РефератыМатематикаЦеЦентральная предельная теорема и ее доказательство через ряды Тейлора

Центральная предельная теорема и ее доказательство через ряды Тейлора

Прежде чем приступить к рассмотрению центральной предельной теоремы, я считаю нужным сказать о слабой сходимости.


Пусть задана последовательность случайных величин (далее с. в.) , задано некоторое распределение с функцией распределения и — произвольная с. в., имеющая распределение .


Определение.


Говорят, что последовательность с. в. при сходится слабо или по распределению к с. в. и пишут: , или , или , если для любого такого, что функция распределения непрерывна в точке , имеет место сходимость при .


Иначе говоря, слабая сходимость — это поточечная сходимость функций распределения во всех точках непрерывности предельной функции распределения.


Свойство 1.


Если , и функция распределения непрерывна в точках и , то


и т.д. (продолжить ряд).


Наоборот, если во всех точках и непрерывности функции распределения имеет место, например, сходимость , то .


Следующее важное свойство уточняет отношения между сходимостями.


Свойство 2.


1.
Если , то .


2.
Если , то .


Свойство 3.


1.
Если и , то .


2.
Если и , то .


Несколько содержательных примеров слабой сходимости я рассмотрю ниже. Но основной источник слабо сходящихся последовательностей и необычайно мощное и универсальное средство для асимптотического анализа распределений сумм независимых и одинаково распределенных случайных величин предоставляет нам центральная предельная теорема.


Я буду называть следующее утверждение «ЦПТ Ляпунова» (А. М. Ляпунов: 1901), но сформулирую и докажу теорему Ляпунова только в частном случае, т.е. для последовательности независимых и одинаково распределенных случайных величин.


Центральная предельная теорема.


Пусть — независимые и одинаково распределенные случайные величины с конечной и ненулевой дисперсией: . Обозначим через сумму первых случайных величин: .


Тогда последовательность случайных величин слабо сходится к стандартному нормальному распределению.


Доказательство.


Пусть — последовательность независимых и одинаково распределенных случайных величин с конечной и ненулевой дисперсией. Обозначим через математическое ожидание и через — дисперсию . Требуется доказать, что



Введем стандартизированные случайные величины — независимые с.в. с нулевыми математическими ожиданиями и единичными дисперсиями. Пусть есть их сумма . Требуется доказать, что



Характеристическая функция величины равна



Характеристическую функцию с.в. можно разложить в ряд Тейлора, в коэффициентах которого использовать известные моменты , . Получим



Подставим это разложение, взятое в точке , в равенство и устремим к бесконечности. Еще раз воспользуемся замечательным пределом:



В пределе получили характеристическую функцию стандартного нормального закона. По теореме о непрерывном соответствии можно сделать вывод о слабой сходимости :



распределений стандартизованных сумм к стандартному нормальному распределению, что и утверждается в ЦПТ.


Пользуясь определением и свойствами слабой сходимости, и заметив, что функция распределения любого нормального закона непрерывна всюду на , утверждение ЦПТ можно сформулировать любым из следующих способов:


Следствие.


Пусть — независимые и одинаково распределенные случайные величины с конечной и ненулевой дисперсией. Следующие утверждения эквивалентны друг другу и равносильны утверждению ЦПТ.


· Для любых вещественных при имеет место сходимость



· Для любых вещественных при имеет место сходимость



· Для любых вещественных при имеет место сходимость


t-align:center;">


· Если — произвольная с. в. со стандартным нормальным распределением, то



Следствием из ЦПТ является предельная теорема Муавра-Лапласа.


Предельная теорема Муавра — Лапласа.


Пусть — событие, которое может произойти в любом из независимых испытаний с одной и той же вероятностью . Пусть — число осуществлений события в испытаниях. Тогда .


Иначе говоря, для любых вещественных при имеет место сходимость



Доказательство.


По-прежнему есть сумма независимых, одинаково распределенных с. в., имеющих распределение Бернулли с параметром, равным вероятности успеха :




Осталось воспользоваться ЦПТ.


Ниже я рассмотрю примеры использования ЦПТ.


Пример 1
.


З а д а ч а. Монета подбрасывается 10000 раз. Оценить вероятность того, что частота выпадения герба отличается от вероятности более чем на одну сотую.


Р е ш е н и е. Требуется найти , где , — число выпадений герба, а — независимые с. в., имеющие одно и то же распределение Бернулли с параметром 1/2. Домножим обе части неравенства под знаком вероятности на и поделим на корень из дисперсии одного слагаемого.



Согласно ЦПТ или предельной теореме Муавра — Лапласа, последовательность



слабо сходится к стандартному нормальному распределению. Рассмотрим произвольную с. в. , имеющую распределение .



Пример 2.


Прекрасным примером ЦПТ в экономике может служить ее использование в страховом деле. В большинстве случаев конкретный вид распределения потерь (размеров отдельных требований о выплате страховых сумм) не играет существенной роли, поскольку сумма исков, предъявляемых страховщику (величина суммарного иска), обычно зависит только от средней величины и дисперсии убытка. Дело в том, что если количество страховых случаев значительно превышает единицу, то в силу центральной предельной теоремы распределение суммарного иска является нормальным распределением. Обозначив его дисперсию как DZ
, а математическое ожидание (среднее значение суммарного иска) как <
Z> = <
N><
Q>


- где <N>, <Q> - среднее значение числа страховых случаев и величины страховой выплаты, получаем следующее выражение для рисковой надбавки Тr
:


Т
r

= [(
Т
0

*
a
)/(<
N
>
*
<
Q
>)]
*
(<
N
>
*
D
Q

+ <
Q
>2

*
D
N

) 0.5


- где DQ
и DN
-дисперсии величины страховой выплаты и количества страховых случаев.


В простейшем случае, когда все выплаты одинаковы (а, следовательно, их дисперсия равна нулю), имеем:


Т
r

= (
Т
0

*
a
)/
N
0.5


Эта формула также дает неплохое приближение, если коэффициент вариации уровня страховых выплат значительно меньше единицы.


При включении в страховой полис нескольких независимых рисков ожидаемая величина страховых выплат в соответствии с теоремой о сложении вероятностей представляет собой сумму ожидаемых страховых выплат по каждому риску в отдельности, а рисковая надбавка вычисляется как среднеквадратичная величина всех рисковых надбавок.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Центральная предельная теорема и ее доказательство через ряды Тейлора

Слов:982
Символов:8422
Размер:16.45 Кб.