale limietstelling)

Zij (Xn)(X_n) i.i.d. kwadratisch integreerbare toevalsvectoren van Rd\R^d met gemiddelde mm en covariantiematrix Σ\Sigma. Dan convergeert Snnmn\frac{S_n - nm}{\sqrt n} in verdeling naar de gaussische vector N(0,Σ)\mathcal N(0, \Sigma).

Bewijs. Op dit niveau zonder bewijs aangenomen.

Opmerking 23.13

Bijna alles hebben we al in handen. Voor elke richting tRdt \in \R^d is de reële veranderlijke t,Snnmn\langle t, \frac{S_n - nm}{\sqrt n}\rangle een genormeerde som van i.i.d. reële veranderlijken met variantie tTΣtt^{\mathsf T}\Sigma t, dus geeft de berekening van Stelling 23.8 de puntsgewijze convergentie van de dd-dimensionale karakteristieke functies naar etTΣt/2\eu^{-t^{\mathsf T}\Sigma t/2}, de karakteristieke functie van N(0,Σ)\mathcal N(0, \Sigma) (Definitie 23.10). Wat we niet opnieuw hebben bewezen, is de continuïteitsstelling van Lévy in Rd\R^d: 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 eσ2ξ2/2\eu^{-\sigma^2\xi^2/2}, poisson eλ(eiξ1)\eu^{\lambda(\eu^{\iu\xi}-1)}, exponentieel λλiξ\frac{\lambda} {\lambda - \iu\xi}, …) en roep Lévy in. Het ritueel in drie stappen (onafhankelijkheid \to product; Taylor in 00 \to exponentiële limiet; Lévy \to 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 SnS_n.

23.5 Oefeningen

Oefening 23.1

Bereken de karakteristieke functies: uniform op [1,1]\intcc{-1}1; exponentieel E(λ)\mathcal E(\lambda); poisson P(λ)\mathcal P(\lambda); binomiaal B(n,p)\mathcal B(n, p). Leid met Stelling 23.3 af dat de som van onafhankelijke poissonveranderlijken (λ,μ\lambda, \mu) poisson (λ+μ)(\lambda + \mu) is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.1.

Uniform op [1,1]\intcc{-1}1: φ(ξ)=1211eiξx ⁣dx=sinξξ\varphi(\xi) = \frac12\int_{-1}^1\eu^{\iu\xi x}\dd x = \frac{\sin\xi}{\xi} (gelijk aan 11 in ξ=0\xi = 0). Exponentieel E(λ)\mathcal E(\lambda): φ(ξ)=λ0e(iξλ)x ⁣dx=λλiξ\varphi(\xi) = \lambda\int_0^\infty\eu^{(\iu\xi - \lambda)x}\dd x = \frac{\lambda}{\lambda - \iu\xi} (de primitieve verdwijnt in ++\infty omdat Re(iξλ)<0\operatorname{Re}(\iu\xi - \lambda) < 0). Poisson P(λ)\mathcal P(\lambda): volgens de overdrachtsstelling voor discrete verdelingen,

φ(ξ)=k0eiξkeλλkk!=eλexp(λeiξ)=exp(λ(eiξ1)).\varphi(\xi) = \sum_{k\geq0}\eu^{\iu\xi k}\,\eu^{-\lambda}\frac{\lambda^k}{k!} = \eu^{-\lambda}\exp\bigl(\lambda\eu^{\iu\xi}\bigr) = \exp\bigl(\lambda(\eu^{\iu\xi} - 1)\bigr).

Binomiaal B(n,p)\mathcal B(n, p): een som van nn onafhankelijke bernoulliveranderlijken, elk met karakteristieke functie 1p+peiξ1 - p + p\eu^{\iu\xi}, dus φ(ξ)=(1p+peiξ)n\varphi(\xi) = \bigl(1 - p + p\eu^{\iu\xi}\bigr)^n (Propositie 23.2(b)). Additiviteit van poisson: zijn XP(λ)X \sim \mathcal P(\lambda) en YP(μ)Y \sim \mathcal P(\mu) onafhankelijk, dan is

φX+Y(ξ)=eλ(eiξ1)eμ(eiξ1)=e(λ+μ)(eiξ1),\varphi_{X+Y}(\xi) = \eu^{\lambda(\eu^{\iu\xi}-1)} \eu^{\mu(\eu^{\iu\xi}-1)} = \eu^{(\lambda+\mu)(\eu^{\iu\xi}-1)},

de karakteristieke functie van P(λ+μ)\mathcal P(\lambda + \mu); de injectiviteit (Stelling 23.3) identificeert de verdeling.

Oefening 23.2 ★★

(a) Toon aan dat φX\varphi_X reëelwaardig is dan en slechts dan als XX en X-X dezelfde verdeling hebben (een symmetrische veranderlijke). (b) Stel dat φX(ξ0)=1\abs{\varphi_X(\xi_0)} = 1 voor een ξ00\xi_0 \neq 0. Toon aan dat XX bijna zeker haar drager in een rekenkundige rij a+2πξ0Za + \frac{2\pi}{\xi_0}\Z heeft (schrijf φX(ξ0)=eiθ\varphi_X(\xi_0) = \eu^{\iu\theta} en bereken E[1cos(ξ0Xθ)]\E[1 - \cos(\xi_0X - \theta)]). Leid af dat als XX een dichtheid heeft, φX(ξ)<1\abs{\varphi_X(\xi)} < 1 voor alle ξ0\xi \neq 0.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.2.

(a) φX(ξ)=EeiξX=φX(ξ)\overline{\varphi_X(\xi)} = \E\eu^{-\iu\xi X} = \varphi_{-X}(\xi). Dus is φX\varphi_X reëelwaardig dan en slechts dan als φX=φX\varphi_X = \varphi_{-X}, dan en slechts dan als (injectiviteit, Stelling 23.3) XX en X-X dezelfde verdeling hebben. (b) Schrijf φX(ξ0)=eiθ\varphi_X(\xi_0) = \eu^{\iu\theta}. Dan is

E[1cos(ξ0Xθ)]=1Re(eiθφX(ξ0))=11=0.\E\bigl[1 - \cos(\xi_0X - \theta)\bigr] = 1 - \operatorname{Re}\bigl(\eu^{-\iu\theta} \varphi_X(\xi_0)\bigr) = 1 - 1 = 0 .

De integrand is niet-negatief, dus cos(ξ0Xθ)=1\cos(\xi_0X - \theta) = 1 bijna zeker (een niet-negatieve veranderlijke met verwachtingswaarde nul verdwijnt b.z.), dat wil zeggen ξ0Xθ2πZ\xi_0X - \theta \in 2\pi\Z b.z.: XX neemt haar waarden bijna zeker aan in de rekenkundige rij θξ0+2πξ0Z\frac{\theta}{\xi_0} + \frac{2\pi}{\xi_0}\Z. Heeft XX een dichtheid, dan is die aftelbare verzameling lebesgue-nul en draagt ze dus kans 00 — tegenspraak; bijgevolg is φX(ξ)<1\abs{\varphi_X(\xi)} < 1 voor elke ξ0\xi \neq 0.

Oefening 23.3 ★★

Zij XN(m1,σ12)X \sim \mathcal N(m_1, \sigma_1^2) en YN(m2,σ22)Y \sim \mathcal N(m_2, \sigma_2^2) onafhankelijk. Toon aan dat X+YN(m1+m2,σ12+σ22)X + Y \sim \mathcal N(m_1 + m_2, \sigma_1^2 + \sigma_2^2), 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:

φX+Y(ξ)=eim1ξσ12ξ2/2eim2ξσ22ξ2/2=ei(m1+m2)ξ(σ12+σ22)ξ2/2,\varphi_{X+Y}(\xi) = \eu^{\iu m_1\xi - \sigma_1^2\xi^2/2}\, \eu^{\iu m_2\xi - \sigma_2^2\xi^2/2} = \eu^{\iu(m_1+m_2)\xi - (\sigma_1^2+\sigma_2^2)\xi^2/2},

de karakteristieke functie van N(m1+m2,σ12+σ22)\mathcal N(m_1 + m_2, \sigma_1^2 + \sigma_2^2); de injectiviteit besluit. De stabiliteit onder affiene afbeeldingen is de affiene regel (aX+bN(am1+b,a2σ12)aX + b \sim \mathcal N(am_1 + b, a^2\sigma_1^2), met het ontaarde geval a=0a = 0 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 XX en Y=εXY = \varepsilon X elk standaardgaussisch, maar X+YX + Y verdwijnt met kans 12\frac12 zonder b.z. nul te zijn, dus is het niet gaussisch.

Oefening 23.4 ★★

(a) Bewijs de gelijkwaardigheid in Definitie 23.4: geldt Ef(Xn)Ef(X)\E f(X_n) \to \E f(X) voor alle begrensde continue ff, dan is FXn(t)FX(t)F_{X_n}(t) \to F_X(t) in de continuïteitspunten (klem 1(,t]\mathbf 1_{\intoc{-\infty}t} tussen twee continue traphellingen); en omgekeerd (benader een begrensde continue ff met sommen van hellingfuncties, of conditioneer op een fijn rooster van continuïteitspunten) — de omkering mag eerst voor uniform continue ff worden behandeld, en dan in het algemeen. (b) Toon aan dat XncX_n \Rightarrow c (een constante) impliceert dat XncX_n \to c in kans.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.4.

(a) Directe implicatie. Zij tt een continuïteitspunt van FXF_X en δ>0\delta > 0. Neem de continue hellingen ff^- (=1= 1 op (,tδ]\intoc{-\infty}{t-\delta}, 00 vanaf tt, affien daartussen) en f+f^+ (=1= 1 op (,t]\intoc{-\infty}t, 00 vanaf t+δt + \delta, affien daartussen); dan is f1(,t]f+f^- \leq \mathbf 1_{\intoc{-\infty}t} \leq f^+, dus

Ef(Xn)FXn(t)Ef+(Xn),\E f^-(X_n) \leq F_{X_n}(t) \leq \E f^+(X_n),

en de buitenste termen convergeren naar Ef±(X)\E f^\pm(X), die zelf tussen FX(tδ)F_X(t - \delta) en FX(t+δ)F_X(t + \delta) geklemd liggen. Laat nn \to \infty en daarna δ0\delta \to 0 gaan en gebruik de continuïteit van FXF_X in tt: FXn(t)FX(t)F_{X_n}(t) \to F_X(t).

Omgekeerd. Zij ff begrensd en continu, M=supfM = \sup\abs f, ε>0\varepsilon > 0. De continuïteitspunten van FXF_X liggen dicht (FXF_X heeft hoogstens aftelbaar veel sprongen), dus kies continuïteitspunten a<ba < b met FX(a)<εF_X(a) < \varepsilon en 1FX(b)<ε1 - F_X(b) < \varepsilon. Op de compacte [a,b]\intcc ab is ff uniform continu: kies continuïteitspunten a=t0<t1<<tm=ba = t_0 < t_1 < \dots < t_m = b van FXF_X zodat de oscillatie van ff op elke (tj1,tj]\intoc{t_{j-1}}{t_j} hoogstens ε\varepsilon is, en stel g=jf(tj)1(tj1,tj]g = \sum_j f(t_j)\,\mathbf 1_{\intoc{t_{j-1}}{t_j}}. Dan is fgε\abs{f - g} \leq \varepsilon op (a,b]\intoc ab, gM\abs g \leq M, en voor T=XnT = X_n of XX:

Ef(T)Eg(T)ε+2M(FT(a)+1FT(b)).\bigl|\E f(T) - \E g(T)\bigr| \leq \varepsilon + 2M\bigl(F_T(a) + 1 - F_T(b)\bigr).

Bovendien is Eg(Xn)=jf(tj)(FXn(tj)FXn(tj1))Eg(X)\E g(X_n) = \sum_j f(t_j)\bigl(F_{X_n}(t_j) - F_{X_n}(t_{j-1})\bigr) \to \E g(X) (een eindige som van convergerende termen, want alle tjt_j zijn continuïteitspunten), en FXn(a)FX(a)<εF_{X_n}(a) \to F_X(a) < \varepsilon, 1FXn(b)1FX(b)<ε1 - F_{X_n}(b) \to 1 - F_X(b) < \varepsilon. Samengevoegd: lim supnEf(Xn)Ef(X)2ε+8Mε\limsup_n\abs{\E f(X_n) - \E f(X)} \leq 2\varepsilon + 8M\varepsilon; laat ε0\varepsilon \to 0 gaan.

(b) De verdelingsfunctie van de constante cc is 1[c,)\mathbf 1_{\intco c\infty}, continu behalve in cc. Voor ε>0\varepsilon > 0 zijn de punten cεc - \varepsilon en c+ε2c + \frac\varepsilon2 continuïteitspunten, dus

P(Xnc>ε)FXn(cε)+1FXn(c+ε2)0+11=0.\P(\abs{X_n - c} > \varepsilon) \leq F_{X_n}(c - \varepsilon) + 1 - F_{X_n}\Bigl(c + \frac\varepsilon2\Bigr) \longrightarrow 0 + 1 - 1 = 0 .

