Часть V

ЗАКОН БОЛЬШИХ ЧИСЕЛ

[40/63%]
Показать
LaTeX
§
Задача 22.1

Пусть νn\nu_n — число успехов в nn испытаниях Бернулли с вероятностью успеха pp. Доказать, что для всякой непрерывной на отрезке [0,1][0,1] функции f(x)f(x) имеет место сходимость

sup⁡p∈[0,1]∣E[f(νnn)]−f(p)∣→0 при n→∞. \sup _{p \in [0,1]} \left|\mathbb {E}\left[f\left(\frac{\nu _n}{n}\right)\right] - f(p)\right| \to 0 \text{ при } n \to \infty .
?
Примечание.
?

Пусть ξ1,ξ2,…\xi_1, \xi_2, \ldots — последовательность независимых одинаково распределённых случайных величин с E[∣ξ1∣]<∞\mathbb {E}\left[\left|\xi_1\right|\right] < \infty. Тогда имеет место ЗБЧ: Sn/n→pE[ξ1]S_n/n \xrightarrow {p} \mathbb {E}\left[\xi_1\right] при n→∞n \to \infty.

Задача 22.2

Пусть f:[0,1]→Rf: [0,1] \to \mathbb {R} — непрерывная функция. Доказать, что полиномы Бернштейна

Bn(x)=∑i=0nf(in)Cnixi(1−x)n−i B_n(x) = \sum _{i=0}^{n} f\left(\frac{i}{n}\right) C_n^i x^i (1-x)^{n-i}

стремятся к f(x)f(x) при n→∞n \to \infty равномерно по x∈[0,1]x \in [0,1]:

sup⁡x∈[0,1]∣Bn(x)−x∣→0 при n→∞. \sup _{x \in [0,1]} \left|B_n(x) - x\right| \to 0 \text{ при } n \to \infty .
?
Задача 22.3

Пусть f:R+→Rf: \mathbb {R}^{+} \to \mathbb {R} — непрерывная ограниченная функция, KK — компакт в [0,∞)[0,\infty ). Доказать, что полиномы

Bn(x)=∑i=0∞f(in)(nx)ii!e−nx B_n(x) = \sum _{i=0}^{\infty } f\left(\frac{i}{n}\right) \frac{(nx)^i}{i!} e^{-nx}

стремятся к f(x)f(x) при n→∞n \to \infty равномерно по x∈Kx \in K.

?
Задача 22.4

Пусть f:R+→Rf: \mathbb {R}^{+} \to \mathbb {R} — непрерывная ограниченная функция, KK — компакт в [0,∞)[0,\infty ). Доказать, что полиномы

Bn(x)=∑i=0∞f(in+1)Cn+iixi(1+x)n+i+1 B_n(x) = \sum _{i=0}^{\infty } f\left(\frac{i}{n+1}\right) \frac{C_{n+i}^i x^i}{(1+x)^{n+i+1}}

стремятся к f(x)f(x) при n→∞n \to \infty равномерно по x∈Kx \in K.

?
Задача 22.5

В условиях задачи

?
(а)

22.2;

(б)

22.3;

(в)

22.4

доказать, что если функция ff имеет непрерывную производную f′f', то производные полиномов Bn(x)B_n(x) равномерно стремятся к f′(x)f'(x) при n→∞n \to \infty.

Задача 22.6

Пусть f(x,y)f(x,y) — непрерывная в треугольнике x⩾0x \geqslant 0, y⩾0y \geqslant 0, x+y⩽1x+y \leqslant 1 функция. Доказать, что полиномы Бернштейна в R2\mathbb {R}^{2}

Bn(x,y)=∑i,j=0nf(in,jn)n!i! j! (n−i−j)!xiyj(1−x−y)n−i−j B_n(x,y) = \sum _{i,j=0}^{n} f\left(\frac{i}{n}, \frac{j}{n}\right) \frac{n!}{i! \, j! \, (n-i-j)!} x^i y^j (1-x-y)^{n-i-j}

стремятся к f(x,y)f(x,y) при n→∞n \to \infty равномерно по x,yx, y.

