Центральная предельная теорема в форме Ляпунова

Пусть у случайных величин в схеме серий существует математическое ожидание Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru , дисперсия Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru и третий абсолютный момент Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru .

Предположим, без ограничения общности, что

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Пусть

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Тогда

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Доказательство.

Для доказательства используем следующие две леммы.

Лемма 1.

Если Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru , то

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Доказательство леммы 1.

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Третье неравенство доказывается аналогично.

Доказательство леммы 1 завершено.

Лемма 2.

Если Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru , то

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Доказательство леммы 2.

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru Доказательство леммы 2 завершено.

Доказательство теоремы.

Используя леммы 1 и 2 и равенство

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

получаем

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru Первая сумма стремится к нулю по условиям теоремы, а вторая потому, что

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

и по неравенству Ляпунова для моментов и условиям теоремы

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Теорема доказана.

Условное математическое ожидание, условная вероятность и условное распределение

Условное математическое ожидание является одним из основных понятий современной теории вероятностей. Оно позволяет дать корректное определение условной вероятности относительно возможных (непустых) событий, имеющих нулевую вероятность. Необходимость такого определения становится ясной из следующего примера.

Пусть Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - случайная равномерно распределенная точка на единичном квадрате. Тогда случайные величины Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru независимы, равномерно распределены на единичном отрезке и

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

С одной стороны в силу независимости случайных величин Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru условная вероятность события Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru при условии Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru должна совпадать с его безусловной вероятностью

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

с другой стороны формальное вычисление этой условной вероятности по формуле условной вероятности

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

невозможно. Понятие условного математического ожидания позволяет дать новые, более общие, определения для условной вероятности и условного распределения.

Определение и основные свойства условного математического ожидания

Формальное определение условного математического ожидания является очень простым.

Пусть Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - случайная величина с конечным математическим ожиданием, заданная на

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

и Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - некоторая сигма-алгебра.

Случайная величина Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru называется условным математическим ожиданием случайной величины Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru относительно Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru , если

1. Случайная величина Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - измерима

2. Для любого события Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

·

Условное математическое ожидание обозначается так

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Напомним, что измеримость Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru относительно Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru означает, что

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Заметим, что условие 2) в определении условного математического ожидания можно рассматривать как систему уравнений (количество уравнений равно количеству множеств в Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru , при заданной Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru правая часть к важдом уравнении известна) на функцию Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru , а условие 1) как описание класса функций, в котором ищется решение уравнения 2).

Прежде, чем исследовать вопросы существования и единственности условного математического ожидания в общей ситуации, приведем примеры вычисления условных математических ожиданий исходя из этого определения.

ПРИМЕР 1.

Пусть Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - случайная величина с конечным математическим ожиданием, заданная на

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

и Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Тогда класс функций, в котором ищется решение уравнения 2), совпадает с классом всех случайных величин заданных на

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

и, следовательно, можно положить Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Таким образом, сама случайная величина Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru является частным случаем условного математического ожидания, если положить Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

ПРИМЕР 2.

Пусть Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - случайная величина с конечным математическим ожиданием, заданная на

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

и Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Тогда класс функций, в котором ищется решение уравнения 2), совпадает с классом измеримых относительно тривиальной сигма-алгебры функции т.е. всех констант и уравнений всего 2

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru ,

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru ,

следовательно, можно положить Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Таким образом, математическое ожидание является частным случаем условного математического ожидания, если положить Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

ПРИМЕР 3.

Пусть Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - случайная величина с конечным математическим ожиданием, заданная на

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

и сигма-алгебра Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru порождена некоторым событием A Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Тогда класс функций, в котором ищется решение уравнения 2), совпадает с классом простых функций , принимающих два значения, соответственно, на множествах Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru и Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru . Обозначим их , например, Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru и Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Уравнений всего 4

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru ,

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru ,

причем первое из них не накладывает никаких ограничений на функцию Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru , а четвертое следует из второго и третьего.

Так как случайная величина Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru постоянна на множествах Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru и Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru то, из второго и третьего уравнений можно определить значения Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru и Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Нетрудно обобщить этот пример на случай сигма-алгебры , порожденной некоторым конечным разбиением пространства элементарных исходов.

ПРИМЕР 4.

Пусть Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru - случайно выбранная на единичном отрезке точка

Покажите, что набор всех симметричных относительно ½ борелевских подмножеств единичного отрезка является сигма-алгеброй. Множество симметрично относительно ½, если вместе с точкой х оно содержит точку 1-х. и сигма-алгебра Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru является сигма-алгеброй всех симметричных относительно точки ½ борелевских множеств единичного отрезка. Тогда класс функций, в котором ищется решение уравнения 2), совпадает с классом функций , графики которых симметричны относительно прямой х=1/2 . Выбирая, в качестве множества A, симметричное при х<1/2 множество Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru получим

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Так как график Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru симметричен относительно центра единичного отрезка, получаем

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

откуда следует, что

Центральная предельная теорема в форме Ляпунова - student2.ru

Наши рекомендации