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定理已证明

弱大数定律

命题陈述

设 X1,X2,…X_1, X_2, \dots 是具有有限均值 μ=E[X1]\mu = \mathbb{E}[X_1] 的独立同分布随机变量序列。对于样本均值 Xˉn=1n∑i=1nXi\bar{X}_n = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i 以及任意 ε>0\varepsilon > 0,有 lim⁡n→∞P(∣Xˉn−μ∣≥ε)=0\lim_{n \to \infty} \mathbb{P}(|\bar{X}_n - \mu| \ge \varepsilon) = 0;即 Xˉn\bar{X}_n 依概率收敛于 μ\mu。

为什么成立?

单次随机试验的结果可能剧烈波动,但当对大量独立试验求平均时,正负偏差往往相互抵消,使得样本均值偏离真实均值 μ\mu 较远的可能性随着样本量 nn 的增大而越来越小。

证明思路

当方差 σ2=Var⁡(X1)\sigma^2 = \operatorname{Var}(X_1) 有限时,由线性性与独立性可得 E[Xˉn]=μ\mathbb{E}[\bar{X}_n] = \mu 且 Var⁡(Xˉn)=σ2n\operatorname{Var}(\bar{X}_n) = \frac{\sigma^2}{n}。应用切比雪夫不等式即得 P(∣Xˉn−μ∣≥ε)≤Var⁡(Xˉn)ε2=σ2nε2→0\mathbb{P}(|\bar{X}_n - \mu| \ge \varepsilon) \le \frac{\operatorname{Var}(\bar{X}_n)}{\varepsilon^2} = \frac{\sigma^2}{n\varepsilon^2} \to 0(当 n→∞n \to \infty 时)。若仅假设 E[∣X1∣]<∞\mathbb{E}[|X_1|] < \infty(辛钦定理),则令 Yi=Xi1{∣Xi∣≤n}Y_{i} = X_i \mathbf{1}_{\{|X_i| \le n\}} 在水平 nn 处截断,利用 E[∣X1∣]<∞\mathbb{E}[|X_1|] < \infty 证明 P(∃i≤n:Xi≠Yi)≤nP(∣X1∣>n)→0\mathbb{P}(\exists i \le n : X_i \ne Y_i) \le n\mathbb{P}(|X_1| > n) \to 0,再对截断后的均值应用切比雪夫不等式。

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分步证明

该定理暂无分步证明。

参考文献

  1. Jacob Bernoulli (1713). Ars Conjectandi
  2. Geoffrey Grimmett, David Stirzaker (2020). Probability and Random Processes