Oefening 23.5 ★★

(Wet van de zeldzame gebeurtenissen) Zij XnB(n,pn)X_n \sim \mathcal B(n, p_n) met npnλ>0np_n \to \lambda > 0. Toon met karakteristieke functies en Stelling 23.7 aan dat XnP(λ)X_n \Rightarrow \mathcal P(\lambda). Numerieke controle: vergelijk P(X=0)\P(X = 0) voor B(100,0.02)\mathcal B(100, 0.02) en P(2)\mathcal P(2).

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.5.

Stel zn=pn(eiξ1)z_n = p_n(\eu^{\iu\xi} - 1), zodat φXn(ξ)=(1+zn)n\varphi_{X_n}(\xi) = (1 + z_n)^n (Oefening 23.1) en zn2pn0\abs{z_n} \leq 2p_n \to 0 (merk op dat pn=npnn0p_n = \frac{np_n}n \to 0). Zowel 1+zn1 + z_n als ezn\eu^{z_n} hebben modulus hoogstens 11: 1+zn=(1pn)+pneiξ1\abs{1 + z_n} = \abs{(1 - p_n) + p_n\eu^{\iu\xi}} \leq 1 volgens de driehoeksongelijkheid, en ezn=epn(cosξ1)1\abs{\eu^{z_n}} = \eu^{p_n(\cos\xi - 1)} \leq 1. De telescopische ongelijkheid anbnnab\abs{a^n - b^n} \leq n\abs{a - b} (bewijs van Stelling 23.8) en de machtreeksgrens ez1zz2ez\abs{\eu^z - 1 - z} \leq \abs z^2\eu^{\abs z} geven

(1+zn)nenznn1+zneznnzn2ezn4e2npn2=4e2(npn)pn0.\bigl|(1 + z_n)^n - \eu^{nz_n}\bigr| \leq n\bigl|1 + z_n - \eu^{z_n}\bigr| \leq n\,\abs{z_n}^2\,\eu^{\abs{z_n}} \leq 4\eu^2\,np_n^2 = 4\eu^2\,(np_n)\,p_n \longrightarrow 0 .

Omdat nzn=npn(eiξ1)λ(eiξ1)nz_n = np_n(\eu^{\iu\xi} - 1) \to \lambda(\eu^{\iu\xi} - 1), besluiten we φXn(ξ)exp(λ(eiξ1))\varphi_{X_n}(\xi) \to \exp\bigl(\lambda(\eu^{\iu\xi} - 1)\bigr) voor elke ξ\xi: de karakteristieke functie van P(λ)\mathcal P(\lambda), en Lévy (Stelling 23.7) geeft XnP(λ)X_n \Rightarrow \mathcal P(\lambda). Numeriek: P(B(100,0.02)=0)=0.98100=e100ln0.98e2.0200.1326\P\bigl(\mathcal B(100, 0.02) = 0\bigr) = 0.98^{100} = \eu^{100\ln 0.98} \approx \eu^{-2.020} \approx 0.1326, terwijl P(P(2)=0)=e20.1353\P\bigl(\mathcal P(2) = 0\bigr) = \eu^{-2} \approx 0.1353: twee procent verschil, al bij deze grove nn.

Oefening 23.6 ★★

(a) Een eerlijke dobbelsteen wordt n=1000n = 1000 keer geworpen; benader de kans dat het totaal 36003600 overschrijdt (gemiddelde 35003500, variantie per worp 3512\frac{35}{12}). (b) Benader voor SB(100,12)S \sim \mathcal B(100, \frac12) P(45S55)\P(45 \leq S \leq 55) met de centrale limietstelling en de continuïteitscorrectie (±12\pm\frac12), en becommentarieer het effect van de correctie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.6.

(a) Eén worp heeft gemiddelde 72\frac72 en variantie 3512\frac{35}{12}, dus SS heeft gemiddelde 35003500, variantie 35000122916.7\frac{35000}{12} \approx 2916.7 en standaardafwijking 54.0\approx 54.0. Volgens de centrale limietstelling,

P(S>3600)=P(S350054.0>1.85)1Φ(1.85)0.032:\P(S > 3600) = \P\Bigl(\frac{S - 3500}{54.0} > 1.85\Bigr) \approx 1 - \Phi(1.85) \approx 0.032 :

ongeveer 3%3\% kans. (b) SB(100,12)S \sim \mathcal B(100, \frac12): gemiddelde 5050, standaardafwijking 55. Met de continuïteitscorrectie,

P(45S55)Φ(55.5505)Φ(44.5505)=2Φ(1.1)10.729,\P(45 \leq S \leq 55) \approx \Phi\Bigl(\frac{55.5 - 50}{5}\Bigr) - \Phi\Bigl(\frac{44.5 - 50}{5}\Bigr) = 2\Phi(1.1) - 1 \approx 0.729,

tegenover de exacte waarde 0.72870.7287; zonder de correctie 2Φ(1)10.6832\Phi(1) - 1 \approx 0.683, bijna vijf punten ernaast. De correctie doet ertoe omdat SS een roosterveranderlijke is: het atoom P(S=k)\P(S = k) wordt goed benaderd door de gaussische massa van [k12,k+12]\intcc{k - \frac12}{k + \frac12}, en het interval bij de gehele getallen 4545 en 5555 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 gL2([0,1]d)g \in L^2(\intcc01^d), σ2=V(g(U1))\sigma^2 = \V(g(U_1)) en I=gI = \int g. Toon aan dat

n(1nkng(Uk)I)N(0,σ2),\sqrt n\,\Bigl(\frac1n\sum_{k\leq n}g(U_k) - I\Bigr) \Longrightarrow \mathcal N(0, \sigma^2),

en leid de asymptotische foutmarge van 95%95\%, ±1.96σ/n\pm 1.96\,\sigma/\sqrt n, af — onafhankelijk van de dimensie dd. Vergelijk met de deterministische middelpuntsregel in dimensie dd (fout n2/d\sim n^{-2/d} voor C2\mathcal C^2-integranden): vanaf welke dimensie wint het toevallig bemonsteren?

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.7.

De veranderlijken g(Uk)g(U_k) zijn i.i.d. (meetbare beelden van i.i.d. veranderlijken), kwadratisch integreerbaar, met gemiddelde II (overdrachtsstelling, Oefening 11.9) en variantie σ2\sigma^2. Is σ>0\sigma > 0, dan is Stelling 23.8 toegepast op die veranderlijken precies de gevraagde convergentie

n(1nkng(Uk)I)=kn(g(Uk)I)nN(0,σ2)\sqrt n\,\Bigl(\frac1n\sum_{k\leq n}g(U_k) - I\Bigr) = \frac{\sum_{k\leq n}\bigl(g(U_k) - I\bigr)}{\sqrt n} \Longrightarrow \mathcal N(0, \sigma^2)

(is σ=0\sigma = 0, dan is gg b.z. constant en verdwijnt het linkerlid identiek). Bijgevolg is P(1ng(Uk)I1.96σ/n)0.95\P\bigl(\abs{\frac1n\sum g(U_k) - I} \leq 1.96\,\sigma/\sqrt n\bigr) \to 0.95: de foutmarge ±1.96σ/n\pm 1.96\,\sigma/\sqrt n ziet de dimensie dd enkel via de constante σ\sigma, nooit via de snelheid in nn. De middelpuntsregel met nn knopen in dimensie dd heeft maaswijdte n1/dn^{-1/d} en een fout van de orde n2/dn^{-2/d} voor C2\mathcal C^2-integranden. De n1/2n^{-1/2} van monte carlo daalt sneller dan n2/dn^{-2/d} precies wanneer 12>2d\frac12 > \frac2d, dat wil zeggen d>4d > 4: vanaf dimensie 55 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 XnXX_n \Rightarrow X en YncY_n \to c in kans (cc constant). Toon aan dat Xn+YnX+cX_n + Y_n \Rightarrow X + c en YnXncXY_nX_n \Rightarrow cX. (Werk met karakteristieke functies en de afschatting Eeiξ(Xn+Yn)eiξcEeiξXnEeiξ(Ync)1\abs{\E\eu^{\iu\xi (X_n+Y_n)} - \eu^{\iu\xi c}\E\eu^{\iu\xi X_n}} \leq \E\abs{\eu^{\iu\xi(Y_n - c)} - 1}, en splits op Yncδ\abs{Y_n - c} \leq \delta.) Toepassing: verantwoord in Voorbeeld 23.9 het vervangen van de onbekende σ=p(1p)\sigma = \sqrt{p(1-p)} door p^n(1p^n)\sqrt{\hat p_n(1 - \hat p_n)}.

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.8.

Som. Voor vaste ξ\xi:

Eeiξ(Xn+Yn)eiξcEeiξXn=E[eiξXn(eiξYneiξc)]Eeiξ(Ync)1.\bigl|\E\eu^{\iu\xi(X_n+Y_n)} - \eu^{\iu\xi c}\,\E\eu^{\iu\xi X_n}\bigr| = \bigl|\E\bigl[\eu^{\iu\xi X_n}\bigl(\eu^{\iu\xi Y_n} - \eu^{\iu\xi c}\bigr)\bigr]\bigr| \leq \E\bigl|\eu^{\iu\xi(Y_n - c)} - 1\bigr| .

Splits op de gebeurtenis {Yncδ}\{\abs{Y_n - c} \leq \delta\}: daar is eiξ(Ync)1ξδ\abs{\eu^{\iu\xi(Y_n-c)} - 1} \leq \abs\xi\,\delta (de koorde is korter dan de boog); het complement draagt hoogstens 2P(Ync>δ)02\,\P(\abs{Y_n - c} > \delta) \to 0 bij. De lim sup\limsup is dus ξδ\leq \abs\xi\,\delta voor elke δ>0\delta > 0: het verschil streeft naar 00. Omdat EeiξXnφX(ξ)\E\eu^{\iu\xi X_n} \to \varphi_X(\xi), krijgen we φXn+Yn(ξ)eiξcφX(ξ)=φX+c(ξ)\varphi_{X_n+Y_n}(\xi) \to \eu^{\iu\xi c}\varphi_X(\xi) = \varphi_{X+c}(\xi), en Lévy (Stelling 23.7) levert Xn+YnX+cX_n + Y_n \Rightarrow X + c.

Product. Eerst cXncXcX_n \Rightarrow cX: φcXn(ξ)=φXn(cξ)φX(cξ)=φcX(ξ)\varphi_{cX_n}(\xi) = \varphi_{X_n}(c\xi) \to \varphi_X(c\xi) = \varphi_{cX}(\xi). Vervolgens (Ync)Xn0(Y_n - c)X_n \to 0 in kans: de verdelingen van de XnX_n zijn gespannen (hun karakteristieke functies convergeren naar een karakteristieke functie; zie de gespannenheidsstap van Stelling 23.7), dus kies bij ε>0\varepsilon > 0 een MM met P(Xn>M)ε\P(\abs{X_n} > M) \leq \varepsilon voor alle nn; dan is

P((Ync)Xn>ε)P(Xn>M)+P(Ync>εM)ε+o(1).\P\bigl(\abs{(Y_n - c)X_n} > \varepsilon\bigr) \leq \P(\abs{X_n} > M) + \P\Bigl(\abs{Y_n - c} > \frac{\varepsilon}{M}\Bigr) \leq \varepsilon + o(1) .

Schrijf YnXn=cXn+(Ync)XnY_nX_n = cX_n + (Y_n - c)X_n en pas het somgedeelte toe (waarvan het bewijs enkel gebruikte dat Yn:=(Ync)Xn0Y_n' := (Y_n - c)X_n \to 0 in kans, met constante 00): YnXncXY_nX_n \Rightarrow cX.

Toepassing. Volgens de sterke wet van de grote aantallen (Stelling 22.13) is p^np\hat p_n \to p b.z., dus is σ^n=p^n(1p^n)σ=p(1p)>0\hat\sigma_n = \sqrt{\hat p_n(1 - \hat p_n)} \to \sigma = \sqrt{p(1 - p)} > 0 b.z. wegens continuïteit, en dus σσ^n1\frac{\sigma}{\hat\sigma_n} \to 1 in kans. De productregel van Slutsky waardeert SnnpσnN(0,1)\frac{S_n - np}{\sigma\sqrt n} \Rightarrow \mathcal N(0,1) op tot Snnpσ^nn=σσ^nSnnpσnN(0,1)\frac{S_n - np}{\hat\sigma_n\sqrt n} = \frac{\sigma}{\hat\sigma_n}\cdot \frac{S_n - np}{\sigma\sqrt n} \Rightarrow \mathcal N(0,1): het bruikbare betrouwbaarheidsinterval p^n±1.96σ^n/n\hat p_n \pm 1.96\,\hat\sigma_n/\sqrt n, enkel uit de gegevens opgebouwd, behoudt zijn asymptotische niveau van 95%95\%.

