Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Elementy_teorii_veroyatnostey_Tsekhovaya

.pdf
Скачиваний:
83
Добавлен:
01.03.2016
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

31.

Вычислить

математическое ожидание

и дисперсию случайной

величины ξ с характеристической функцией fξ(t) =

4eit cost

.

4

+t2

32.

 

 

 

 

Случайные величины ξ1, ξ2 ,… – независимы и имеют показательное

распределение с параметром а. Найти М{ξ1 + … + ξn}k при k = 1, 2 и

произвольном n = 1, 2,…

 

 

 

 

33.

Пользуясь

выражением f (t) = e−t 2σ2 / 2

для

характеристической

функции центрированной случайной величины, подчиняющейся закону нормального распределения, определить все центральные моменты.

34. Убедиться, что

f (t) =

3 + cost

является характеристической

4

 

 

 

функцией. Найти закон распределения, соответствующий этой характеристической функции.

35. Покажите, что f (t) = (1+3cost) / 4 является характеристической

функцией. Найти закон распределения, соответствующий этой характеристической функции.

36. Дана характеристическая функция f (t) =

1

 

 

. Показать, что она

2e−it

−1

 

 

соответствует случайной величине дискретного типа. Найти ряд распределения этой случайной величины.

37.

Выяснить,

является ли данная функция характеристической:

f (t) =

1 eit +

1 e2it + 1 e3it .

38.

2

4

2

Какое распределение вероятностей имеет сумма ξ + η независимых

случайных величин ξ и η, если одна из них распределена равномерно на

отрезке [– 1, 1],

а другая

– равномерно на

двухэлементном

множестве

{– 1, 1}?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−t

2

,| t |<1,

 

 

39. Доказать,

что

функция

1

 

не

является

f (t) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

характеристической.

 

0,| t |≥1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40.Доказать, что функция e−t2 (π−arctgt) не является характеристической.

41.Докажите: если хотя бы один из коэффициентов b1,…,bn отличен от

n

нуля,тофункция ∑(ak coskt + bk sin kt) неотноситсякхарактеристической.

k=1

21

42. Докажите, что при любом 0 < α ≤ 1 функция f (t) =

1

является

1+ | t |α

 

 

характеристической.

43. Пусть ξ1, ξ2, …– последовательность независимых одинаково распределенных случайных величин, v – случайная величина, не зависящая

от ξ1, ξ2,… и принимающая целые положительные значения. P{v = k} = pk. Пусть ψ(t) – характеристическая функция ξ1. Найти характеристическую функцию случайной величины ξ1 + … + ξv.

44.Случайные величины ξ1, ξ2 и η независимы; характеристические функции величин ξ1 и ξ2 равны ψ1(t) и ψ2(t) соответственно. Известно, что P{η = 1} = 1 – P{η = 0} = p. Найти характеристическую функцию случайной величина v = ηξ1 + (1 – η)ξ2.

45.Найти характеристическую функцию "треугольного" распределения с

α(1−α | x |), | x |≤1/ α,

плотностью рξ(х) = 0, | x |>1/ α.

5. СХОДИМОСТЬ СЛУЧАЙНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ

Случайной последовательностью ξn = ξn(ω), ω Ω, n = 1, 2,…,

определенной на вероятностном пространстве (Ω, , Р), называется счетное параметрическое семейство случайных величин ξ1 = ξ1(ω), ξ2 = ξ2(ω),…,

заданных на одном и том же вероятностном пространстве (Ω, , Р).

В теории вероятностей существует четыре основных вида сходимости. Последовательность случайных величин ξ1, ξ2, … сходится к случайной

величине ξ с вероятностью 1 (почти наверное), если

P{ω: nlim→∞ ξn(ω) = ξ(ω)} = 1.

Принято этот вид сходимости кратко обозначать ξn

P=1

либо ξn

п.н.

→ ξ

→ ξ .

