MathLabs
定理已证明

强大数定律

命题陈述

设 X1,X2,…X_1, X_2, \dots 是满足 E[∣X1∣]<∞\mathbb{E}[|X_1|] < \infty 且均值为 μ=E[X1]\mu = \mathbb{E}[X_1] 的独立同分布随机变量序列。则样本均值 Xˉn=1n∑i=1nXi\bar{X}_n = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i 几乎必然收敛于 μ\mu:P(lim⁡n→∞Xˉn=μ)=1\mathbb{P}\left(\lim_{n \to \infty} \bar{X}_n = \mu\right) = 1。

为什么成立?

弱大数定律仅表明在任意单个足够大的时刻 nn,均值 Xˉn\bar{X}_n 很大可能接近 μ\mu;而强大数定律则保证在几乎每一条无限试验序列上,累积均值最终都会稳定下来并永远保持在 μ\mu 附近,其概率为 11。

证明思路

不失一般性,设 μ=0\mu = 0。令 Yn=Xn1{∣Xn∣≤n}Y_n = X_n \mathbf{1}_{\{|X_n| \le n\}} 进行截断。由于 ∑n=1∞P(∣Xn∣>n)=∑n=1∞P(∣X1∣>n)≤E[∣X1∣]<∞\sum_{n=1}^{\infty} \mathbb{P}(|X_n| > n) = \sum_{n=1}^{\infty} \mathbb{P}(|X_1| > n) \le \mathbb{E}[|X_1|] < \infty,由博雷尔-坎泰利引理可知 P(Xn≠Yn i.o.)=0\mathbb{P}(X_n \ne Y_n \text{ i.o.}) = 0。由富比尼定理可得 ∑n=1∞Var⁡(Yn)n2≤∑n=1∞E[Yn2]n2≤2E[∣X1∣]<∞\sum_{n=1}^{\infty} \frac{\operatorname{Var}(Y_n)}{n^2} \le \sum_{n=1}^{\infty} \frac{\mathbb{E}[Y_n^2]}{n^2} \le 2\mathbb{E}[|X_1|] < \infty。根据柯尔莫哥洛夫收敛判别法(由柯尔莫哥洛夫极大不等式推出),∑n=1∞Yn−E[Yn]n\sum_{n=1}^{\infty} \frac{Y_n - \mathbb{E}[Y_n]}{n} 几乎必然收敛。再由克罗内克引理得 1n∑i=1n(Yi−E[Yi])→0\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n (Y_i - \mathbb{E}[Y_i]) \to 0 几乎必然成立,且因 E[Yn]→μ=0\mathbb{E}[Y_n] \to \mu = 0,故 Xˉn→0\bar{X}_n \to 0 几乎必然成立。

证明者

用到此定理的主题

相关定理

分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Andrey Kolmogorov (1933). Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitsrechnung
  2. Rick Durrett (2019). Probability: Theory and Examples