Oefening 23.9 ★★★

Zij XN(0,1)X \sim \mathcal N(0,1) en ε\varepsilon onafhankelijk met P(ε=±1)=12\P(\varepsilon = \pm1) = \frac12; stel Y=εXY = \varepsilon X. (a) Toon aan dat YN(0,1)Y \sim \mathcal N(0,1) en Cov(X,Y)=0\operatorname{Cov}(X, Y) = 0. (b) Toon aan dat XX en YY niet onafhankelijk zijn, en dat (X,Y)(X, Y) geen gaussische vector is (bereken P(X+Y=0)\P(X + Y = 0)). (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 ε\varepsilon (onafhankelijkheid): voor borelse BB is P(YB)=12P(XB)+12P(XB)=P(XB)\P(Y \in B) = \frac12\P(X \in B) + \frac12\P(-X \in B) = \P(X \in B), want XX-X \sim X (N(0,1)\mathcal N(0,1) is symmetrisch): YN(0,1)Y \sim \mathcal N(0,1). En Cov(X,Y)=E[εX2]=E[ε]E[X2]=01=0\operatorname{Cov}(X, Y) = \E[\varepsilon X^2] = \E[\varepsilon]\,\E[X^2] = 0 \cdot 1 = 0. (b) Y=X\abs Y = \abs X, dus P(X1, Y2)=0\P(\abs X \leq 1,\ \abs Y \geq 2) = 0 terwijl P(X1)P(Y2)>0\P(\abs X \leq 1)\,\P(\abs Y \geq 2) > 0: niet onafhankelijk. Was (X,Y)(X, Y) een gaussische vector, dan zou X+Y=(1+ε)XX + Y = (1 + \varepsilon)X een reële gaussische veranderlijke zijn (Definitie 23.10 met t=(1,1)t = (1,1)); maar P(X+Y=0)=P(ε=1)=12\P(X + Y = 0) = \P(\varepsilon = -1) = \frac12, terwijl een gaussische veranderlijke enkel een atoom heeft als ze b.z. constant is — en X+YX + Y is gelijk aan 2X02X \neq 0 b.z. op {ε=1}\{\varepsilon = 1\}. Tegenspraak: (X,Y)(X, Y) 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 1π(1+x2)\frac1{\pi(1 + x^2)}. (a) Toon aan dat haar karakteristieke functie eξ\eu^{-\abs\xi} is (Oefening 14.1 en inversie). (b) Toon aan dat als X1,,XnX_1, \dots, X_n i.i.d. cauchy zijn, Snn\frac{S_n}n 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 EX1\E\abs{X_1}.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 23.10.

(a) Oefening 14.1 berekent e^(ξ)=21+ξ2\widehat{\eu^{-\abs\cdot}}(\xi) = \frac{2}{1 + \xi^2}; beide leden zijn integreerbaar, dus draait de fourierinversie (Stelling 14.5) dit om:

Reiξx ⁣dxπ(1+x2)=eξ,\int_\R\eu^{\iu\xi x}\,\frac{\dd x}{\pi(1 + x^2)} = \eu^{-\abs\xi},

en dat is precies φX(ξ)\varphi_X(\xi) voor een cauchyveranderlijke XX. (b) Uit de onafhankelijkheid volgt φSn(ξ)=(eξ)n=enξ\varphi_{S_n}(\xi) = \bigl(\eu^{-\abs\xi}\bigr)^n = \eu^{-n\abs\xi}, dus φSn/n(ξ)=φSn(ξ/n)=eξ\varphi_{S_n/n}(\xi) = \varphi_{S_n}(\xi/n) = \eu^{-\abs\xi}: het empirische gemiddelde Snn\frac{S_n}n is voor elke nn opnieuw standaardcauchy (injectiviteit). Het gemiddelde concentreert nooit: zijn schommelingen op tijd 10610^6 zijn die van één enkele waarneming. (c) EX1=2π0x ⁣dx1+x2=+\E\abs{X_1} = \frac2\pi\int_0^\infty\frac{x\,\dd x}{1 + x^2} = +\infty: 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: φ(ξ)=eξ\varphi(\xi) = \eu^{-\abs\xi} is niet differentieerbaar in 00, zoals Propositie 23.2(c) contrapositief gelezen voorspelt voor een niet-integreerbare veranderlijke.

Oefening 23.11 ★★

(Stabiele verdelingen in de dop) Zij (Xn)(X_n) i.i.d. standaardcauchy (Oefening 23.10). (a) Toon aan dat voor alle a,b>0a, b > 0 aX1+bX2aX_1 + bX_2 de verdeling van (a+b)X1(a + b)X_1 heeft: de cauchyfamilie is strikt stabiel van index 11. (b) Toon aan dat de gaussische familie strikt stabiel van index 22 is: aX1+bX2a2+b2X1aX_1 + bX_2 \sim \sqrt{a^2 + b^2}\,X_1 voor XiX_i i.i.d. N(0,1)\mathcal N(0,1). (c) Leg met karakteristieke functies van de vorm ecξα\eu^{-c\abs\xi^\alpha} uit waarom stabiliteit van index α\alpha voor sommen de normering n1/αn^{1/\alpha} 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) φaX1+bX2(ξ)=eaξebξ=e(a+b)ξ=φ(a+b)X1(ξ)\varphi_{aX_1 + bX_2}(\xi) = \eu^{-a\abs\xi}\eu^{-b\abs\xi} = \eu^{-(a+b)\abs\xi} = \varphi_{(a+b)X_1}(\xi) (onafhankelijkheid en Oefening 23.10); de injectiviteit identificeert de verdelingen.

(b) φaX1+bX2(ξ)=ea2ξ2/2eb2ξ2/2=e(a2+b2)ξ2/2\varphi_{aX_1+bX_2}(\xi) = \eu^{-a^2\xi^2/2} \eu^{-b^2\xi^2/2} = \eu^{-(a^2+b^2)\xi^2/2}: de verdeling van a2+b2X1\sqrt{a^2+b^2}\,X_1.

(c) Is φX(ξ)=ecξα\varphi_X(\xi) = \eu^{-c\abs\xi^\alpha}, dan heeft Sn=X1++XnS_n = X_1 + \dots + X_n als karakteristieke functie φSn=ecnξα\varphi_{S_n} = \eu^{-cn\abs\xi^\alpha}, en heeft Sn/n1/αS_n/n^{1/\alpha} opnieuw φ(ξ)=ecξα\varphi(\xi) = \eu^{-c\abs\xi^\alpha}: exacte zelfreproductie onder de schaling n1/αn^{1/\alpha}n\sqrt n voor de gaussische (α=2\alpha = 2), nn zelf voor cauchy (α=1\alpha = 1, 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 EX2=\E X^2 = \infty en zelfs EX=\E\abs X = \infty — bijvoorbeeld sommen van cauchyveranderlijken zelf. De universaliteit heeft meerdere eilanden, geïndexeerd door de staartexponent α(0,2]\alpha \in \intoc02.

Oefening 23.12 ★★

(De empirische verdelingsfunctie) Zij (Xn)(X_n) i.i.d. met verdelingsfunctie FF, en Fn(t)=1n#{kn:Xkt}F_n(t) = \frac1n\#\{k \leq n : X_k \leq t\}. (a) Leg tt vast. Toon aan dat nFn(t)B(n,F(t))n F_n(t) \sim \mathcal B(n, F(t)), dat Fn(t)F(t)F_n(t) \to F(t) b.z. (Stelling 22.13), en dat

n(Fn(t)F(t))N(0, F(t)(1F(t))).\sqrt n\,\bigl(F_n(t) - F(t)\bigr) \Longrightarrow \mathcal N\bigl(0,\ F(t)(1 - F(t))\bigr) .

(b) In welke tt is de asymptotische variantie maximaal? Interpreteer: de mediaan is waar een empirische verdeling het moeilijkst vast te pinnen is. (c) Toon voor continue FF aan dat de verdeling van suptFn(t)F(t)\sup_t\abs{F_n(t) - F(t)} niet van FF 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 1Xkt\mathbf 1_{X_k \leq t} zijn i.i.d. bernoulli met parameter p=F(t)p = F(t): hun som nFn(t)nF_n(t) is binomiaal B(n,p)\mathcal B(n, p); de sterke wet geeft Fn(t)pF_n(t) \to p b.z., en de centrale limietstelling (Stelling 23.8) toegepast op dezelfde indicatoren (variantie p(1p)p(1-p)) geeft de gevraagde gaussische limiet.

(b) p(1p)p(1 - p) is maximaal in p=12p = \frac12, dat wil zeggen waar F(t)=12F(t) = \frac12: in de mediaan. Staartkansen schatten is asymptotisch makkelijk (de variantie gaat naar 00 als p0,1p \to 0, 1); het mediaangebied draagt de grootste statistische ruis — de empirische kromme wiebelt het meest in haar midden.

(c) Voor continue FF zijn de veranderlijken Uk=F(Xk)U_k = F(X_k) i.i.d. uniform op (0,1)\intoo01 (Oefening 22.1), en de monotonie van FF geeft, met GnG_n voor de empirische verdelingsfunctie van de UkU_k:

suptRFn(t)F(t)=supuimFGn(u)u=supu[0,1]Gn(u)u:\sup_{t\in\R}\,\abs{F_n(t) - F(t)} = \sup_{u \in \operatorname{im}F}\,\abs{G_n(u) - u} = \sup_{u\in\intcc01}\abs{G_n(u) - u} :

de eerste gelijkheid omdat {Xkt}={UkF(t)}\{X_k \leq t\} = \{U_k \leq F(t)\} op nulgebeurtenissen na (monotonie; de strikte ongelijkheid kan enkel falen op de vlakke stukken van FF, waar beide leden onveranderd blijven), en de tweede omdat een continue FF, die van 00 naar 11 loopt, elke waarde van (0,1)\intoo01 aanneemt (tussenwaardestelling), terwijl de eindpunten niets toevoegen (Gn(0)0=0G_n(0) - 0 = 0 en Gn(1)1=0G_n(1) - 1 = 0). Het rechterlid bevat enkel uniforme veranderlijken: één verdeling voor alle FF — 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 (Xi)(X_i) i.i.d. en gecentreerd met V(X1)=1\V(X_1) = 1 en β=EX13<\beta = \E\abs{X_1}^3 < \infty; en zij (Ni)(N_i) i.i.d. N(0,1)\mathcal N(0,1), onafhankelijk van de XiX_i (bestaan: Stelling 22.6). Stel

Tn=X1++Xnn,Gn=N1++NnnN(0,1).T_n = \frac{X_1 + \dots + X_n}{\sqrt n}, \qquad G_n = \frac{N_1 + \dots + N_n}{\sqrt n} \sim \mathcal N(0,1).

Deel I — De verwisselingsidentiteit. Leg fCb3(R)f \in \mathcal C^3_b(\R) vast (drie begrensde continue afgeleiden; M3=supfM_3 = \sup\abs{f'''}). Definieer voor 0in0 \leq i \leq n de hybride sommen

Hi=X1++Xi+Ni+1++Nnn,H_i = \frac{X_1 + \dots + X_i + N_{i+1} + \dots + N_n}{\sqrt n},

zodat Hn=TnH_n = T_n en H0=GnH_0 = G_n.

  1. Schrijf Hi=Wi+XinH_i = W_i + \frac{X_i}{\sqrt n} en Hi1=Wi+NinH_{i-1} = W_i + \frac{N_i}{\sqrt n} met Wi=1n(j<iXj+j>iNj)W_i = \frac{1}{\sqrt n}\bigl(\sum_{j<i}X_j + \sum_{j>i}N_j\bigr), en merk op dat WiW_i onafhankelijk is van het paar (Xi,Ni)(X_i, N_i). Verantwoord dat.
  2. Taylor met integraal- of lagrangerestterm: voor alle reële w,hw, h is

    f(w+h)f(w)f(w)h12f(w)h2M3h36.\Bigl|f(w + h) - f(w) - f'(w)h - \tfrac12f''(w)h^2\Bigr| \leq \frac{M_3\,\abs h^3}{6} .
  3. Pas vraag 2 tweemaal toe (h=Xinh = \frac{X_i}{\sqrt n} en h=Ninh = \frac{N_i}{\sqrt n} in w=Wiw = W_i), neem verwachtingswaarden, en gebruik de onafhankelijkheid plus het samenvallen van de eerste twee momenten van XiX_i en NiN_i om aan te tonen dat

    Ef(Hi)Ef(Hi1)M36β+γn3/2,γ=EN13=22π.\bigl|\E f(H_i) - \E f(H_{i-1})\bigr| \leq \frac{M_3}{6}\cdot \frac{\beta + \gamma}{n^{3/2}}, \qquad \gamma = \E\abs{N_1}^3 = \frac{2\sqrt2}{\sqrt\pi} .
  4. Telescopeer over ii en besluit tot de grens van Lindeberg:

    Ef(Tn)Ef(Gn)M3(β+γ)6n.\bigl|\E f(T_n) - \E f(G_n)\bigr| \leq \frac{M_3\,(\beta + \gamma)}{6\,\sqrt n} .