 

n→∞

 

n→∞

+∞

Теорема 2. Если для ε > 0 сходится ряд ∑P{| ξn −ξ|≥ ε} < + ∞, то

n=1

P=1

ξn n→→∞ ξ .

Последовательность случайных величин ξ1, ξ2, … сходится по вероятности к случайной величине ξ, и этот факт принято обозначать

P

ξn n→→∞ ξ , если для всякого ε > 0

22

lim P{|ξn – ξ| ≥ ε} = 0.

n→∞

Последовательность ξ1, ξ2, … сходится в среднем порядка r (0 < r < + ∞)

Lr

к случайной величине ξ, и принято кратко обозначать ξn n→→∞ ξ, если

ограниченыабсолютныемоменты порядка r : M{|ξn|r} < + ∞, M{|ξ|r} < + ∞, и выполняется предельное соотношение

lim М{|ξn – ξ|r} = 0.

n→∞

Если r = 2, то L2 - сходимость называется сходимостью в среднем

ср. кв.

квадратическом и обозначается ξn → ξ либо l.i.m.ξn = ξ .

n→∞ n→∞

Пусть ξ1, ξ2, … – случайная последовательность, определенная на

вероятностном пространстве (Ω, , Р), ξ – случайная величина, которая может быть определена и на другом вероятностном пространстве. Пусть

далее Fξn (x), Fξ(x), x R, – соответствующие функции распределения, а

С(Fξ) R – множество точек непрерывности Fξ(х). Говорят, что случайная последовательность {ξn} сходится к случайной величине ξ по

D

распределению, и пр инято кратко обозначать это: ξn n→→∞ ξ , если имеет

место сходимость последовательности функций распределения

nlim→∞ Fξn (x) = Fξ(x) , х С(Fξ).

Справедлива схема соотношения между видами сходимости.

P=1

ξn n→→∞ ξ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

↓

 

 

 

 

ξ

 

Lr

 

ξ

Lq

 

ξ

 

P

 

ξ

 

D

n

→ ξ

→

→ ξ

→

n

→ ξ

→

n

→ ξ

 

n→∞

 

n n→∞

 

n→∞

 

n→∞

 

 

 

 

 

(q < r)

 

 

 

 

 

 

 

 

Теорема 3. Если случайная последовательность ξ1, ξ2, … сходится в смысле каких-нибудь двух из трех видов сходимости: по вероятности, почти наверное, в среднем порядка r, то предельные случайные величины с вероятностью 1 совпадают.

Пример 7. Случайная последовательность ξ1, ξ2, … задана на

вероятностном пространстве (Ω, , Р), где Ω = [0, 1], – борелевская σ-алгебра подмножеств из Ω, P – мера Лебега,

23

ξn = ξn(ω) = na , 0 ≤ ω≤1/ n,0, 1/ n < ω≤1,

a > 0 – некоторый параметр. Исследовать сходимость в среднем порядка r последовательности ξ1, ξ2, … к случайной величине ξ = 0.

Решение. Вычислим M{ξn}r = nar ( 1n – 0) + 0r (1 – 1n ) = nar–1.

Если a <

1

, то

ξn

Lr

0 . Если a ≥

1

, то Lr - сходимость отсутствует.

→

 

r

 

 

n→∞

 

r

 

Упражнения

1.Пусть множество элементарных событий Ω = [0, 1]. Р – мера

0, ω (1/ n,1],

Лебега. Последовательность ξ1, ξ2, … имеет вид: ξn(ω) =

n, ω [0,1/ n].

Проверить три вида сходимости: почти наверное, по вероятности, в среднем порядка р.

2. Последовательность ξ(ni) (ω) , n = 1, 2,… , задана на веро ятностном

пространстве (Ω, , P), Ω = [0, 1], – борелевская σ-алгебра, Р – мера

Лебега,

 

ξ(ni) (ω) = 1, ω [(i −1) / n, i / n],

i = 1,…, n.