?
Задача 22.7

Пусть ξ1,ξ2,…\xi_1, \xi_2, \ldots — последовательность независимых случайных величин со стандартным распределением Коши. Будет ли выполнен ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 22.8

Пусть ξ1,ξ2,…\xi_1, \xi_2, \ldots — последовательность независимых одинаково распределённых случайных величин, имеющих стандартное нормальное распределение. Положим

χn2=∑i=1nξi2иτn=ξn+1χn2/n. \chi _n^2 = \sum _{i=1}^{n} \xi _i^2 \quad \text{и} \quad \tau _n = \frac{\xi _{n+1}}{\sqrt{\chi _n^2/n}}.

Найти предельное при n→∞n \to \infty распределение величины τn\tau_n.

?
Задача 22.9

Пусть ξ1,ξ2,…\xi_1, \xi_2, \ldots — последовательность независимых одинаково распределённых случайных величин, причём E[ξ1]=a\mathbb {E}\left[\xi_1\right] = a, Var⁡[ξ1]=σ2\operatorname {Var}\left[\xi_1\right] = \sigma^2. Доказать, что последовательность случайных величин ηn\eta_n, определяемых равенствами

ηn=ξ1+…+ξnξ12+…+ξn2, \eta _n = \frac{\xi _1 + \ldots + \xi _n}{\xi _1^2 + \ldots + \xi _n^2},

сходится по вероятности. Найти предел.

?
Задача 22.10

Пусть случайная величина ηn\eta_n имеет:

?
(а)

распределение Пуассона с параметром nn;

(б)

биномиальное распределение с параметрами nn и pp;

(в)

нормальное распределение с параметрами 00 и nn.

Выяснить, существует ли предел по вероятности отношения ηn/n\eta_n/n при n→∞n \to \infty.

§
Задача 23.1

Пусть Var⁡[ξn]<∞\operatorname {Var}\left[\xi_n\right] < \infty для всех nn и Var⁡[Sn]=o(n2)\operatorname {Var}\left[S_n\right] = o(n^2) при n→∞n \to \infty. Доказать, что для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} выполнен ЗБЧ.

?
Примечание.
?

В настоящем параграфе всюду предполагается, что случайные величины ξ1,ξ2,…\xi_1, \xi_2, \ldots независимы в совокупности.

Задача 23.2

Пусть ξn\xi_n принимает значения n\sqrt{n}, −n-\sqrt{n} и 00 с вероятностями 1/2n1/2n, 1/2n1/2n и 1−1/n1-1/n соответственно. Будет ли выполнен ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 23.3

Пусть ξn\xi_n принимает значения 2n2^n и −2n-2^n с вероятностью 1/21/2 каждое. Выполнен ли ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 23.4

Пусть ξn\xi_n принимает значения nn, −n-n и 00 с вероятностями:

?
(а)

1/2n21/2n^2, 1/2n21/2n^2 и 1−1/n21 - 1/n^2;

(б)

1/41/4, 1/41/4 и 1/21/2;

(в)

1/2n1/2\sqrt{n}, 1/2n1/2\sqrt{n} и 1−1/n1 - 1/\sqrt{n};

(г)

2−n2^{-n}, 2−n2^{-n} и 1−2−n+11 - 2^{-n+1}.

Выполнен ли ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

Задача 23.5

Пусть ξn\xi_n принимает значения 2n2^n, −2n-2^n и 00 с вероятностями 2−(2n+1)2^{-(2n+1)}, 2−(2n+1)2^{-(2n+1)} и 1−2−2n1-2^{-2n} соответственно. Выполнен ли ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 23.6

Пусть ξn\xi_n принимает значения 3n3^n, −3n-3^n и 00 с вероятностями 3−(2n+2)3^{-(2n+2)}, 3−(2n+2)3^{-(2n+2)} и 1−2⋅3−(2n+2)1 - 2 \cdot 3^{-(2n+2)} соответственно. Выполнен ли ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 23.7

Пусть ξn\xi_n принимает значения 11 и −1-1 с вероятностями (1−2−n)/2(1-2^{-n})/2 и значения 2n2^n и −2n-2^n с вероятностями 2−n−12^{-n-1}. Доказать, что для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} выполнен ЗБЧ.

