大数定律和中心极限定理

前置知识

马尔可夫不等式

设非负随机变量 XX 满足 E(X)<+∞E(X)<+\infty,则对于任意 ε>0\varepsilon>0,有

P(X≥ε)≤E(X)ε P(X \geq \varepsilon) \leq \frac{E(X)}{\varepsilon}

广义马尔可夫不等式

广义马尔可夫不等式给出随机变量绝对值超过阈值的概率上界。设随机变量 XX 满足 E(∣X∣k)<+∞E(|X|^k)<+\infty,其中 k>0k>0,则对于任意 ε>0\varepsilon>0,有

P(∣X∣≥ε)≤E(∣X∣k)εk P(|X| \geq \varepsilon) \leq \frac{E\left(|X|^{k}\right)}{\varepsilon^{k}}

切比雪夫不等式

切比雪夫不等式给出随机变量偏离其期望的概率上界。设随机变量 XX 的期望为 E(X)=μE(X)=\mu,方差为 D(X)=σ2<+∞D(X)=\sigma^2<+\infty,则对于任意 ε>0\varepsilon>0,恒有

P(∣X−μ∣⩾ε)⩽σ2ε2 P(|X-\mu| \geqslant \varepsilon) \leqslant \frac{\sigma^{2}}{\varepsilon^{2}}

或

P(∣X−μ∣<ε)>1−σ2ε2 P(|X-\mu|<\varepsilon)>1-\frac{\sigma^{2}}{\varepsilon^{2}}

依概率收敛

设 Y1,Y2,⋯ ,Yn,⋯Y_{1},Y_{2},\cdots,Y_{n},\cdots 是一个随机变量序列,XX 是一个随机变量,若 ∀ε>0\forall \varepsilon > 0,有

lim⁡n→+∞P(∣Yn−X∣⩾ε)=0 \lim _{n \rightarrow+\infty} P\left(\left|Y_{n}-X\right| \geqslant \varepsilon\right)=0

或

lim⁡n→+∞P(∣Yn−X∣<ε)=1 \lim _{n \rightarrow+\infty} P\left(\left|Y_{n}-X\right|<\varepsilon\right)=1

则称随机变量序列 Y1,Y2,⋯ ,Yn,⋯Y_{1},Y_{2},\cdots,Y_{n},\cdots 依概率收敛于 XX,记作 Yn⟶Pn→+∞XY_{n} \underset{n \rightarrow+\infty}{\stackrel{P}{\longrightarrow}} X

大数定律

弱大数定律

若随机变量序列 X1,X2,⋯ ,Xn,⋯X_{1},X_{2},\cdots,X_{n},\cdots 的期望均存在,且对任意 ε>0\varepsilon>0,有

lim⁡n→+∞P(∣1n∑k=1nXk−1n∑k=1nE(Xk)∣<ε)=1 \lim _{n \rightarrow+\infty} P\left(\left|\frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} X_{k}-\frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} E\left(X_{k}\right)\right|<\varepsilon\right)=1

则称该序列满足 弱大数定律。

  • 当 n→∞n\to\infty 时,样本均值与其均值之差落在任意给定邻域内的概率趋于 11。

伯努利大数定律

设进行 nn 次相互独立的伯努利试验,事件 AA 在每次试验中发生的概率均为 pp,nAn_A 表示事件 AA 发生的次数,则对任意 ε>0\varepsilon>0,有

lim⁡n→+∞P(∣nAn−p∣⩾ε)=0 \lim _{n \rightarrow+\infty} P\left(\left|\frac{n_{A}}{n}-p\right| \geqslant \varepsilon\right)=0

或

lim⁡n→+∞P(∣nAn−p∣<ε)=1 \lim _{n \rightarrow+\infty} P\left(\left|\frac{n_{A}}{n}-p\right|<\varepsilon\right)=1

即随机事件 AA 在 nn 次试验中发生的 频率 nAn\dfrac{n_A}{n} 依概率收敛 于 AA 在一次试验中发生的 概率 pp

切比雪夫大数定律

若随机变量序列 X1,X2,⋯ ,Xn,⋯X_{1},X_{2},\cdots,X_{n},\cdots 的均值和方差均存在,且满足以下条件:

  • 随机变量序列 X1,X2,⋯ ,Xn,⋯X_{1},X_{2},\cdots,X_{n},\cdots 两两不相关:Cov⁡(Xi,Xj)=0 (i≠j)\operatorname{Cov}(X_i,X_j)=0\ (i\ne j)

  • 方差有共同上界:D(Xk)=σk2⩽σ2, k=1,2,⋯D\left(X_{k}\right)=\sigma_{k}^{2}\leqslant\sigma^{2},\ k=1,2,\cdots

则该序列满足弱大数定律。记 E(Xk)=μkE(X_k)=\mu_k,则对任意 ε>0\varepsilon>0,有

lim⁡n→+∞P(∣1n∑k=1nXk−1n∑k=1nμk∣<ε)=1 \lim _{n \rightarrow+\infty} P\left(\left|\frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} X_{k}-\frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} \mu_{k}\right|<\varepsilon\right)=1

辛钦大数定律

随机变量序列 X1,X2,⋯ ,Xn,⋯X_{1},X_{2},\cdots,X_{n},\cdots 满足以下条件:

  • 独立同分布(i.i.d.)