0, ω [(i −1) / n, i / n],

 

Доказать сходимость почти наверное, по вероятности, в среднем порядка р. 3. Последовательность случайных величин ξ1, ξ2, … сходится по вероятности к случайной величине ξ. Пусть g(x) – некоторая ограниченная, непрерывная функция. Что можно сказать о сходимости

последовательности ηn = g(ξn)?

4. Пусть множество элементарных событий Ω = [0, 1]. Р – мера Лебега.

Последовательность ξ1, ξ2, … имеет вид: ξn(ω) =

 

n

,ω[0,1/ n],

e

 

 

 

 

 

 

0,ω >1/ n.

Проверить три вида сходимости: почти наверное, по вероятности, в среднем порядка р.

5. Пусть ξ1, ξ2,… – последовательность случайных величин, причем ξn принимает значения na и 0 с вероятностями 1n и 1− 1n соответственно,

п = 1, 2,… Исследовать сходимость последовательности {ξn} по вероятности и в среднем порядка r в зависимости от выбора a и r.

24

6.

Пусть ξn

P

P

→ ξ и ηn

→ η. Доказать, что для любых действительных

 

 

n→∞

n→∞

P

чисел a, b и с выполняется аξn + bηn + с → aξ + bη + с.

n→∞

7. Пусть ξ1, ξ2,… и η1, η2,… – две последовательности положительных случайных величин. Могут ли существовать положительные числа a, b,

 

 

ξ

n

a

P

такие, что

 

 

 

→ 0

 

 

 

 

 

 

 

 

ηn

n→∞

 

 

ξ

n

b

P

и

 

 

 

→ ∞ .

 

 

 

 

 

 

 

 

ηn

n→∞

8.Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность случайных величин, η1, η2,…

–последовательность положительных целочисленных случайных величин,

таких, что ηn не зависит от ξ1, ξ2,… при любом n. Док ажите, что если

P

P

P

ηn → ∞ и ξn → ξ , то ξη

→ ξ.

n→∞

n→∞

n n→∞

9. Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность случайных величин, η1, η2,…– последовательность положительных целочисленных случайных величин,

таких, что ηn не зависит от ξ1, ξ2, … при любом n. Докажите, что если

P

D

D

ηn → ∞ и ξn → ξ, то ξη

→ ξ.

n→∞

n→∞

n n→∞

10. Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность случайных величин с конечными дисперсиями. Положим ап = Мξп, Dξп = σ2n . Доказать, что если

ап → ∞ и σn2 = о(ап2) при п → ∞, то

ξ

n

P

1.

 

→

 

an

n→∞

 

11. Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность независимых случайных величин с конечными математическими ожиданиями, ηn = ξ1 ×…× ξn.

P

Доказать, что если М|ξ1| = М|ξ2| = … < 1, то ηn n→→∞ 0 .

12. Пусть ξ1, ξ2,…– последовательность независимых случайных величин, ηn = ξ1 ×…× ξn. Доказать, что если для некоторого a > 0 М|ξ1|a =

P

М|ξ2|a =… < 1, то nbηn n→→∞0 для любого вещественного b.

P

13. Доказать, что если ξn n→→∞ ξ , то для всякого ε > 0 существует А > 0, такое, что при любом натуральном п P{|ξn| ≥ A} < ε.

14. Докажите, что если

 

P

 

1

P

1

 

а R.

ξn

→ a ≠ 0

, то

 

→

 

,

 

 

 

 

n→∞

 

ξn n→∞ a

 

 

25

15. Последовательность ξ1, ξ2,… такова,

что

для

всякого п

N

принимает значения n

α

 

1

 

 

1

 

 

и 0 с вероятностями

 

и 1 –

 

соответственно,

nβ

nβ

где α и β – положительные числа. Доказать,

 

что

ξn

 

P

0 , а при

β > 1

 

→

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

P=1

ξn n→→∞ 0 .

16. Докажите, что если ξ1, ξ2,… – одинаково распределенные случайные

величины, то

ξ

n

P

0 .

