几乎必然收敛的含义

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1 几乎必然收敛的概念

几乎必然收敛(almost sure convergence),又叫以概率1收敛(convergence with probability 1),定义为:随机变量序列{Xn}\{X_n\}满足

P(limnXnX)=1\mathbf{P}(\lim_{n\to \infty} X_n\to X)=1

Xna. s. XX_n\xrightarrow{\text{a. s. }}X

它的等价条件有很多,比如:

P(limnXnX<ε)=1\mathbf{P}(\lim_{n\to \infty} |X_n-X|<\varepsilon)=1

ε>0,P(lim supnXnX>ε)=0\forall \varepsilon>0, \mathbf{P}(\limsup_{n\to \infty} |X_n-X|>\varepsilon)=0

上式又可用“不时发生”(infinitely often)的概念,写为

ε>0,P(XnX>ε,i. o. )=0\forall \varepsilon>0, \mathbf{P}(|X_n-X|>\varepsilon, \text{i. o. })=0

上式如何理解?可从n=m{XnX>ε}\cup_{n=m}^{\infty}\{|X_n-X|>\varepsilon\}入手,它表示给定mm后,使XnX>ε|X_n-X|>\varepsilonnmn\geq m)至少发生一次的ω\omega的集合。而如果不管给定的mm有多大,在有些ω\omega上,XnX>ε|X_n-X|>\varepsilonnmn\geq m)都会至少发生一次,这些ω\omega的集合就是“不时发生”的概念:

{XnX>ε,i. o. }=m=1n=m{XnX>ε}=lim supn{XnX>ε}\begin{aligned} & \left\{|X_n-X|>\varepsilon, \text{i. o. }\right\}\\ =& \cap_{m=1}^{\infty} \cup_{n=m}^{\infty} \left\{|X_n-X|>\varepsilon\right\}\\ =& \limsup_{n\to\infty} \left\{|X_n-X|>\varepsilon\right\} \end{aligned}

因此,几乎必然收敛可表示为

0=P({XnX>ε,i. o. })=P(m=1n=m{XnX>ε})=P(lim supn{XnX>ε})\begin{aligned} 0 =& \mathbf{P}\left(\left\{|X_n-X|>\varepsilon, \text{i. o. }\right\}\right)\\ =& \mathbf{P}(\cap_{m=1}^{\infty} \cup_{n=m}^{\infty} \left\{|X_n-X|>\varepsilon\right\})\\ =& \mathbf{P}(\limsup_{n\to\infty} \left\{|X_n-X|>\varepsilon\right\}) \end{aligned}

再介绍一个定理:设{EnF}\{E_n\in\mathcal{F}\}为任意序列,则

  • P(lim supnEn)=limnP(m=nEm)\mathbf{P}(\limsup_{n\to \infty} E_n)=\lim\limits_{n\to\infty}\mathbf{P}(\cup_{m=n}^{\infty} E_m)
  • P(lim infnEn)=limnP(m=nEm)\mathbf{P}(\liminf_{n\to \infty} E_n)=\lim\limits_{n\to\infty}\mathbf{P}(\cap_{m=n}^{\infty} E_m).

2 Borel-Cantelli引理

Borel-Cantelli引理是证明几乎必然收敛时用到最多的工具之一。引理分为两部分,一是收敛部分,讲收敛所需的充分条件,二是发散(divergence)部分,讲收敛所需的必要条件,即序列的独立性。

Borel-Cantelli引理:

  1. 对于任意一个事件序列{EnF}\{E_n\in\mathcal{F}\},若n=1P(En)<\sum\limits_{n=1}^{\infty}\mathbf{P}(E_n)<\infty,则P(En,i. o. )=0\mathbf{P}(E_n, \text{i. o. })=0
  2. 对于独立事件的序列{EnF}\{E_n\in\mathcal{F}\},若n=1P(En)=\sum\limits_{n=1}^{\infty}\mathbf{P}(E_n)=\infty,则P(En,i. o. )=1\mathbf{P}(E_n, \text{i. o. })=1.