Deel II — Van gladde ff naar de centrale limietstelling.

  1. Toon aan dat Ef(Tn)Ef(N)\E f(T_n) \to \E f(N) voor elke fCb3f \in \mathcal C_b^3, en til dat op tot alle begrensde continue ff: construeer bij zo’n ff en ε\varepsilon een fεCb3f_\varepsilon \in \mathcal C^3_b met ffεε\norm{f - f_\varepsilon}_\infty \leq \varepsilon op een groot interval — bijvoorbeeld door ff met een C\mathcal C^\infty-bult te convolueren (Stelling 12.9) — en handel de staarten met de gespannenheid af (V(Tn)=1\V(T_n) = 1 en Chebyshev). Besluit TnN(0,1)T_n \Rightarrow \mathcal N(0, 1): de centrale limietstelling, opnieuw bewezen.
  2. Waar gebruikte het bewijs dat de XiX_i identiek verdeeld zijn? Toon aan dat het dat nauwelijks deed: formuleer en bewijs de versie voor onafhankelijke, gecentreerde, niet identiek verdeelde XiX_i met iV(Xi)=sn2\sum_i\V(X_i) = s_n^2 en derde momenten, met de fout M36sn3i(EXi3+V(Xi)3/2γ)\frac{M_3}{6s_n^3}\sum_i\bigl(\E\abs{X_i}^3 + \V(X_i)^{3/2}\gamma\bigr) — de echte stelling van Lindeberg in haar vorm van Lyapunov.

Deel III — Kwantitatieve dividenden.

  1. (Verdelingsfuncties) Zij tRt \in \R en benader 1(,t]\mathbf 1_{\intoc{-\infty}t} van boven en van onder met Cb3\mathcal C^3_b-hellingen van breedte δ\delta (construeer ze, met M3=O(δ3)M_3 = O(\delta^{-3})). Leid, samen met Deel I, de grens met twee termen af:

    suptRP(Tnt)Φ(t)    C1(β+γ)δ3n+C2δ(voor elke δ>0),\sup_{t\in\R}\,\bigl|\P(T_n \leq t) - \Phi(t)\bigr| \;\leq\; \frac{C_1(\beta + \gamma)}{\delta^3\sqrt n} + C_2\,\delta \qquad (\text{voor elke } \delta > 0),

    met expliciete constanten (de term C2δC_2\delta gebruikt dat Φ\Phi een dichtheid heeft die door 12π\frac1{\sqrt{2\pi}} begrensd is), en optimaliseer δn1/8\delta \sim n^{-1/8} om een uniforme snelheid van de orde n1/8n^{-1/8} te verkrijgen. (De optimale n1/2n^{-1/2} — Berry–Esseen — vergt fijner gereedschap; het punt is een expliciete snelheid uit elementair verwisselen.)

  2. (De Moivre–Laplace, gekwantificeerd) Specialiseer tot Xi=2Bi1X_i = 2B_i - 1 (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?
  3. (Universaliteit) Leg in een alinea uit waarom de vervangingsmethode meer toont dan de centrale limietstelling: elke statistiek van de vorm Ef(som)\E f(\text{som}) met gladde ff is, tot op de orde n1/2n^{-1/2}, 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 n1/2n^{-1/2} (gladde ff) naar n1/8n^{-1/8} (verdelingsfuncties) kwam doordat ff''' in supremumnorm werd aangerekend. De hybriden kunnen een deel ervan herstellen: ze bevatten gaussische termen, en gaussische functies strijken glad.

  1. (Een verborgen gaussische) Schrijf voor 1in11 \leq i \leq n - 1, h=Xinh = \frac{X_i}{\sqrt n} of Nin\frac{N_i}{\sqrt n}, en θ[0,1]\theta \in \intcc01 Wi+θh=A+ZW_i + \theta h = A + Z met Z=Ni+1++NnnZ = \frac{N_{i+1} + \dots + N_n}{\sqrt n}. Toon aan dat ZN(0,nin)Z \sim \mathcal N\bigl(0, \frac{n-i}n\bigr) onafhankelijk is van het paar (A,h)(A, h), en leid voor elke continue gL1(R)g \in L^1(\R) af dat

    E[h3g(Wi+θh)]    n2π(ni)  gL1  Eh3.\E\bigl[\abs h^3\,\abs{g(W_i + \theta h)}\bigr] \;\leq\; \sqrt{\frac{n}{2\pi(n - i)}}\; \norm{g}_{L^1}\;\E\abs h^3 .
  2. Combineer vraag 10 met de integraalvorm van de taylorrestterm,

    f(w+h)=f(w)+f(w)h+12f(w)h2+01(1θ)22f(w+θh)h3 ⁣dθ,f(w + h) = f(w) + f'(w)h + \tfrac12f''(w)h^2 + \int_0^1\frac{(1 - \theta)^2}2\,f'''(w + \theta h)\,h^3\,\dd\theta,

    om de vragen 3 en 4 over te doen: voor fCb3f \in \mathcal C^3_b met bovendien fL1(R)f''' \in L^1(\R) is

    Ef(Tn)Ef(Gn)β+γ32πfL1n+M3(β+γ)6n3/2\bigl|\E f(T_n) - \E f(G_n)\bigr| \leq \frac{\beta + \gamma}{3\sqrt{2\pi}}\cdot \frac{\norm{f'''}_{L^1}}{\sqrt n} + \frac{M_3(\beta + \gamma)}{6\,n^{3/2}}

    (vraag 10 handelt de verwisselingen met in1i \leq n - 1 af — gebruik m=1n1m1/22n\sum_{m=1}^{n-1}m^{-1/2} \leq 2\sqrt n — en de grove grens van vraag 3 handelt de laatste af). Ga na dat de hellingen van vraag 7 voldoen aan ψδL1=K1δ2\norm{\psi_\delta'''}_{L^1} = K_1\delta^{-2} terwijl M3=Kδ3M_3 = K\delta^{-3}, voer ze in, en optimaliseer δ\delta: de uniforme snelheid voor de verdelingsfuncties verbetert tot O(n1/6)O(n^{-1/6}).

  3. (Nog een moment doen samenvallen) Neem daarbovenop aan dat EX13=0\E X_1^3 = 0 en β4=EX14<\beta_4 = \E X_1^4 < \infty. Bereken EN13\E N_1^3 en EN14\E N_1^4, ontwikkel tot de vierde orde, en bewijs langs dezelfde lijnen dat de snelheid voor de verdelingsfuncties O(n1/4)O(n^{-1/4}) wordt (nu is ψδ(4)L1=K2δ3\norm{\psi_\delta^{(4)}}_{L^1} = K_2\delta^{-3} en M4=Kδ4M_4 = K'\delta^{-4}; kies δ=n1/4\delta = n^{-1/4}).
  4. (De obstructie) Stel dat de eerste kk momenten van X1X_1 met de gaussische overeenstemmen (k=2k = 2 altijd; k=3k = 3 precies wanneer EX13=0\E X_1^3 = 0; k4k \geq 4 in wezen nooit, want EN14=3\E N_1^4 = 3). Ga na dat het schema van de vragen 10 tot 12 voor de verdelingsfuncties de snelheid n(k1)/(2k+2)n^{-(k-1)/(2k+2)} levert, door δkn(k1)/2\delta^{-k}n^{-(k-1)/2} tegen δ\delta af te wegen, en merk op dat de exponent de waarde 12\frac12 van Berry–Esseen enkel benadert als kk \to \infty. 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 Cβn1/2C\beta n^{-1/2} haalt.

Deel V — Twee dimensies: de meerdimensionale centrale limietstelling, door te verwisselen. Zij nu de XiX_i i.i.d. gecentreerde toevalsvectoren van R2\R^2 met covariantiematrix Σ\Sigma en β=EX13<\beta' = \E\norm{X_1}^3 < \infty (euclidische norm).

  1. (Gaussische vectoren, op maat) Diagonaliseer Σ=PDPT\Sigma = PDP^{\mathsf T} (Oefening 20.8) en stel C=PDPTC = P\sqrt DP^{\mathsf T}. Toon voor Z=(Z1,Z2)Z = (Z^1, Z^2) een paar onafhankelijke standaardgaussische veranderlijken (Stelling 22.6) aan dat N=CZN = CZ een gaussische vector is (Definitie 23.10) met gemiddelde 00 en covariantie Σ\Sigma, met γ=EN3<\gamma' = \E\norm N^3 < \infty; en dat Gn=N1++NnnG_n = \frac{N_1 + \dots + N_n}{\sqrt n} voor i.i.d. kopieën NiN_i exact de verdeling N(0,Σ)\mathcal N(0, \Sigma) heeft.
  2. (Taylor in twee veranderlijken) Bewijs voor f ⁣:R2Rf \colon \R^2 \to \R van klasse C3\mathcal C^3 met M3=maxα=3supαf<M_3 = \max_{\abs\alpha = 3}\sup\abs{\partial^\alpha f} < \infty dat

    f(w+h)f(w)f(w),h12h,D2f(w)hM36(h1+h2)32M33h3\Bigl|f(w + h) - f(w) - \langle\nabla f(w), h\rangle - \tfrac12\langle h, D^2f(w)\,h\rangle \Bigr| \leq \frac{M_3}6\,\bigl(\abs{h_1} + \abs{h_2}\bigr)^3 \leq \frac{\sqrt2\,M_3}3\, \norm h^3

    (bestudeer tf(w+th)t \mapsto f(w + th) op [0,1]\intcc01).

  3. (De centrale limietstelling in R2\R^2) Voer het vervangingsschema uit op de vectorhybriden HiH_i: 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 ETn2=trΣ\E\norm{T_n}^2 = \operatorname{tr}\Sigma; het gladstrijken nu in R2\R^2, Stelling 12.9) om te besluiten: voor elke begrensde continue f ⁣:R2Rf \colon \R^2 \to \R is

    Ef(X1++Xnn)Ef(N),NN(0,Σ):\E\,f\Bigl(\frac{X_1 + \dots + X_n}{\sqrt n}\Bigr) \longrightarrow \E\,f(N), \qquad N \sim \mathcal N(0, \Sigma) :

    Stelling 23.12 in dimensie 22, met een snelheid voor gladde ff en zonder fourieranalyse.

  4. (Cramér–Wold, en een gezamenlijke schommeling) Leid af dat t,SnnN(0,tTΣt)\langle t, \frac{S_n}{\sqrt n}\rangle \Rightarrow \mathcal N(0, t^{\mathsf T}\Sigma t) voor elke vaste tR2t \in \R^2. Toepassing: toon voor i.i.d. reële (ξi)(\xi_i), gecentreerd, met Eξ12=1\E\xi_1^2 = 1 en Eξ16<\E\xi_1^6 < \infty (zodat Deel V op Vi=(ξi,ξi21)V_i = (\xi_i, \xi_i^2 - 1) van toepassing is) aan dat

    1n(inξi, in(ξi21))N(0,(1Eξ13Eξ13Eξ141)):\frac1{\sqrt n}\Bigl(\sum_{i\leq n}\xi_i,\ \sum_{i\leq n}(\xi_i^2 - 1)\Bigr) \Longrightarrow \mathcal N\Bigl(0, \begin{pmatrix} 1 & \E\xi_1^3\\ \E\xi_1^3 & \E\xi_1^4 - 1\end{pmatrix}\Bigr) :

    het empirische gemiddelde en het empirische tweede moment schommelen gezamenlijk gaussisch — in de limiet onafhankelijk dan en slechts dan als Eξ13=0\E\xi_1^3 = 0 (Stelling 23.11).

Deel VI — De deltamethode.

  1. Zij (θ^n)(\hat\theta_n) toevalsveranderlijken met n(θ^nθ)N(0,σ2)\sqrt n(\hat\theta_n - \theta) \Rightarrow \mathcal N(0, \sigma^2) voor een reële parameter θ\theta, en zij gg differentieerbaar in θ\theta. Bewijs de deltamethode:

    n(g(θ^n)g(θ))N(0,g(θ)2σ2)\sqrt n\bigl(g(\hat\theta_n) - g(\theta)\bigr) \Longrightarrow \mathcal N\bigl(0, g'(\theta)^2\sigma^2\bigr)

    (schrijf g(x)g(θ)=(g(θ)+η(x))(xθ)g(x) - g(\theta) = (g'(\theta) + \eta(x))(x - \theta) met η0\eta \to 0 in θ\theta; toon aan dat θ^nθ\hat\theta_n \to \theta en dan η(θ^n)0\eta(\hat\theta_n) \to 0 in kans; maak het af met Slutsky, Oefening 23.8, en Oefening 23.4(b)).

