Теорема центрального граничного значення для квадратних коренів сум iid випадкових величин


11

Заінтриговане запитанням на math.stackexchange і досліджуючи його емпірично, мені цікаво наступне твердження про квадратний корінь сум iid випадкових змінних.

Припустимо, є iid випадковими змінними з кінцевим ненульовим середнім та дисперсією та . Центральна гранична теорема говорить із збільшенням . μ σ 2 Y = n ∑ i = 1 X i Y - n μX1,X2,…,Xnμσ2Y=∑i=1nXinY−nμnσ2 →d N(0,1)n

Якщо , чи можу я також сказати щось на зразок зі збільшенням ?Z - √Z=|Y|nZ−n|μ|−σ24|μ|σ24|μ| →d N(0,1)n

Наприклад, припустимо, що це Бернуллі із середнім та дисперсією , тоді є двочленним, і я можу імітувати це в R, скажімо, з : p p ( 1 - p ) Y p = 1Xipp(1−p)Yp=13

set.seed(1)
cases <- 100000
n <- 1000
p <- 1/3
Y <- rbinom(cases, size=n, prob=p)
Z <- sqrt(abs(Y))

що дає приблизно сподіване середнє значення та дисперсію дляZ

> c(mean(Z), sqrt(n*p - (1-p)/4))
[1] 18.25229 18.25285
> c(var(Z), (1-p)/4)
[1] 0.1680012 0.1666667

і QQ сюжет, який виглядає близько до Гауссана

qqnorm(Z)

введіть тут опис зображення


1
@MichaelM: Дякую за ці коментарі. Я починав з негативу , але вважав, що інтуїтивна асимптотична поведінка, яку ви описуєте, дозволила узагальнити більше розподілів. Мої сюрпризи: (а) дисперсія квадратного кореня суми, мабуть, тяжіє до постійної, не залежно від та (b) появи розподілу, який виглядає дуже близьким до Гаусса. Контрприклад буде вітатися, але коли я спробував інші випадки , які спочатку здавалися Негауссов, збільшуючи далі , здавалося, привести розподіл назад в результаті CLT типу. n nXinn
— Генрі

Наслідок цього - середньоквадратичний квадрат (або середнє квадратичне значення) випадкових змінних iid, відповідне масштабування (помножити на як середнє арифметичне), також переходить до розподілу Гаусса за умови, що й момент базовий розподіл є кінцевим. 4n4
— Генрі

3
Лише короткий коментар: претензія є особливим випадком методу Дельта, див. Теорему 5.5.24 у книзі «Статистичні умовиводи» Казелла та Бергер.
— Майкл М

@Michael: Можливо, ви бачите щось, чого я зараз не маю, але я не думаю, що ця проблема вкладається в припущення класичного методу Дельта (наприклад, як зазначено в теоремі, яку ви посилаєте). Зауважте, що не конвергується в розподілі (нетривіально на ), і тому "застосування методу Дельта з " не відповідає необхідним вимогам. Однак, як показує відповідь С. Каттералла, вона дає корисну евристику, яка призводить до правильної відповіді. R g ( y ) = √YRg(y)=|y|
— кардинал

(Я вважаю, ви могли б адаптувати докази методу «Дельта» до подібних до вищезазначених випадків, щоб зробити суворішим вищезгаданий евристичний характер.)
— кардинал

Відповіді:


14

Конвергенція до Гаусса - це справді загальне явище.

Припустимо, що - IID випадкові величини із середнім та дисперсією , і визначте суми . Зафіксуйте число . Звичайна теорема центрального граничного значення говорить нам, що як , де є стандартний звичайний PDF. Однак безперервність обмежувального cdf означає, що ми також маємоμ > 0 σ 2 Y n = ∑ n i = 1 X i α P ( Y n - n μX1,X2,X3,...μ>0σ2Yn=∑i=1nXiαP(Yn−nμσn≤α)→Φ(α)n→∞Φ

P(Yn−nμσn≤α+α2σ24μσn)→Φ(α)
тому що додатковий член праворуч нерівності прагне до нуля. Впорядкування цього виразу веде до
P(Yn≤(ασ2μ+nμ)2)→Φ(α)

Беручи квадратні корені і зазначаючи, що означає, що , отримуємо Іншими словами, . Цей результат демонструє конвергенцію з гауссом у межах як .μ>0P(Yn<0)→0

P(|Yn|≤ασ2μ+nμ)→Φ(α)
|Yn|−nμσ/2μ→dN(0,1)n→∞

Чи означає це, що є хорошим наближенням до для великих ? Що ж, ми можемо зробити краще, ніж це. Як зазначає @Henry, якщо припустити, що все є позитивним, ми можемо використовувати разом з та наближення , щоб отримати вдосконалене наближення як зазначено у запитанні вище. Зауважте також, що у нас ще є оскількиnμE[|Yn|]nE[Yn]=E[Yn]−Var(Yn)E[Yn]=nμVar(Yn)≈σ24μE[|Yn|]≈nμ−σ24μ√

|Yn|−nμ−σ24μσ/2μ→dN(0,1)
n→∞nμ−σ24μ−nμ→0 як .n→∞

Можливо, вам потрібно буде додати як щоб отримати мій результатnμ−nμ−σ24μ→0n→∞
— Генрі

@Henry Ви можете замінити на на будь-який постійний і це не змінить обмежувальний розподіл, але воно може змінити ступінь, до якої є хорошим наближенням до для конкретного великого . Як ви придумали ? nμnμ−kk|Yn|−nμ−kσ/2μN(0,1)nnμ−σ24μ
— S. Catterall Відновити Моніку

Маємо тому . Припустимо, що все є позитивним, а знаменник пропонує , і поєднуючи ці ведучі до . Var(Z)=E[Z2]−(E[Z])2E[Z]=E[Z2]−Var(Z)E[Z2]=E[Y]=nμ|Yn|−nμσ/2μ E[Z]≈√Var(Z)≈σ24μE[Z]≈nμ−σ24μ
— Генрі

Добре, спасибі, я намагався зараз висвітлити це у своїй відповіді.
— S. Catterall Відновити Моніку
Використовуючи наш веб-сайт, ви визнаєте, що прочитали та зрозуміли наші Політику щодо файлів cookie та Політику конфіденційності.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.