?
Задача 23.8

Пусть ξn\xi_n принимает значения nλn^{\lambda } и −nλ-n^{\lambda } с вероятностями 1/21/2. Выяснить, при каких значениях λ\lambda для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} выполнен ЗБЧ.

?
Задача 23.9

Пусть ξn\xi_n принимает 2n+12n+1 значений 0,±Ln,±2Ln,±3Ln,…,±nLn0, \pm L_n, \pm 2L_n, \pm 3L_n, \ldots , \pm nL_n с вероятностью 1/(2n+1)1/(2n+1) каждое. Найти условия для констант LnL_n, обеспечивающие выполнение ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}.

?
Задача 23.10

Пусть ξn\xi_n принимает значения ana_n, −an-a_n и 00 с вероятностями pnp_n, pnp_n и 1−2pn1-2p_n соответственно. Найти условия на константы ana_n и pnp_n, обеспечивающие выполнение ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}.

?
Задача 23.11

Если nn — точный квадрат, то случайная величина ξn\xi_n принимает значения −n-\sqrt{n} и n\sqrt{n} с вероятностью 1/21/2 каждое; в остальных случаях ξn\xi_n принимает значения −1-1 и 11 с вероятностью 1/21/2 каждое. Выполнен ли ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 23.12

Пусть ξn\xi_n имеет распределение Пуассона с параметром αn\alpha_n, причём

1n∑i=1nαi→α<∞,n→∞. \frac{1}{n} \sum _{i=1}^{n} \alpha _i \to \alpha < \infty , \quad n \to \infty .

Выполнен ли ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 23.13

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность независимых одинаково распределённых случайных величин, {an}\{ a_n\} — ограниченная последовательность неотрицательных чисел. Можно ли утверждать, что если ЗБЧ выполнен для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}, то он выполнен и для последовательности {ηn}\{ \eta_n\}, где ηn=anξn\eta_n = a_n \xi_n?

?
Задача 23.14

Пусть ξn\xi_n равномерно распределена на отрезке [−n,n][-n, n]. Выполнен ли ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 23.15

Пусть ξn\xi_n имеет равномерное распределение на отрезке [−nα,nα][-n^{\alpha }, n^{\alpha }], α∈R\alpha \in \mathbb {R}. Выяснить, при каких значениях α\alpha для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} будет выполнен ЗБЧ.

?
Задача 23.16

Пусть ξn\xi_n имеет биномиальное распределение с параметрами nn и 1/nα1/n^{\alpha }, где α>0\alpha > 0. Выяснить, при каких значениях α\alpha для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} будет выполнен ЗБЧ.

?
Задача 23.17

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} и {ηn}\{ \eta_n\} — две последовательности, в каждой из которых случайные величины независимы. Предположим, что ряд ∑n=1∞P(ξn≠ηn)\sum_{n=1}^{\infty } \mathbb {P}\left(\xi_n \neq \eta_n\right) сходится. Доказать, что если E[ξn]=E[ηn]\mathbb {E}\left[\xi_n\right] = \mathbb {E}\left[\eta_n\right] при каждом nn и ЗБЧ выполнен для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}, то он выполнен и для последовательности {ηn}\{ \eta_n\}.

?
§
Задача 24.1

Пусть ξ\xi — случайная величина. Определим случайную последовательность ξn\xi_n равенствами ξn=ξ\xi_n = \xi. Удовлетворяет ли последовательность {ξn}\{ \xi_n\} ЗБЧ?