 

 

 

 

 

 

→

 

 

 

 

 

 

n

n→∞

 

P

 

P

P

17. Доказать, что если ξn −ηn

 

→

0 и ξn

→ ξ , то ηn

→ ξ .

 

 

 

 

 

 

n→∞

 

n→∞

n→∞

18. Пусть ξ1, ξ2,… и η 1, η2,…

– две последовательности случайных

 

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

величин, такие, что для любого ε > 0

∑P{| ξn −ηn |≥ ε} < +∞ . Доказать, что

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

P=1

 

 

 

 

P=1

 

 

 

 

если ηn → a ,

 

то ξn

→ a .

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

n→∞

 

 

 

 

19. Пусть последовательность случайных величин ξ1, ξ2,… сходится в среднем квадратическом к случайной величине ξ, причем М|ξn| < + ∞,

n = 1, 2,…

Доказать, что М|ξ| < + ∞ и

lim Mξn = Mξ.

 

 

 

n→∞

 

20. Пусть случайная последовательность ξn = – ξ,

n = 1, 2,…, причем

P{ω: ξ(ω)

= 0} = P{ω: ξ(ω) = 2} =

1 . Имеет ли

место сходимость

 

 

2

 

последовательности {ξn} к случайной величине ξ в среднем порядка r?

6. ЗАКОН БОЛЬШИХ ЧИСЕЛ. УСИЛЕННЫЙ ЗАКОН БОЛЬШИХ ЧИСЕЛ

Пусть задана последовательность случайных величин ξ1, ξ2, …, имеющих конечное математическое ожидание Mξk < + ∞, k = 1, n , n N =

{1, 2, 3,…}.

Последовательность ξ1, ξ2, … подчиняется закону больших чисел (ЗБЧ),

если

1

n

P

0 .

 

∑(ξk − Mξk )

→

 

n k =1

n→∞

 

Теорема 4 (достаточное условие Маркова ЗБЧ). Пусть на вероятностном пространстве (Ω, , Р) определена последовательность как

26

угодно зависимых случайных величин ξk = ξk(ω), k = 1, 2,…, имеющих конечные математические ожидания и дисперсии. Если выполняется

 

1

n

 

условие

D{∑

ξk } → 0 , то к последовательности {ξk} применим ЗБЧ.

2

 

n

k =1

n→∞

Теорема 5 (достаточное условие Чебышева ЗБЧ). Если ξk = ξk(ω), k = 1, 2,…, – последовательность попарно независимых случайных величин, имеющих конечные математические ожидания и ограниченные дисперсии

Dξk ≤ c < + ∞ для любого k, то к последовательности {ξk} применим ЗБЧ.

Теорема 6 (Бернулли). Если ξk = ξk(ω), k = 1, 2,…, – последовательность одинаково распределенных попарно независимых случайных величин

Бернулли, то ЗБЧ выполняется в виде

1

n

P

p .

 

∑ξk

→

 

n k =1

n→∞

 

Последовательность ξ1, ξ2, … подчиняется усиленному закону больших

 

1

n

P=1

 

чисел (УЗБЧ), если

 

∑(ξk − Mξk )

→

0 .

 

 

n k =1

n→∞

 

Теорема 7 (достаточное условие

Колмогорова УЗБЧ). Пусть на

вероятностном пространстве (Ω, , Р) определена последовательность независимых в совокупности случайных величин ξk = ξk(ω), k = 1, 2,…,

имеющих конечные математические

ожидания

Mξk = ak

и

дисперсии

Dξk = σk2 .

Если

сходится ряд

 

+∞

σ2

< +∞, то

к

Колмогорова ∑

k

 

 

 

 

k =1 k 2

 

 

 

последовательности {ξk} применим УЗБЧ.

н.о.р.

СВ).

Пусть

на

Теорема

8

(Колмогорова, УЗБЧ для

вероятностном пространстве (Ω, , Р) определена последовательность независимых в совокупности одинаково распределенных случайных

величин ξk = ξk(ω), k = 1, 2,… Для того чтобы выполнялся УЗБЧ в виде

1

n

P=1

< + ∞,

 

∑ξk

→ a , необходимо и достаточно, чтобы существовало Mξ1

n k =1

n→∞

 

причем Mξ1 = а.