  2. Toepassingen. (a) Toon voor i.i.d. reële (ξi)(\xi_i) met gemiddelde μ\mu en variantie σ2\sigma^2, en Xˉn=1ninξi\bar X_n = \frac1n\sum_{i\leq n}\xi_i, aan dat n(Xˉn2μ2)N(0,4μ2σ2)\sqrt n(\bar X_n^2 - \mu^2) \Rightarrow \mathcal N(0, 4\mu^2\sigma^2) wanneer μ0\mu \neq 0, en dat de juiste uitspraak voor μ=0\mu = 0 op een andere schaal leeft: nXˉn2σ2N2n\bar X_n^2 \Rightarrow \sigma^2N^2 met NN(0,1)N \sim \mathcal N(0,1) (identificeer de verdelingsfunctie van de limiet). (b) (Variantiestabilisering) Toon voor p^n\hat p_n de successfrequentie van een steekproef B(1,p)\mathcal B(1, p) met p(0,1)p \in \intoo01 aan dat g(p)=arcsinpg(p) = \arcsin\sqrt p voldoet aan

    n(g(p^n)g(p))N(0,14)\sqrt n\,\bigl(g(\hat p_n) - g(p)\bigr) \Longrightarrow \mathcal N\Bigl(0, \frac14\Bigr)

    wat pp 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 N\N is de juiste afstand de totale variatie,

dTV(μ,ν)=supANμ(A)ν(A).d_{\mathrm{TV}}(\mu, \nu) = \sup_{A\subseteq\N}\, \abs{\mu(A) - \nu(A)} .
  1. Toon aan dat dTV(μ,ν)=12k0μ({k})ν({k})d_{\mathrm{TV}}(\mu, \nu) = \frac12\sum_{k\geq0}\abs{\mu(\{k\}) - \nu(\{k\})}, en bewijs de koppelingsgrens: voor elk paar (X,Y)(X, Y) toevalsveranderlijken met verdelingen μ\mu en ν\nu op dezelfde ruimte is dTV(μ,ν)P(XY)d_{\mathrm{TV}}(\mu, \nu) \leq \P(X \neq Y).
  2. Bereken exact, voor p(0,1)p \in \intoo01:

    dTV(B(1,p),P(p))=p(1ep)p2.d_{\mathrm{TV}}\bigl(\mathcal B(1, p), \mathcal P(p)\bigr) = p\bigl(1 - \eu^{-p}\bigr) \leq p^2 .
  3. (Le Cam, door te verwisselen) Zij XiB(1,pi)X_i \sim \mathcal B(1, p_i) en YiP(pi)Y_i \sim \mathcal P(p_i), met de 2n2n veranderlijken onafhankelijk; S=X1++XnS = X_1 + \dots + X_n, en herinner je dat Y1++YnP(λ)Y_1 + \dots + Y_n \sim \mathcal P(\lambda) met λ=ipi\lambda = \sum_ip_i (Oefening 23.1). Verwissel in de gehele hybriden Hi=Y1++Yi+Xi+1++XnH_i = Y_1 + \dots + Y_i + X_{i+1} + \dots + X_n één coördinaat per keer: toon voor elke ANA \subseteq \N aan dat

    P(Hi1A)P(HiA)dTV(B(1,pi),P(pi)),\abs{\P(H_{i-1} \in A) - \P(H_i \in A)} \leq d_{\mathrm{TV}}\bigl(\mathcal B(1, p_i), \mathcal P(p_i)\bigr),

    en besluit tot de ongelijkheid van Le Cam:

    dTV(verdeling van S, P(λ))i=1npi2.d_{\mathrm{TV}}\bigl(\text{verdeling van } S,\ \mathcal P(\lambda)\bigr) \leq \sum_{i=1}^np_i^2 .
  4. Dividenden. (a) Voor pi=λnp_i = \frac\lambda n is de grens λ2n\frac{\lambda^2}n — de wet van de zeldzame gebeurtenissen (Oefening 23.5), opgewaardeerd tot een expliciete snelheid, uniform over alle gebeurtenissen en ook geldig voor ongelijke pip_i. (b) Er worden 500500 brieven bezorgd, die elk onafhankelijk met kans 1500\frac1{500} verloren gaan: begrens de fout van het poissonmodel met parameter 11, 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.
  5. (Relatieve fout en de logtransformatie) Zij (Xn)(X_n) i.i.d. en positief met gemiddelde μ>0\mu > 0 en variantie σ2\sigma^2, en zij Xˉn\bar X_n het empirische gemiddelde. Toon met de deltamethode aan dat

    n(lnXˉnlnμ)N(0, σ2μ2):\sqrt n\,\bigl(\ln\bar X_n - \ln\mu\bigr) \Longrightarrow \mathcal N\Bigl(0,\ \frac{\sigma^2}{\mu^2}\Bigr) :

    de asymptotische parameter van lnXˉn\ln\bar X_n is de variatiecoëfficiënt σ/μ\sigma/\mu — een relatieve, schaalvrije fout. Leid een betrouwbaarheidsinterval van 95%95\% voor μ\mu af van de multiplicatieve vorm Xˉne±1.96σ/(μn)\bar X_n\cdot\eu^{\pm1.96\,\sigma/(\mu\sqrt n)}, en leg uit wanneer het boven het additieve interval te verkiezen is.

  6. (Het derde moment stuurt de fout) Bereken voor gecentreerde XX \sim bernoulli(pp) E[(Xp)3]=p(1p)(12p)\E\bigl[(X - p)^3\bigr] = p(1-p)(1-2p). Leg met de analyse van Deel IV (de fout bij het verwisselen wordt door derde momenten aangedreven) uit waarom de normale benadering van B(n,p)\mathcal B(n, p) voor p12p \neq \frac12 asymmetrisch is — aan de ene kant te hoog, aan de andere te laag — en waarom p=12p = \frac12 de snellere snelheid van samenvallende momenten geniet. Ga het teken van de scheefheid numeriek na op B(20,0.1)\mathcal B(20, 0.1) tegenover N(2,1.8)\mathcal N(2, 1.8): vergelijk P(S=0)=0.920\P(S = 0) = 0.9^{20} met de gaussische massa van (,0.5)\intoo{-\infty}{0.5}.
Oplossing

Oplossing van Probleem 23.1.

1. De familie (X1,,Xn,N1,,Nn)(X_1, \dots, X_n, N_1, \dots, N_n) is onafhankelijk: de twee blokken zijn per constructie onafhankelijk van elkaar en elk blok is i.i.d. WiW_i is een meetbare functie van enkel de veranderlijken (Xj)j<i(X_j)_{j<i} en (Nj)j>i(N_j)_{j>i}, alle verschillend van XiX_i en NiN_i: volgens het coalitieprincipe (Stelling 22.5) is WiW_i onafhankelijk van het paar (Xi,Ni)(X_i, N_i). De ontbindingen Hi=Wi+XinH_i = W_i + \frac{X_i}{\sqrt n} en Hi1=Wi+NinH_{i-1} = W_i + \frac{N_i}{\sqrt n} volgen onmiddellijk uit de definities: van HiH_i naar Hi1H_{i-1} gaan verwisselt de ene term XiX_i voor NiN_i.

2. Taylor–Lagrange van orde 33: er is een cc tussen ww en w+hw + h met f(w+h)=f(w)+f(w)h+12f(w)h2+16f(c)h3f(w + h) = f(w) + f'(w)h + \frac12f''(w)h^2 + \frac16f'''(c)h^3, en f(c)M3\abs{f'''(c)} \leq M_3 geeft de grens.

3. Trek de twee ontwikkelingen in het gemeenschappelijke basispunt w=Wiw = W_i van elkaar af:

f(Hi)f(Hi1)=f(Wi)XiNin+f(Wi)2Xi2Ni2n+Ri,RiM36Xi3+Ni3n3/2.f(H_i) - f(H_{i-1}) = f'(W_i)\,\frac{X_i - N_i}{\sqrt n} + \frac{f''(W_i)}{2}\,\frac{X_i^2 - N_i^2}{n} + R_i, \qquad \abs{R_i} \leq \frac{M_3}{6}\cdot \frac{\abs{X_i}^3 + \abs{N_i}^3}{n^{3/2}} .

Neem verwachtingswaarden. Volgens vraag 1 zijn f(Wi)f'(W_i) en f(Wi)f''(W_i) onafhankelijk van (Xi,Ni)(X_i, N_i), dus splitsen de gemengde verwachtingswaarden:

E[f(Wi)XiNin]=E[f(Wi)]EXiENin=0,E[f(Wi)Xi2Ni2n]=E[f(Wi)]11n=0:\begin{align*} \E\Bigl[f'(W_i)\,\frac{X_i - N_i}{\sqrt n}\Bigr] &= \E\bigl[f'(W_i)\bigr]\,\frac{\E X_i - \E N_i}{\sqrt n} = 0, \\ \E\Bigl[f''(W_i)\,\frac{X_i^2 - N_i^2}{n}\Bigr] &= \E\bigl[f''(W_i)\bigr]\,\frac{1 - 1}{n} = 0 : \end{align*}

de eerste twee momenten van XiX_i en NiN_i vallen samen, en enkel de restterm overleeft:

Ef(Hi)Ef(Hi1)ERiM36β+γn3/2.\bigl|\E f(H_i) - \E f(H_{i-1})\bigr| \leq \E\abs{R_i} \leq \frac{M_3}{6}\cdot\frac{\beta + \gamma}{n^{3/2}} .

Het gaussische derde moment: γ=EN13=20x3ex2/22π ⁣dx=22π02ueu ⁣du=42π=22π\gamma = \E\abs{N_1}^3 = 2\int_0^\infty x^3\,\frac{\eu^{-x^2/2}}{\sqrt{2\pi}}\,\dd x = \frac{2}{\sqrt{2\pi}}\int_0^\infty 2u\,\eu^{-u}\dd u = \frac{4}{\sqrt{2\pi}} = \frac{2\sqrt2}{\sqrt\pi} (substitutie u=x2/2u = x^2/2, daarna Γ(2)=1\Gamma(2) = 1).

4. Telescopeer Ef(Tn)Ef(Gn)=i=1n(Ef(Hi)Ef(Hi1))\E f(T_n) - \E f(G_n) = \sum_{i=1}^n\bigl(\E f(H_i) - \E f(H_{i-1})\bigr) en pas vraag 3 toe op elk van de nn termen:

Ef(Tn)Ef(Gn)nM3(β+γ)6n3/2=M3(β+γ)6n.\bigl|\E f(T_n) - \E f(G_n)\bigr| \leq n \cdot \frac{M_3(\beta + \gamma)}{6\,n^{3/2}} = \frac{M_3\,(\beta + \gamma)}{6\,\sqrt n} .

5. GnG_n is voor elke nn exact N(0,1)\mathcal N(0,1) (een genormeerde som van onafhankelijke standaardgaussische veranderlijken, Oefening 23.3), dus is Ef(Gn)=Ef(N)\E f(G_n) = \E f(N) en luidt vraag 4 Ef(Tn)Ef(N)M3(β+γ)6n0\abs{\E f(T_n) - \E f(N)} \leq \frac{M_3(\beta+\gamma)}{6\sqrt n} \to 0 voor fCb3f \in \mathcal C^3_b. Optillen. Zij ff begrensd en continu, M=supfM = \sup\abs f, ε>0\varepsilon > 0. Kies A1A \geq 1 met 1A2ε\frac1{A^2} \leq \varepsilon: Chebyshev met V(Tn)=1\V(T_n) = 1 geeft P(Tn>A)ε\P(\abs{T_n} > A) \leq \varepsilon voor alle nn, en evenzo P(N>A)ε\P(\abs N > A) \leq \varepsilon. Zij χ\chi van klasse C\mathcal C^\infty met 1[A,A]χ1[A1,A+1]\mathbf 1_{\intcc{-A}A} \leq \chi \leq \mathbf 1_{\intcc{-A-1}{A+1}} (een gladde plateaufunctie, gebouwd door 1[A12,A+12]\mathbf 1_{\intcc{-A-\frac12}{A+\frac12}} te regulariseren, Stelling 12.9); g=fχg = f\chi is continu met compacte drager, dus uniform continu, zodat haar regularisatie gη=gρηg_\eta = g * \rho_\eta van klasse C\mathcal C^\infty is met begrensde afgeleiden van alle orden en ggηε\norm{g - g_\eta}_\infty \leq \varepsilon voor η\eta klein genoeg. Voor T=TnT = T_n of NN, en omdat f=gf = g op [A,A]\intcc{-A}A en fg2M\abs{f - g} \leq 2M overal:

Ef(T)Egη(T)E(fg)(T)+ggη2MP(T>A)+ε(2M+1)ε.\bigl|\E f(T) - \E g_\eta(T)\bigr| \leq \E\abs{(f - g)(T)} + \norm{g - g_\eta}_\infty \leq 2M\,\P(\abs T > A) + \varepsilon \leq (2M + 1)\,\varepsilon .