?
Задача 24.2

Проводятся испытания Бернулли с вероятностью успеха pp. Положим ξn=1\xi_n = 1, если nn-е и (n+1)(n+1)-е испытания закончились успехом, и ξn=0\xi_n = 0 иначе. Выполнен ли для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} ЗБЧ?

?
Задача 24.3

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность случайных величин такая, что Var⁡[ξn]⩽c<∞\operatorname {Var}\left[\xi_n\right] \leqslant c < \infty, и ξn\xi_n не зависит от ξm\xi_m, если ∣n−m∣>1|n-m| > 1. Доказать, что для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} выполнен ЗБЧ.

?
Задача 24.4

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность случайных величин такая, что Var⁡[ξn]⩽c<∞\operatorname {Var}\left[\xi_n\right] \leqslant c < \infty, а ковариации отрицательны. Доказать, что для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} выполнен ЗБЧ.

?
Задача 24.5

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность случайных величин такая, что Var⁡[ξn]⩽c<∞\operatorname {Var}\left[\xi_n\right] \leqslant c < \infty, а ковариации rij=Cov⁡[ξi,ξj]r_{ij} = \operatorname {Cov}\left[\xi_i, \xi_j\right] удовлетворяют условию rij→0r_{ij} \to 0 равномерно при ∣i−j∣→∞|i-j| \to \infty. Доказать, что для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} выполнен ЗБЧ.

?
Задача 24.6

Доказать, что если ∣Sn∣<cn|S_n| < cn, а Var⁡[Sn]>αn2\operatorname {Var}\left[S_n\right] > \alpha n^2, то ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} не выполнен.

?
Задача 24.7

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность независимых одинаково распределённых случайных величин с конечной ненулевой дисперсией. Доказать, что для последовательности {Sn}\{ S_n\} ЗБЧ не выполнен.

?
Задача 24.8

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность независимых одинаково распределённых случайных величин с конечной дисперсией. Доказать выполнение ЗБЧ для последовательности {anSn}\{ a_n S_n\}, если ann→0a_n \sqrt{n} \to 0 при n→∞n \to \infty.

?
Задача 24.9

Игральная кость А имеет четыре красные и две белые грани, а кость В — две красные и четыре белые грани. Один раз бросают монету. Если выпал герб, то далее всё время бросают кость А, если решка — только кость В. Положим ξn=1\xi_n = 1, если при nn-м бросании кости выпала красная грань, и ξn=0\xi_n = 0 — в противном случае. Доказать, что ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} не выполнен.

?
Задача 24.10

Урна содержит bb чёрных и rr красных шаров. Случайно извлекается шар. Он возвращается обратно, и, кроме того, добавляется cc шаров одного с ним цвета. Производится новое случайное извлечение из урны (теперь содержащей b+r+cb+r+c шаров), и описанная процедура повторяется. Положим случайную величину ξn\xi_n равной 11 или 00 в зависимости от того, был ли nn-й извлечённый шар чёрным или красным. Доказать, что ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\} не выполнен.

?
Задача 24.11

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность случайных величин, для которой выполнен закон больших чисел. Обязан ли выполняться ЗБЧ для последовательности {∣ξn∣}\{ |\xi_n|\}?

?
Задача 24.12

Пусть {ξn}\{ \xi_n\} — последовательность случайных величин с нулевыми математическими ожиданиями. Вытекает ли из сходимости ξn→p0\xi_n \xrightarrow {p} 0 выполнение ЗБЧ для последовательности {ξn}\{ \xi_n\}?

?
Задача 24.13

Пусть случайная величина ξ1\xi_1 равномерно распределена на множестве S={1,2,…,s}S = \{ 1, 2, \ldots , s\} и f:S→Sf: S \to S — взаимно-однозначная функция. Случайная последовательность ξn\xi_n определяется равенствами ξn=f(ξn−1)\xi_n = f(\xi_{n-1}). Выяснить, при каких условиях на ff последовательность {ξn}\{ \xi_n\} удовлетворяет ЗБЧ.

?