Замечание. Из выполнения УЗБЧ следует выполнение ЗБЧ.

Пример 8. Применим ли к последовательности независимых случайных величин ξ1, ξ2, … ЗБЧ и УЗБЧ, если ряд распределения ξn имеет вид

xn

 

 

 

0

 

 

 

– n

 

n

 

 

 

pn

1/(2п)

1 – 1/п

1/(2п)

27

 

 

 

n

 

 

1

 

 

n

2

n

 

1

 

 

n

 

 

Мξn =

 

 

+

0(1−

 

) −

 

 

 

= 0 . Мξ n =

 

 

+ 0(1−

 

) +

 

=1.

 

2n

 

n

2n

 

2n

 

n

2n

Так как случайные величины независимы, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

n

1

n

1

 

n

 

 

1

n

1

 

 

D{∑ξk } =

∑Dξk =

 

∑M(ξk − Mξk )2 =

∑1 =

→0 .

n2

k =1

n2

k =1

n2

 

k =1

 

 

n2

k =1

n

 

n→∞

Решение. Проверим подчинение последовательности ξ1,

ξ2, … ЗБЧ по

теореме Маркова. Вычислим два первых начальных момента ξn:

 

Следовательно, учитывая утверждение теоремы 4, последовательность {ξn}

подчиняется ЗБЧ. Заметим, что выполнено

достаточное условие Чебышева

ЗБЧ (теорема 5).

 

Dξ

 

 

 

 

 

 

+∞

k

+∞

1

 

 

Поскольку

∑

 

= ∑

 

< +∞ ,

то в силу теоремы 7

 

 

 

k =1

k 2

k =1k 2

 

 

последовательность ξ1, ξ2, … подчиняется УЗБЧ.

Упражнения

1. Применима ли к последовательности независимых случайных

величин ξ1, ξ2, … теорема Маркова (Чебышева), если ряд распределения ξn имеет вид

xn

 

 

 

 

 

 

– n

 

 

n

 

 

 

pn

1/2

 

1/2

2. Последовательность независимых случайных величин ξ1, ξ2, …

задана законом распределения

 

 

 

xn

– п

п + 1

 

 

pn

(п + 1)/(2п + 1)

п/(2п + 1)

 

Применима ли к данной последовательности теорема Чебышева?

3.Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность независимых случайных величин, причем ξn принимает значения 2n и – 2n с вероятностями 1/2. Проверить, выполняются ли условия теоремы Маркова и Чебышева для ЗБЧ.

4.Применим ли к последовательности независимых случайных величин

ξ1, ξ2, … ЗБЧ, если ряд распределения ξn имеет вид

xn

 

 

 

 

 

 

–

 

ln n

 

ln n

 

 

 

 

 

pn

 

1/2

1/2

 

5.Применим ли к последовательности независимых случайных величин

ξ1, ξ2, … ЗБЧ, если ряд распределения ξn имеет вид

xn

– пα

0

пα

28

pn

1/(2n2 )

1−1/ n2

1/(2n2 )

6.Применим ли к последовательности независимых случайных величин

ξ1, ξ2, … ЗБЧ, если ряд распределения ξn имеет вид

xn

 

 

 

0

 

 

 

– 2 n

2 n

 

 

 

pn

1/(2n)

 

1−1/ n

1/(2n)

7.Применим ли к последовательности независимых случайных величин

ξ1, ξ2, … УЗБЧ, если ряд распределения ξn имеет вид

xn

– пα

0

пα

pn

1/(2n2 )

1−1/ n2

1/(2n2 )

8. Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность независимых случайных

величин, причем ξn принимает значения – n, 0, n с вероятностями 2–n, 1 – 2–n+1, 2–n соответственно. Применим ли к этой последовательности ЗБЧ?

9. Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность независимых случайных величин, принимающих каждая по четыре значения: ±1 с вероятностями

(1−1/ 2n ) / 2 и ±2n / 2 с вероятностями 2−n−1 . Доказать, что эта последовательность подчиняется как обычному, так и усиленному ЗБЧ.

10. Применима

ли к

последовательности

независимых случайных

величин ξ1, ξ2,… теорема Маркова,

если ряд распределения величин ξn

имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xn

– 5n

 

 

0

 

5n

 

 

pn

1/2n

 

1 – 1/2n–1

 

1/2n

 

11. Выяснить,

применима ли

к

последовательности независимых

случайных величин ξ1, ξ2,… теорема Чебышева, если ряд распределенияξn имеет вид

 

xn

 

– 3n

 

0

 

3n

 

 

 

 

pn

 

(2n п2)–1

 

1 – (2n–1 п2)–1

 

(2n п2)–1

 

12. Пусть ξ1,

ξ2, … –

последовательность

независимых

случайных

величин такая, что P{ξn = – ап} = P{ξn = ап} =

1

, где ап =

 

, если п –

n

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

точный квадрат; ап = 2–n – в остальных случаях. Применимы ли к данной последовательности ЗБЧ и УЗБЧ?

13. Докажите, что для последовательности независимых случайных величин ξ1, ξ2, … УЗБЧ выполняется тогда и только тогда, когда выполняется ЗБЧ. Ряд распределения ξn имеет вид

29

xn

– nα

nα

pn

1/2

1/2

14.Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность некоррелированных случайных величин, т.е. cov{ξi, ξj} = 0, i ≠ j. Дисперсия Dξn ≤ С = const. Подчиняется ли эта последовательность ЗБЧ и УЗБЧ?

15.Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность случайных величин с равномерно ограниченными дисперсиями, причем cov{ξi, ξj} ≤ 0, i ≠ j. Доказать, что к этой последовательности применим ЗБЧ.

16.Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность случайных величин с конечными дисперсиями и пусть коэффициент корреляции величин ξi и ξj не превосходит g(|j – i|), где g(k) ≥ 0. Доказать, что если

[g(0) + …+ g(n – 1)][ σ12 +... + σ2n ] = o(n2 ) при n → ∞,

то к последовательности {ξn} применим ЗБЧ.

17. Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность независимых одинаково распределенных случайных величин, а1, а2,… – равномерно ограниченная последовательность неотрицательных чисел. Можно ли утверждать, что

если ЗБЧ выполняется для ξn, п N, то он выполняется и для ηn , где

ηn = аn ξn ?

18.Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность случайных величин такая, что

ξn принимает значения – n, – (n – 1), …, –1, 0, 1, …, n – 1, n, причем

P{ξn = 0} = 1 –

2

(1+

1

+

1

... +

1

) ; P{|ξn| = n} =

1

.

3

3

3

3

3

 

 

2

 

3

 

n

3n

Применим ли к этой последовательности ЗБЧ?

19. Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность независимых одинаково распределенных случайных величин с математическим ожиданием а,

ηn = (ξ1 +…+ ξn)/n. Доказать, что к последовательности {ηn} применим УЗБЧ.

20.Пусть ξ1, ξ2, … – последовательность независимых равномерно распределенных на отрезке [a, b] случайных величин. Применим ли к этой последовательности ЗБЧ?

21.Случайная величина ξn имеет "треугольное" распределение, т.е. ее

 

 

0, x ≤ −an , x > an ,

 

 

 

 

 

 

плотность

f (x) =

(a

n

+ x) / a2

, − a

n

< x ≤ 0,

причем

a

n

= nδ,δ <1/ 2.

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(a

n

− x) / a2

, 0 < x ≤ a

n

,

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

, ξ2,… ЗБЧ?

Применим ли к последовательности независимых величин ξ1

22. Последовательность ξ1,ξ2, … образована независимыми случайными величинами, имеющими нормальное распределение с Мξk = 0 и дисперсией

30