Samen met Egη(Tn)Egη(N)\E g_\eta(T_n) \to \E g_\eta(N) (vraag 4 is van toepassing: gηCb3g_\eta \in \mathcal C^3_b):

lim supn  Ef(Tn)Ef(N)2(2M+1)ε,\limsup_n\;\bigl|\E f(T_n) - \E f(N)\bigr| \leq 2(2M + 1)\,\varepsilon ,

en ε\varepsilon was willekeurig: Ef(Tn)Ef(N)\E f(T_n) \to \E f(N) voor elke begrensde continue ff, dat wil zeggen TnN(0,1)T_n \Rightarrow \mathcal N(0,1).

6. De gelijke verdeling kwam maar in één zin binnen: “XiX_i en NiN_i hebben dezelfde eerste twee momenten”. Zij dus X1,,XnX_1, \dots, X_n onafhankelijk, gecentreerd, met varianties σi2\sigma_i^2 en eindige derde momenten, sn2=iσi2>0s_n^2 = \sum_i\sigma_i^2 > 0, en neem NiN(0,σi2)N_i \sim \mathcal N(0, \sigma_i^2) onafhankelijk van al de rest. Definieer de hybriden met de normering sns_n: Hi=1sn(jiXj+j>iNj)H_i = \frac1{s_n}(\sum_{j\leq i}X_j + \sum_{j>i}N_j). Bij de ii-de verwisseling doden EXi=ENi=0\E X_i = \E N_i = 0 en EXi2=ENi2=σi2\E X_i^2 = \E N_i^2 = \sigma_i^2 opnieuw de termen in ff' en ff'', en de restterm geeft (met ENi3=σi3γ\E\abs{N_i}^3 = \sigma_i^3\gamma door schaling):

Ef(Hi)Ef(Hi1)M36sn3(EXi3+σi3γ).\bigl|\E f(H_i) - \E f(H_{i-1})\bigr| \leq \frac{M_3}{6\,s_n^3}\bigl(\E\abs{X_i}^3 + \sigma_i^3\gamma\bigr) .

Telescoperen:

Ef(X1++Xnsn)Ef(N)M36sn3i=1n(EXi3+V(Xi)3/2γ).\Bigl|\E f\Bigl(\frac{X_1 + \dots + X_n}{s_n}\Bigr) - \E f(N)\Bigr| \leq \frac{M_3}{6\,s_n^3}\sum_{i=1}^n \Bigl(\E\abs{X_i}^3 + \V(X_i)^{3/2}\,\gamma\Bigr) .

Omdat σi3=(EXi2)3/2EXi3\sigma_i^3 = (\E X_i^2)^{3/2} \leq \E\abs{X_i}^3 (de machtsgemiddelde-ongelijkheid, dat wil zeggen Jensen voor tt3/2t \mapsto t^{3/2} toegepast op Xi2X_i^2), is het rechterlid hoogstens M3(1+γ)6iEXi3sn3\frac{M_3(1 + \gamma)}{6}\cdot \frac{\sum_i\E\abs{X_i}^3}{s_n^3}: onder de voorwaarde van Lyapunov 1sn3iEXi30\frac1{s_n^3}\sum_i\E\abs{X_i}^3 \to 0 convergeren de genormeerde sommen in verdeling naar N(0,1)\mathcal N(0,1) — de centrale limietstelling zonder gelijke verdeling.

7. Zij ρCc((0,1))\rho \in \mathcal C^\infty_c(\intoo01) met ρ=1\int\rho = 1 en stel ψ(x)=x1ρ(s) ⁣ds\psi(x) = \int_x^1\rho(s)\dd s: ψ\psi is C\mathcal C^\infty, niet-stijgend, ψ=1\psi = 1 op R\R_-, ψ=0\psi = 0 op [1,)\intco1\infty; zij K=ψK = \norm{\psi'''}_\infty. Definieer voor tRt \in \R en δ>0\delta > 0 ψδ(x)=ψ(xtδ)\psi_\delta(x) = \psi\bigl(\frac{x - t}\delta\bigr) en ψ~δ(x)=ψ(xtδ+1)\tilde\psi_\delta(x) = \psi\bigl(\frac{x - t}\delta + 1\bigr): die zijn Cb3\mathcal C^3_b met derde afgeleide begrensd door K/δ3K/\delta^3, en

1(,tδ]ψ~δ1(,t]ψδ1(,t+δ].\mathbf 1_{\intoc{-\infty}{t-\delta}} \leq \tilde\psi_\delta \leq \mathbf 1_{\intoc{-\infty}t} \leq \psi_\delta \leq \mathbf 1_{\intoc{-\infty}{t+\delta}} .

Bovengrens: volgens vraag 4 toegepast op ψδ\psi_\delta (met M3=K/δ3M_3 = K/\delta^3),

P(Tnt)Eψδ(Tn)Eψδ(N)+K(β+γ)6δ3nΦ(t+δ)+K(β+γ)6δ3nΦ(t)+δ2π+K(β+γ)6δ3n,\P(T_n \leq t) \leq \E\psi_\delta(T_n) \leq \E\psi_\delta(N) + \frac{K(\beta + \gamma)}{6\,\delta^3\sqrt n} \leq \Phi(t + \delta) + \frac{K(\beta + \gamma)}{6\,\delta^3\sqrt n} \leq \Phi(t) + \frac{\delta}{\sqrt{2\pi}} + \frac{K(\beta + \gamma)}{6\,\delta^3\sqrt n},

want Φ\Phi is lipschitz met constante 12π\frac1{\sqrt{2\pi}} (haar dichtheid is door 12π\frac1{\sqrt{2\pi}} begrensd). De symmetrische ondergrens via ψ~δ\tilde\psi_\delta geeft de schatting met twee termen

suptRP(Tnt)Φ(t)K(β+γ)61δ3n+δ2π(δ>0 willekeurig).\sup_{t\in\R}\,\bigl|\P(T_n \leq t) - \Phi(t)\bigr| \leq \frac{K(\beta + \gamma)}{6}\cdot\frac{1}{\delta^3\sqrt n} + \frac{\delta}{\sqrt{2\pi}} \qquad(\delta > 0\ \text{willekeurig}).

De twee termen wegen tegen elkaar op wanneer δ3n1/2δ\delta^{-3}n^{-1/2} \asymp \delta, dat wil zeggen δ=n1/8\delta = n^{-1/8}: beide zijn dan O(n1/8)O(n^{-1/8}), een expliciete uniforme snelheid, geldig voor elke nn. (De optimale snelheid Cβ/nC\beta/\sqrt n van Berry–Esseen vergt de gladstrijkongelijkheid van de fouriermethode; het verwisselen ruilt scherpte voor volledige elementariteit.)

8. Voor Xi=2Bi1X_i = 2B_i - 1 (eerlijke tekens): gecentreerd, variantie 11, en Xi=1\abs{X_i} = 1, dus β=1\beta = 1. Vraag 7 begrenst dan suptP(Snnt)Φ(t)\sup_t\abs{\P(\frac{S_n}{\sqrt n} \leq t) - \Phi(t)} expliciet en uniform voor elke eindige nn — 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, P(S2n=2k)ek2/nπn\P(S_{2n} = 2k) \sim \frac{\eu^{-k^2/n}}{\sqrt{\pi n}}: zij lost kansen van de grootte n1/2n^{-1/2} op, ver onder de resolutie n1/8n^{-1/8} van vraag 7, maar ze is puntsgewijs, asymptotisch (geen expliciete fout bij vaste nn) en gebonden aan deze bijzondere roosterverdeling. Lokale precisie tegenover globale uniformiteit: de twee methoden vullen elkaar aan, en de lokale schatting over k[ ⁣[an,bn] ⁣]k \in \intint{a\sqrt n}{b\sqrt n} 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 XiX_i niets meer dan EXi=0\E X_i = 0, EXi2=1\E X_i^2 = 1 en de eindigheid van EXi3\E\abs{X_i}^3: hadden we de gaussische NiN_i 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 Ef(somX)Ef(somY)\abs{\E f(\text{som}_X) - \E f(\text{som}_Y)} begrenzen door O(n1/2)O(n^{-1/2}) voor elke gladde ff. 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. ZZ is een borelfunctie van enkel (Ni+1,,Nn)(N_{i+1}, \dots, N_n), terwijl A=Wi+θhZA = W_i + \theta h - Z en hh functies zijn van de overige veranderlijken van de onafhankelijke familie (X1,,Xn,N1,,Nn)(X_1, \dots, X_n, N_1, \dots, N_n): volgens het coalitieprincipe (Stelling 22.5) is ZZ onafhankelijk van (A,h)(A, h). Als som van de onafhankelijke Nj/nN(0,1n)N_j/\sqrt n \sim \mathcal N(0, \frac1n) is ZN(0,s2)Z \sim \mathcal N(0, s^2) met s2=nins^2 = \frac{n-i}n (Oefening 23.3), met een dichtheid begrensd door 1s2π\frac1{s\sqrt{2\pi}}. De verdeling van ((A,h),Z)((A, h), Z) is het product van de twee marginale verdelingen, dus bevriest Tonelli (overdracht) het eerste blok: met G(a)=Eg(a+Z)=g(a+z)φs(z) ⁣dzgL1s2πG(a) = \E\abs{g(a + Z)} = \int\abs{g(a + z)}\,\varphi_s(z)\,\dd z \leq \frac{\norm g_{L^1}}{s\sqrt{2\pi}} voor elke aa,

E[h3g(A+Z)]=E[h3G(A)]gL1s2πEh3=n2π(ni)gL1Eh3.\E\bigl[\abs h^3\abs{g(A + Z)}\bigr] = \E\bigl[\abs h^3\,G(A)\bigr] \leq \frac{\norm g_{L^1}}{s\sqrt{2\pi}}\,\E\abs h^3 = \sqrt{\frac{n}{2\pi(n-i)}}\,\norm g_{L^1}\,\E\abs h^3 .

11. De integraalvorm van de formule van Taylor volgt door f(w+h)f(w)=h01f(w+θh) ⁣dθf(w + h) - f(w) = h\int_0^1f'(w + \theta h)\,\dd\theta tweemaal partieel te integreren naar θ\theta. Neem verwachtingswaarden bij de ii-de verwisseling: de orden 0,1,20, 1, 2 vallen precies weg als in vraag 3, en de twee resttermen (voor h=Xi/nh = X_i/\sqrt n en Ni/nN_i/\sqrt n) worden voor in1i \leq n - 1 begrensd door vraag 10 met g=fg = f''':

Ef(Hi)Ef(Hi1)01(1θ)22 ⁣dθ  n2π(ni)fL1β+γn3/2=β+γ6n3/2n2π(ni)fL1.\bigl|\E f(H_i) - \E f(H_{i-1})\bigr| \leq \int_0^1\frac{(1-\theta)^2}2\,\dd\theta\; \sqrt{\frac{n}{2\pi(n-i)}}\,\norm{f'''}_{L^1} \frac{\beta + \gamma}{n^{3/2}} = \frac{\beta + \gamma}{6\,n^{3/2}} \sqrt{\frac{n}{2\pi(n-i)}}\,\norm{f'''}_{L^1} .

Sommeren, met i=1n1nni=nm=1n1m1/22n\sum_{i=1}^{n-1}\sqrt{\frac n{n-i}} = \sqrt n\sum_{m=1}^{n-1}m^{-1/2} \leq 2n, en de grens van vraag 3 voor de laatste verwisseling erbij (i=ni = n, geen gaussische meer over):

Ef(Tn)Ef(Gn)β+γ32πfL1n+M3(β+γ)6n3/2.\bigl|\E f(T_n) - \E f(G_n)\bigr| \leq \frac{\beta + \gamma}{3\sqrt{2\pi}}\cdot \frac{\norm{f'''}_{L^1}}{\sqrt n} + \frac{M_3(\beta + \gamma)}{6\,n^{3/2}} .

De hellingen: ψδ(x)=δ3ψ(xtδ)\psi_\delta'''(x) = \delta^{-3}\psi'''\bigl(\frac{x - t}\delta\bigr), dus M3=Kδ3M_3 = K\delta^{-3} met K=ψK = \norm{\psi'''}_\infty en ψδL1=δ2ψL1=K1δ2\norm{\psi_\delta'''}_{L^1} = \delta^{-2} \norm{\psi'''}_{L^1} = K_1\delta^{-2} (substitutie). De insluiting van vraag 7 geeft dan

suptP(Tnt)Φ(t)K1(β+γ)32π1δ2n+K(β+γ)61δ3n3/2+δ2π.\sup_t\,\bigl|\P(T_n \leq t) - \Phi(t)\bigr| \leq \frac{K_1(\beta + \gamma)}{3\sqrt{2\pi}}\cdot \frac1{\delta^2\sqrt n} + \frac{K(\beta + \gamma)}{6}\cdot \frac1{\delta^3n^{3/2}} + \frac\delta{\sqrt{2\pi}} .

In δ=n1/6\delta = n^{-1/6} zijn de eerste en de derde term O(n1/6)O(n^{-1/6}) en de middelste O(n1)O(n^{-1}): een uniforme snelheid O(n1/6)O(n^{-1/6}), strikt beter dan de n1/8n^{-1/8} van vraag 7 — de gaussische helft van de hybride deed het extra gladstrijken.

