切比雪夫不等式,大数定律及极限定理。

news2025/1/19 11:39:16

一.切比雪夫不等式

1.定理

若随机变量X的期望EX和方差DX存在,则对任意ε > 0,有
  P{ |X - EX| >= ε } <= DX/ε2P{ |X - EX| < ε } >= 1 - DX/ε2
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2.解析定理

①该定理对 X 服从什么分布不做要求,仅EX DX存在即可。

②“| |” 由于X某次试验结果可能大于期望值,也可能小于期望值,但总在其旁边波动,所
以加"| |"。

③根据期望定义知,N次试验X的取值,总是徘徊在EX的附近,即 (EX - ε, EX + ε) 之间的可能性很大很大, 而落在 外边 的概率应特别小,比 DX/ε2 还要小。
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3.关于 DX/ε2

①DX为方差,DX越小,波动性越小,则N次X取值分布就越集中,则落在外边的概率就越小,则P{ |X - EX| >= ε } 就越小。

②DX为方差,影响不等式的因素之一,但切比雪夫不等式也反过来证明了DX存在的意义
  由不等式知DX越小,P{ |X - EX| >= ε }越小,X分布越集中于EX。这表明方差DX是 刻画随机变量与其期望值偏离程度的量 ,是描述随机变量X “分散程度” 特征的指标。故DX也属于X的数字特征之一。

4.证明切比雪夫不等式

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5.广义化切比雪夫不等式

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6.切比雪夫不等式应用

①可以估算随机变量X在某范围取值的概率
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②可以证明某些收敛性问题(如:证明大数定理)
后面有

二.依概率收敛

1.通常认知的收敛与依概率收敛的区别

①我们通常认知的收敛:(以数列收敛为例)
  an -> a : ∀ε > 0 , ョN > 0, 当 n > N 时 ,总有 “|Xn - a| < ε”.
即存在某一项,这项后面的所有项都绝对落在区域(a - ε , a + ε)之间。
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②依概率收敛:
  Xn - X:∀ε > 0 , ョN > 0, 当 n > N 时 ,“有概率为1的可能” 使 “|Xn - a| < ε”.
即存在某一项,这项后面所有项,“有概率为1的可能” 落在区间为(X - ε, X + ε)之间。

注:我们知道概率为 1 的事件 未必是绝对事件,所以 在某项之后的所有项中 ,还是有极少不听话的 “X” 落在了(X - ε, X + ε) 之外,但不影响整体的敛散性。
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综上就是 “依概率收敛” 和 “收敛” 的区别:
  ①收敛:在某项之后,是绝对趋于某值的,有且仅有一直逼向某值的可能。
  ②依概率收敛:在某项之后,未必绝对趋于某值,因为概率为1得事件未必是绝对事件。
(概率为1 < 绝对)
这就是为啥叫依概率收敛。(依的就是这个1,X在某项之后的所有项,有1的概率会落在(X - ε, X + ε)之间

2.举个例子理解依概率收敛,以及为啥会出现依概率收敛。

例子:若我们抛出了N次硬币,N 很大很大很大。N是偶数。出现正面的次数为 N/2,N/2次反面。
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①按照通常收敛定义知: 如果我们再次抛出硬币 k 次。那么,这k次后,Xn的概率应该只能更加逼近 1/2.而不可能出现其他情况。
但事实上,我们很有可能在再抛出k次之后 Xn的概率会变成 1/3。故通常的收敛已经不适用如上场景。

②依概率收敛: 当抛出 N 次后 Xn概率为 1/2后。再抛出k 次统计正面朝上概率为1/2的概率是1。但是概率为1的事件未必是绝对事件,只是可能性很大很大很大,但还是有可能出现其他概率的不为1/2了。这就完美了描述了上述场景。

三.大数定律

1.伯努利大数定律

注:伯努利大数定律告诉我们,当试验次数足够大时,用频率估算概率这件事是可靠的

①伯努利大数定理

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n趋向于无穷大时,事件A在n重伯努利事件中发生的频率fn/n无限接近于事件A在一次实验中发生的概率p。

②证明伯努利大数定理(夹逼准则+切比雪夫不等式)

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2.切比雪夫大数定律

①切比雪夫大数定律

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注1:X1,X2…Xn两两不相关。
注2:X1,X2…Xn不要求同分布。
注3:仅要求EXi DXi存在且DXi有界。
注4:这个表达式是由伯努利大数定理推出来的。基于“频率 估算 概率“的可靠性来的
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②证明切比雪夫大数定律

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3.切比雪夫大数定律推论

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注1:不相关 弱化为 独立
注2:无分布要求 弱化为 同分布
注3:Exi Dxi存在 弱化为 有具体值。
一般就考这个,因为更一般化的不好出题。

4.辛钦大数定律

将切比雪夫大数定律推论的条件再次弱化。即去掉方差要求,即为辛钦大数定律。
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此结论依然成立。
注:重点常用这个,因为条件弱化更容易出题。

5.总结大数定律

①伯努利大数定律给出:
  用频率估算概率这件事是靠谱的。
(即当试验总够大,频率 依概率收敛 于它的概率)
(用夹逼+切比雪夫不等式证明)

②基于“频率 依概率收敛于 概率”的可靠性,得出“切比雪夫大数定律”及其推论。
(即当Xi互不相关,EXi DXi 存在且DXi有界,∀ε >0有X均值 依概率收敛 于数学期望的均值)
(推论:即Xi相互独立,Exi = u,DXi = σ2,∀ε >0有X均值 依概率收敛 于数学期望u)
(用夹逼+切比雪夫不等式证)

③基于"切比雪夫大数定律推论"弱化其条件,得到辛钦大数定律。
(即Xi相互独立,Exi = u,∀ε >0有X均值 依概率收敛 于数学期望u)

④大数定律告诉我们两件事:
用频率估算概率很靠谱。
用X的均值估算X数学期望很靠谱。

四.中心极限定理

先略。

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