  • E(∣X1∣)<+∞E(|X_1|)<+\infty,记 E(Xk)=μ, k=1,2,⋯E(X_k)=\mu,\ k=1,2,\cdots

则该序列满足弱大数定律。对任意 ε>0\varepsilon>0,有

lim⁡n→+∞P(∣1n∑k=1nXk−μ∣<ε)=1 \lim _{n \rightarrow+\infty} P\left(\left|\frac{1}{n} \sum_{k=1}^{n} X_{k}-\mu\right|<\varepsilon\right)=1

马尔科夫大数定律

设随机变量序列 X1,X2,⋯ ,Xn,⋯X_{1},X_{2},\cdots,X_{n},\cdots 的均值和方差均存在,且满足

D(1n∑k=1nXk)=1n2D(∑k=1nXk)⟶n→∞0 D\left(\dfrac1n\sum_{k=1}^{n} X_{k}\right) = \frac{1}{n^{2}} D\left(\sum_{k=1}^{n} X_{k}\right) \stackrel{n \rightarrow \infty}{\longrightarrow } 0

则该随机变量序列满足弱大数定律。即对任意 ε>0\varepsilon>0,有

lim⁡n→∞P(∣1n∑i=1nXi−1n∑i=1nE(Xi)∣<ε)=1 \lim_{n \rightarrow \infty} P\left(\left|\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} X_{i}-\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} E\left(X_{i}\right)\right|<\varepsilon\right)=1

中心极限定理

独立同分布的中心极限定理

设 X1,X2,⋯ ,Xn,⋯X_{1},X_{2},\cdots,X_{n},\cdots 为独立同分布的随机变量序列,E(Xk)=μE(X_k)=\mu,D(Xk)=σ2D(X_k)=\sigma^2,其中 0<σ2<+∞0<\sigma^2<+\infty。记 ∑k=1nXk\displaystyle\sum_{k=1}^n X_k 的标准化随机变量为

Yn=∑k=1nXk−nμnσ Y_n = \dfrac{\displaystyle\sum_{k=1}^nX_k-n\mu}{\sqrt{n} \sigma}

则

lim⁡n→∞P(Yn≤y)=Φ(y)=12π∫−∞ye−t22 dt \lim_{n\to\infty}P(Y_n\le y)=\Phi(y)=\dfrac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^y\mathrm e^{-\frac{t^2}{2}}\,\mathrm dt

即

Yn→DN(0,1). Y_n\xrightarrow{\mathcal D}N(0,1).

因此,当 nn 充分大时,∑k=1nXk\displaystyle\sum_{k=1}^n X_k 可近似服从 N(nμ,nσ2)N(n\mu,n\sigma^2)。

P(∑k=1nXk≤x)≈Φ(x−nμnσ) P\left(\sum_{k=1}^n X_k \le x\right)\approx \mathit\Phi\left(\dfrac{x - n\mu}{\sqrt n \sigma}\right)

棣莫弗-拉普拉斯中心极限定理

设随机变量 Yn∼B(n,p)Y_n\sim B(n,p),其中 0<p<10<p<1,n=1,2,⋯n=1,2,\cdots,则

Yn−npnp(1−p)→DN(0,1) \dfrac{Y_n-np}{\sqrt{np(1-p)}}\xrightarrow{\mathcal D}N(0,1)

用频率估计概率

设进行 nn 次相互独立的伯努利试验,ηn\eta_n 表示成功次数,成功概率为 pp,并记 q=1−pq=1-p。切比雪夫不等式可给出概率界,当 nn 足够大时,中心极限定理可给出频率的渐近正态近似,但在较小的 nn 或 pp 接近 00、11 时不一定更精确。

P{∣ηnn−p∣<ε}=P{∣ηn−npn∣<ε}=P{−εnpq<ηn−npnpq<εnpq}≈Φ(εnpq)−Φ(−εnpq)=2Φ(εnpq)−1 \begin{aligned} &P\left\{\left|\dfrac{\eta_{n}}{n}-p\right|<\varepsilon\right\}\\ =&P\left\{\left|\dfrac{\eta_{n}-n p}{n}\right|<\varepsilon\right\} \\ =&P\left\{-\varepsilon \sqrt{\dfrac{n}{p q}}<\dfrac{\eta_{n}-n p}{\sqrt{n p q}}<\varepsilon \sqrt{\dfrac{n}{p q}}\right\} \\ \approx &\Phi\left(\varepsilon \sqrt{\dfrac{n}{p q}}\right)-\Phi\left(-\varepsilon \sqrt{\dfrac{n}{p q}}\right)\\ =& 2 \Phi\left(\varepsilon \sqrt{\dfrac{n}{p q}}\right)-1 \end{aligned}