12. EN13=0\E N_1^3 = 0 (oneven integrand), en partiële integratie geeft EN14=3EN12=3\E N_1^4 = 3\,\E N_1^2 = 3 (x3xφ(x) ⁣dx=3x2φ\int x^3\cdot x\varphi(x)\dd x = 3\int x^2\varphi). Voor ff van klasse C4\mathcal C^4 met begrensde afgeleiden ontwikkel je elke verwisseling tot de vierde orde: de termen van derde orde dragen de factor EXi3ENi3=0\E X_i^3 - \E N_i^3 = 0 (de onafhankelijkheid splitst ze als in vraag 3), dus overleeft enkel de restterm van vierde orde 01(1θ)36f(4)(w+θh)h4 ⁣dθ\int_0^1\frac{(1-\theta)^3}6f^{(4)}(w + \theta h)h^4\dd\theta, met 01(1θ)36 ⁣dθ=124\int_0^1 \frac{(1-\theta)^3}6\dd\theta = \frac1{24} en Eh4=β4n2\E h^4 = \beta_4n^{-2} of 3n23n^{-2}. Vraag 10 (met g=f(4)g = f^{(4)}) begrenst de verwisselingen met in1i \leq n - 1, en sommeren als in vraag 11:

Ef(Tn)Ef(Gn)β4+3122πf(4)L1n+M4(β4+3)24n2.\bigl|\E f(T_n) - \E f(G_n)\bigr| \leq \frac{\beta_4 + 3}{12\sqrt{2\pi}}\cdot \frac{\norm{f^{(4)}}_{L^1}}{n} + \frac{M_4(\beta_4 + 3)}{24\,n^2} .

Met ψδ(4)L1=K2δ3\norm{\psi_\delta^{(4)}}_{L^1} = K_2\delta^{-3} en M4=Kδ4M_4 = K'\delta^{-4} wordt de grens voor de verdelingsfuncties Cδ3n1+Cδ4n2+δ2πC\delta^{-3}n^{-1} + C'\delta^{-4}n^{-2} + \frac\delta{\sqrt{2\pi}}; in δ=n1/4\delta = n^{-1/4} zijn de buitenste termen O(n1/4)O(n^{-1/4}) en de middelste O(n1)O(n^{-1}): snelheid O(n1/4)O(n^{-1/4}).

13. Met kk samenvallende momenten is de overblijvende restterm per verwisseling van de orde Ehk+1n(k+1)/2\E\abs h^{k+1} \asymp n^{-(k+1)/2}; de grens met de verborgen gaussische rekent f(k+1)L1\norm{f^{(k+1)}}_{L^1} aan en de som over de verwisselingen draagt de factor 2n2n bij, wat f(k+1)L1n(k1)/2\asymp\norm{f^{(k+1)}}_{L^1}\, n^{-(k-1)/2} geeft voor gladde ff. Hellingen kosten ψδ(k+1)L1δk\norm{\psi_\delta^{(k+1)}}_{L^1} \asymp \delta^{-k}, dus is de fout voor de verdelingsfuncties δkn(k1)/2+δ\asymp \delta^{-k}n^{-(k-1)/2} + \delta, afgewogen in δ=n(k1)/(2k+2)\delta = n^{-(k-1)/(2k+2)}: snelheid n(k1)/(2k+2)n^{-(k-1)/(2k+2)}, dat is n1/6n^{-1/6} voor k=2k = 2, n1/4n^{-1/4} voor k=3k = 3, en streeft enkel naar n1/2n^{-1/2} als kk \to \infty — maar k4k \geq 4 zou EX14=3\E X_1^4 = 3 en verder afdwingen, dat wil zeggen een verdeling die de gaussische al nabootst. De verzadiging is structureel: het verwisselen telt nn 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 φTnφN\abs{\varphi_{T_n} - \varphi_N}, geïntegreerd tegen  ⁣dξξ\frac{\dd\xi}{\abs\xi}, tegen enkel logaritmische kosten om in een grens voor de verdelingsfuncties, en levert de Cβn1/2C\beta n^{-1/2} van Berry–Esseen uit drie momenten. Het vervangen ruilt optimaliteit voor robuustheid — en, zoals Deel VII toont, voor overdraagbaarheid.

14. Σ\Sigma is symmetrisch positief semidefiniet; met Σ=PDPT\Sigma = PDP^{\mathsf T} (PP orthogonaal, D0D \geq 0 diagonaal, Oefening 20.8) voldoet de symmetrische C=PDPTC = P\sqrt DP^{\mathsf T} aan C2=ΣC^2 = \Sigma. Voor elke tR2t \in \R^2 is t,CZ=Ct,Z=(Ct)1Z1+(Ct)2Z2\langle t, CZ\rangle = \langle Ct, Z\rangle = (Ct)_1Z^1 + (Ct)_2Z^2 een lineaire combinatie van onafhankelijke gaussische veranderlijken, dus gaussisch (Oefening 23.3): N=CZN = CZ is een gaussische vector; haar gemiddelde is 00 en haar covariantie E[NNT]=CE[ZZT]CT=CCT=Σ\E[NN^{\mathsf T}] = C\,\E[ZZ^{\mathsf T}]\,C^{\mathsf T} = CC^{\mathsf T} = \Sigma. Momenten: N3(N1+N2)34(N13+N23)\norm N^3 \leq (\abs{N_1} + \abs{N_2})^3 \leq 4(\abs{N_1}^3 + \abs{N_2}^3) (convexiteit van x3x^3 op R+\R_+), en elke coördinaat is een reële gaussische veranderlijke met momenten van alle orden (Oefening 11.10): γ<\gamma' < \infty. Ten slotte is elke t,Gn=1nit,Ni\langle t, G_n\rangle = \frac1{\sqrt n}\sum_i\langle t, N_i\rangle een genormeerde som van i.i.d. N(0,tTΣt)\mathcal N(0, t^{\mathsf T}\Sigma t), dus exact N(0,tTΣt)\mathcal N(0, t^{\mathsf T}\Sigma t): GnG_n is een gaussische vector met gemiddelde 00 en covariantie Σ\Sigma, en haar verdeling is N(0,Σ)\mathcal N(0, \Sigma) (Definitie 23.10: de verdeling ligt door die gegevens vast).

15. Zij ϕ(t)=f(w+th)\phi(t) = f(w + th), t[0,1]t \in \intcc01: ϕ\phi is C3\mathcal C^3 met

ϕ(t)=j,k,l{1,2}jklf(w+th)hjhkhl,ϕ(t)M3(jhj)3=M3(h1+h2)3.\phi'''(t) = \sum_{j,k,l\in\{1,2\}}\partial_{jkl}f(w + th)\,h_jh_kh_l, \qquad \abs{\phi'''(t)} \leq M_3\Bigl(\sum_j\abs{h_j}\Bigr)^3 = M_3(\abs{h_1} + \abs{h_2})^3 .

Taylor–Lagrange van orde 33 voor ϕ\phi tussen 00 en 11 geeft de eerste ongelijkheid; Cauchy–Schwarz geeft h1+h22h\abs{h_1} + \abs{h_2} \leq \sqrt2\norm h, vandaar de constante 22M36=2M33\frac{2\sqrt2M_3}6 = \frac{\sqrt2M_3}3.

16. Definieer HiH_i en WiW_i als in vraag 1, nu in R2\R^2; het coalitieargument blijft onveranderd. Bij de ii-de verwisseling geven de termen van eerste orde jE[jf(Wi)](EXi,jENi,j)/n=0\sum_j\E[\partial_jf(W_i)]\,(\E X_{i,j} - \E N_{i,j})/ \sqrt n = 0 en die van tweede orde 12nj,kE[jkf(Wi)](ΣjkΣjk)=0\frac1{2n}\sum_{j,k}\E[\partial_{jk}f(W_i)]\,(\Sigma_{jk} - \Sigma_{jk}) = 0: de gemiddelden en de covarianties vallen samen. Vraag 15 begrenst de twee resttermen:

Ef(Hi)Ef(Hi1)2M33EXi3+ENi3n3/2=2M3(β+γ)3n3/2,\bigl|\E f(H_i) - \E f(H_{i-1})\bigr| \leq \frac{\sqrt2M_3}3\cdot\frac{\E\norm{X_i}^3 + \E\norm{N_i}^3}{n^{3/2}} = \frac{\sqrt2M_3(\beta' + \gamma')}{3\,n^{3/2}},

en telescoperen over de nn verwisselingen:

Ef(Snn)Ef(Gn)2M3(β+γ)3n,GnN(0,Σ) exact.\Bigl|\E f\Bigl(\frac{S_n}{\sqrt n}\Bigr) - \E f(G_n)\Bigr| \leq \frac{\sqrt2\,M_3(\beta' + \gamma')}{3\sqrt n}, \qquad G_n \sim \mathcal N(0, \Sigma)\ \text{exact} .

Optillen: ETn2=EX12=trΣ\E\norm{T_n}^2 = \E\norm{X_1}^2 = \operatorname{tr}\Sigma (de gemengde termen verdwijnen wegens onafhankelijkheid en centrering), dus P(Tn>A)trΣ/A2\P(\norm{T_n} > A) \leq \operatorname{tr}\Sigma/A^2, en evenzo voor NN: gespannenheid. Vermenigvuldig, bij een begrensde continue ff en ε>0\varepsilon > 0, met een gladde plateaufunctie χ\chi gelijk aan 11 op de bol met straal AA en met drager in straal A+1A + 1 (regulariseer een indicator in R2\R^2, Stelling 12.9); g=fχg = f\chi is uniform continu met compacte drager, dus is haar tweedimensionale regularisatie gηg_\eta van klasse C\mathcal C^\infty met begrensde afgeleiden van alle orden en ggηε\norm{g - g_\eta}_\infty \leq \varepsilon voor kleine η\eta. De keten met drie ε\varepsilon’s van vraag 5 draagt zich dan woordelijk over: Ef(Tn)Ef(N)\E f(T_n) \to \E f(N) voor elke begrensde continue f ⁣:R2Rf \colon \R^2 \to \R. Dat is Stelling 23.12 voor d=2d = 2, nu bewezen — het verwisselen omzeilt de tweedimensionale stelling van Lévy die het hoofdstuk toegegeven had gelaten.

17. Voor begrensde continue g ⁣:RRg \colon \R \to \R is de afbeelding xg(t,x)x \mapsto g(\langle t, x\rangle) begrensd en continu op R2\R^2, dus geeft vraag 16 Eg(t,Tn)Eg(t,N)\E g(\langle t, T_n\rangle) \to \E g(\langle t, N\rangle): elke projectie convergeert in verdeling, en t,NN(0,tTΣt)\langle t, N\rangle \sim \mathcal N(0, t^{\mathsf T}\Sigma t). (Dat is de makkelijke richting van Cramér–Wold: gezamenlijke convergentie impliceert de convergentie van alle lineaire beelden.) Toepassing: Vi=(ξi,ξi21)V_i = (\xi_i, \xi_i^2 - 1) zijn i.i.d. gecentreerde vectoren (Eξ12=1\E\xi_1^2 = 1), met covariantie-elementen V(ξ1)=1\V(\xi_1) = 1, Cov(ξ1,ξ121)=Eξ13\operatorname{Cov}(\xi_1, \xi_1^2 - 1) = \E\xi_1^3 en V(ξ121)=Eξ141\V(\xi_1^2 - 1) = \E\xi_1^4 - 1; het derde moment EV134(Eξ13+Eξ1213)\E\norm{V_1}^3 \leq 4\bigl(\E\abs{\xi_1}^3 + \E\abs{\xi_1^2 - 1}^3\bigr) is eindig zodra ξ1L6\xi_1 \in L^6. Vraag 16 levert de opgeschreven gezamenlijke gaussische limiet, en Stelling 23.11(2): de twee limietcoördinaten zijn onafhankelijk precies wanneer de covariantie Eξ13\E\xi_1^3 verdwijnt — voor symmetrische verdelingen ontkoppelen het empirische gemiddelde en de empirische variantie asymptotisch.

18. Schrijf g(x)g(θ)=(g(θ)+η(x))(xθ)g(x) - g(\theta) = (g'(\theta) + \eta(x))(x - \theta) met η(x)=g(x)g(θ)xθg(θ)\eta(x) = \frac{g(x) - g(\theta)}{x - \theta} - g'(\theta) voor xθx \neq \theta en η(θ)=0\eta(\theta) = 0: differentieerbaarheid in θ\theta betekent precies dat η(x)0\eta(x) \to 0 als xθx \to \theta. Stap 1: θ^nθ\hat\theta_n \to \theta in kans: voor ε>0\varepsilon > 0 en willekeurige A>0A > 0 is uiteindelijk εnA\varepsilon\sqrt n \geq A, dus P(θ^nθ>ε)P(n(θ^nθ)>A)P(σN>A)\P(\abs{\hat\theta_n - \theta} > \varepsilon) \leq \P(\abs{\sqrt n(\hat\theta_n - \theta)} > A) \to \P(\sigma\abs N > A) (de verdelingsfuncties convergeren in de continuïteitspunten ±A\pm A), en het rechterlid streeft naar 00 als AA \to \infty. Stap 2: η(θ^n)0\eta(\hat\theta_n) \to 0 in kans: kies bij ε>0\varepsilon' > 0 een δ\delta met ηε\abs\eta \leq \varepsilon' op xθδ\abs{x - \theta} \leq \delta; dan is P(η(θ^n)>ε)P(θ^nθ>δ)0\P(\abs{\eta(\hat\theta_n)} > \varepsilon') \leq \P(\abs{\hat\theta_n - \theta} > \delta) \to 0. Stap 3:

n(g(θ^n)g(θ))=g(θ)n(θ^nθ)+η(θ^n)n(θ^nθ).\sqrt n\bigl(g(\hat\theta_n) - g(\theta)\bigr) = g'(\theta)\,\sqrt n(\hat\theta_n - \theta) + \eta(\hat\theta_n)\cdot\sqrt n(\hat\theta_n - \theta) .

Volgens de productregel van Slutsky (Oefening 23.8, met de rij η(θ^n)0\eta(\hat\theta_n) \to 0 in kans en de in verdeling convergerende n(θ^nθ)\sqrt n(\hat\theta_n - \theta)) convergeert de tweede term in verdeling naar 0N(0,σ2)=00\cdot\mathcal N(0, \sigma^2) = 0, dus naar 00 in kans (Oefening 23.4(b)); de eerste convergeert in verdeling naar g(θ)N(0,σ2)g'(\theta)\mathcal N(0, \sigma^2) (opnieuw Slutsky, of de affiene regel voor karakteristieke functies); de somregel van Slutsky zet ze samen: de limiet is N(0,g(θ)2σ2)\mathcal N(0, g'(\theta)^2\sigma^2).

19. (a) De centrale limietstelling geeft n(Xˉnμ)N(0,σ2)\sqrt n(\bar X_n - \mu) \Rightarrow \mathcal N(0, \sigma^2); de deltamethode met g(x)=x2g(x) = x^2, g(μ)=2μg'(\mu) = 2\mu, geeft n(Xˉn2μ2)N(0,4μ2σ2)\sqrt n(\bar X_n^2 - \mu^2) \Rightarrow \mathcal N(0, 4\mu^2\sigma^2) — ontaard (limiet 00) wanneer μ=0\mu = 0. In dat geval leeft de schommeling een schaal hoger: nXˉn2=(nXˉn)2n\bar X_n^2 = (\sqrt n\,\bar X_n)^2, en voor t>0t > 0 is

P(nXˉn2t)=P(tnXˉnt)Φ(tσ)Φ(tσ)=P(σ2N2t):\P\bigl(n\bar X_n^2 \leq t\bigr) = \P\bigl(-\sqrt t \leq \sqrt n\,\bar X_n \leq \sqrt t\bigr) \longrightarrow \Phi\Bigl(\frac{\sqrt t}\sigma\Bigr) - \Phi\Bigl(-\frac{\sqrt t}\sigma\Bigr) = \P(\sigma^2N^2 \leq t) :

nXˉn2σ2N2n\bar X_n^2 \Rightarrow \sigma^2N^2, 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 n(p^np)N(0,p(1p))\sqrt n(\hat p_n - p) \Rightarrow \mathcal N(0, p(1 - p)) en heeft g(p)=arcsinpg(p) = \arcsin\sqrt p de afgeleide g(p)=12p(1p)g'(p) = \frac1{2\sqrt{p(1 - p)}}, dus g(p)2p(1p)=14g'(p)^2\,p(1 - p) = \frac14: de limiet is N(0,14)\mathcal N(0, \frac14) voor elke p(0,1)p \in \intoo01. Op de arcsin\arcsin-schaal is de asymptotische foutmarge van 95%95\% dus ±0.98n\pm \frac{0.98}{\sqrt n}, op voorhand bekend — terwijl in Voorbeeld 23.9 de breedte de onbekende σ=p(1p)\sigma = \sqrt{p(1-p)} bevatte, die door 12\frac12 moest worden afgeschat of geschat: de transformatie stabiliseert de variantie.

20. Zij A={k:μ({k})>ν({k})}A^* = \{k : \mu(\{k\}) > \nu(\{k\})\} en Δk=μ({k})ν({k})\Delta_k = \mu(\{k\}) - \nu(\{k\}), zodat kΔk=0\sum_k\Delta_k = 0. Voor elke ANA \subseteq \N is μ(A)ν(A)=kAΔkkAΔk\mu(A) - \nu(A) = \sum_{k\in A}\Delta_k \leq \sum_{k\in A^*}\Delta_k, met gelijkheid in A=AA = A^*; en omdat het positieve en het negatieve deel van (Δk)(\Delta_k) dezelfde totale massa hebben, is AΔk=12kΔk\sum_{A^*}\Delta_k = \frac12\sum_k\abs{\Delta_k}. Het verwisselen van μ\mu en ν\nu handelt het teken af: dTV(μ,ν)=12kΔkd_{\mathrm{TV}}(\mu, \nu) = \frac12\sum_k\abs{\Delta_k}. Koppeling: voor elke AA is

μ(A)ν(A)=E[1A(X)1A(Y)]=E[(1A(X)1A(Y))1XY]P(XY),\mu(A) - \nu(A) = \E\bigl[\mathbf 1_A(X) - \mathbf 1_A(Y)\bigr] = \E\bigl[(\mathbf 1_A(X) - \mathbf 1_A(Y))\,\mathbf 1_{X\neq Y}\bigr] \leq \P(X \neq Y),

en neem het supremum over AA.

21. De twee verdelingen laden: k=0k = 0: 1p1 - p tegenover ep\eu^{-p}, met ep>1p\eu^{-p} > 1 - p; k=1k = 1: pp tegenover pep<pp\,\eu^{-p} < p; k2k \geq 2: 00 tegenover de poissonrest 1eppep01 - \eu^{-p} - p\eu^{-p} \geq 0. Bijgevolg

dTV=12[(ep1+p)+(ppep)+(1eppep)]=12(2p2pep)=p(1ep),d_{\mathrm{TV}} = \tfrac12\bigl[(\eu^{-p} - 1 + p) + (p - p\eu^{-p}) + (1 - \eu^{-p} - p\eu^{-p})\bigr] = \tfrac12\bigl(2p - 2p\eu^{-p}\bigr) = p(1 - \eu^{-p}),

en 1epp1 - \eu^{-p} \leq p geeft de grens p2p^2.

22. Schrijf Hi1=Wi+XiH_{i-1} = W_i + X_i en Hi=Wi+YiH_i = W_i + Y_i met Wi=j<iYj+j>iXjW_i = \sum_{j<i}Y_j + \sum_{j>i}X_j, onafhankelijk van het paar (Xi,Yi)(X_i, Y_i) (coalities). Voor ANA \subseteq \N geeft conditioneren op de aftelbaar vele waarden, met de onafhankelijkheid,

P(Hi1A)=k0P(Xi=k)P(Wi+kA),\P(H_{i-1} \in A) = \sum_{k\geq0}\P(X_i = k)\,\P(W_i + k \in A),

en evenzo voor HiH_i met YiY_i. Aftrekken, met ck=P(Wi+kA)[0,1]c_k = \P(W_i + k \in A) \in \intcc01 en Δk=P(Xi=k)P(Yi=k)\Delta_k = \P(X_i = k) - \P(Y_i = k) van som nul:

P(Hi1A)P(HiA)=kΔk(ck12)12kΔk=dTV(B(1,pi),P(pi)).\abs{\P(H_{i-1} \in A) - \P(H_i \in A)} = \Bigl|\sum_k\Delta_k\bigl(c_k - \tfrac12\bigr)\Bigr| \leq \tfrac12\sum_k\abs{\Delta_k} = d_{\mathrm{TV}}\bigl(\mathcal B(1, p_i), \mathcal P(p_i)\bigr) .

Telescoperen van H0=SH_0 = S tot Hn=iYiP(λ)H_n = \sum_iY_i \sim \mathcal P(\lambda) (Oefening 23.1, herhaald) en vraag 21 gebruiken:

P(SA)P(P(λ)A)i=1npi(1epi)i=1npi2voor elke A:\abs{\P(S \in A) - \P(\mathcal P(\lambda) \in A)} \leq \sum_{i=1}^np_i\bigl(1 - \eu^{-p_i}\bigr) \leq \sum_{i=1}^np_i^2 \qquad\text{voor elke } A :

de ongelijkheid van Le Cam. (De koppelingsgrens van vraag 20 geeft een alternatieve weg: koppel elk paar op één uniforme veranderlijke zodat P(XiYi)pi2\P(X_i \neq Y_i) \leq p_i^2 en begrens P(SYi)\P(S \neq \sum Y_i); het verwisselen heeft helemaal geen constructie nodig.)

23. (a) Met pi=λnp_i = \frac\lambda n: dTV(verdeling van S,P(λ))λ2nd_{\mathrm{TV}}(\text{verdeling van }S, \mathcal P(\lambda)) \leq \frac{\lambda^2}n. Dat scherpt Oefening 23.5 op drie manieren aan: een expliciete fout bij elke eindige nn, uniformiteit over alle gebeurtenissen AA tegelijk (niet één interval per keer), en geen behoefte aan gelijke pip_i — enkel aan een kleine ipi2\sum_ip_i^2, bijvoorbeeld pi2λmaxipi\sum p_i^2 \leq \lambda\max_ip_i: veel zeldzame gebeurtenissen, geen enkele dominant. (b) Hier is n=500n = 500, pi=1500p_i = \frac1{500}, λ=1\lambda = 1: het poissonmodel vergist zich op elke gebeurtenis met hoogstens 50015002=0.002500\cdot\frac1{500^2} = 0.002; in het bijzonder, met A={0}A = \{0\},

P(geen brief verloren)=(11500)500,P(geen brief verloren)e10.002,\P(\text{geen brief verloren}) = \Bigl(1 - \frac1{500}\Bigr)^{500}, \qquad \Bigl|\P(\text{geen brief verloren}) - \eu^{-1}\Bigr| \leq 0.002,

zodat het antwoord e10.368\eu^{-1} \approx 0.368 is, op een gewaarborgde 0.0020.002 na (de werkelijke afwijking is ongeveer 41044\cdot10^{-4}). (c) De opgave sluit op één methode met twee regimes. Wanneer nn vergelijkbare bijdragen elk variantie 1n\frac1n dragen, maakt het samenvallen van twee momenten met de gaussische de verwisselingsfouten elk o(1n)o(\frac1n): sommen worden gaussisch — met Taylor als lokaal vergelijkingsgereedschap. Wanneer nn bijdragen indicatoren met kans pip_i zijn, maakt het samenvallen van het gemiddelde met een poissonatoom elke verwisseling pip_i 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 n(Xˉnμ)N(0,σ2)\sqrt n(\bar X_n - \mu) \Rightarrow \mathcal N(0, \sigma^2), en g(x)=lnxg(x) = \ln x is differentieerbaar in μ>0\mu > 0 met g(μ)=1μg'(\mu) = \frac1\mu: de deltamethode (Deel VI) levert n(lnXˉnlnμ)N(0,σ2/μ2)\sqrt n(\ln\bar X_n - \ln\mu) \Rightarrow \mathcal N(0, \sigma^2/\mu^2). Het interval lnXˉnlnμ1.96σμn\abs{\ln\bar X_n - \ln\mu} \leq \frac{1.96\,\sigma}{\mu\sqrt n} door exponentiëren uitpakken:

μXˉne±1.96σ/(μn)met asymptotische kans 95%\mu \in \bar X_n\cdot \eu^{\pm1.96\,\sigma/(\mu\sqrt n)} \qquad\text{met asymptotische kans } 95\%

(in de praktijk wordt σ/μ\sigma/\mu 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. E[(Xp)3]=(1p)3p+(p)3(1p)=p(1p)[(1p)2p2]=p(1p)(12p)\E[(X - p)^3] = (1-p)^3p + (-p)^3(1 - p) = p(1-p)\bigl[(1-p)^2 - p^2\bigr] = p(1-p)(1 - 2p). In de analyse van het verwisselen (Deel IV) draagt de leidende foutterm na het samenvallen van twee momenten het getekende derde moment: voor p<12p < \frac12 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 n1/2n^{-1/2}; in p=12p = \frac12 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: P(S=0)=0.920=0.1216\P(S = 0) = 0.9^{20} = 0.1216, terwijl de gaussische N(2,1.8)\mathcal N(2, 1.8) Φ(0.521.8)=Φ(1.118)0.132\Phi\bigl(\frac{0.5 - 2}{\sqrt{1.8}}\bigr) = \Phi(-1.118) \approx 0.132 geeft: de normale kromme, die niets weet van de muur in 00 en van de scheefheid naar rechts, legt te veel massa onderaan — het voorspelde teken van de fout, al zichtbaar bij n=20n = 20.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst