Обмеження суми iid змінних Gamma


11

Нехай є послідовністю незалежно та однаково розподілених випадкових величин з функцією щільності ймовірності; Покажіть, щоX1,X2,

f(x)={12x2exif x>0;0otherwise.
limnP[X1+X2++Xn3(nn)]12

Що я намагався

З першого погляду я подумав, що він повинен використовувати нерівність Чебишева, оскільки запитання задає нижню межу X1+X2++Xn . Однак я подумав про знак межі, який чітко вказує на те, що проблема може бути якимось чином пов'язана з теоремою центрального ліміту (CLT)

Нехай Sn=X1+X2++Xn

E(Sn)=i=0nE(Xi)=3n (since E(Xi)=3)V(Sn)=i=0nV(Xi)=3n (since V(Xi)=3 and Xi are i.i.d)

Тепер, використовуючи CLT, для великих n , X1+X2+........+XnN(3n,3n)
Або,

z=Sn3n3nN(0,1) as n

Тепер

limnP[X1+X2+........+Xn3(nn)]=limnP(Sn3n3n)=limnP(Sn3n3n3)=P(z3)=P(3z<0)+P(z0)=P(3z<0)+12(1)

Оскільки P(3z<0)0 , то з (1) ,

limnP[X1+X2+........+Xn3(nn)]12

Я прав?


1
CLT здається розумним підходом, але " "не має сенсу.limnP[X1+X2+........+Xn3(nn)]=P(Sn3n3n)
P.Windridge

Я думаю, що це має бути
limnP[X1+X2+........+Xn3(nn)]=limnP(Sn3n3n)=limnP(Sn3n3n3)=P(z3)

6
В якості альтернативи розглянемо, що iid і так . Медіана випадкової величини гамма невідома в замкнутій формі , але це буде відомо (див Вікіпедії ) , що при великих , медіана з випадкова величина лежить між і . Оскільки , повинно бути так, що принаймні половина маси ймовірності лежить праворуч від . XiΓ(3,1)X1+X2++XnΓ(3n,1)nΓ(3n,1)3n133n3(nn)<3n133(nn)
Діліп Сарват

Відповіді:


3

Ви були правильні, що нерівність Чебишева спрацює. Він забезпечує дещо грубу, але ефективну межу, яка застосовується до багатьох таких послідовностей, виявляючи, що вирішальною особливістю цієї послідовності є те, що дисперсія часткових сум зростає максимум лінійно з .n

Розглянемо тоді надзвичайно загальний випадок будь-якої послідовності некорельованих змінних із засобами та кінцевими варіаціями Нехай - сума першого з них,Xiμiσi2.Ynn

Yn=i=1nXi.

Отже, середнє значення дорівнюєYn

mn=i=1nμn

і його дисперсія є

sn2=Var(Yn)=i=1nVar(Xi)+2j>iCov(Xi,Xj)=i=1nσi2.

Припустимо, зростає максимум лінійно з :sn2n тобто існує число таке, що для всіх досить великих Нехай (ще не визначено), це спостерігаємоλ>0n, sn2λ2n.k>0

mknmkλsn,

і застосувати Нерівність Чебишева до для отриманняYn

Pr(Ynmnkn)Pr(Ynmnkλsn)Pr(|Ynmn|kλsn)1λ2k2.

Перші дві нерівності є основними: вони випливають, оскільки кожна наступна подія є підмножиною попередньої.


У випадку, коли незалежні (і тому некорельовані) із засобами та дисперсіями маємо іXiμi=3σi2=3,mn=3n

sn=3n,

звідси ми можемо взяти як Подія у питанні відповідає деλ3.3(nn)=μn3nk=3,

Pr(Yn3n3n)13 232=23>12,

QED.


1

Як альтернатива чудовій відповіді Уубера, я спробую вивести точну межу ймовірності, про яку йдеться. Однією з властивостей розподілу гами є те, що суми незалежних гамма-випадкових величин з однаковим параметром швидкості / масштабу також є гамма-випадковими змінними, форма яких дорівнює сумі форм цих змінних. (Це легко довести за допомогою функцій, що генерують розподіл.) У цьому випадку ми маємо , тож отримуємо суму:X1,...XnIID Gamma(3,1)

SnX1++XnGamma(3n,1).

Тому ми можемо записати точну ймовірність інтересу, використовуючи CDF гамма-розподілу. Якщо позначає параметр фігури, а позначає аргумент, що цікавить, ми маємо:a=3nx=3(nn)

H(n)P(Sn3(nn))=Γ(a,x)Γ(a)=aΓ(a)aΓ(a)+xaexΓ(a+1,x)Γ(a+1).

Щоб знайти межу цієї ймовірності, спершу зазначимо, що другий параметр можна записати у вигляді першого як де . Використовуючи результат, показаний у Temme (1975) (рівняння 1.4, стор. 1109), ми маємо асимптотичну еквівалентність:x=a+2ayy=3/2

Γ(a+1,x)Γ(a+1)12+12erf(y)+29aπ(1+y2)exp(y2).

Використовуючи наближення Стірлінга та граничне визначення експоненціального числа, можна також показати, що:

aΓ(a)aΓ(a)+xaex2πa(a1)a1/22πa(a1)a1/2+xaeax1=2πa(11a)a1/22πa(11a)a1/2+x(xa)a1/2eax1=2πae12πae1+xexaeax1=2πa2πa+x2πa2πa+1.

Підставляючи відповідні значення, ми отримуємо:

H(n)=aΓ(a)aΓ(a)+xaexΓ(a+1,x)Γ(a+1)2πa2πa+1[12+12erf(32)+29aπ52exp(32)].

Це дає нам межу:

limnH(n)=12+12erf(32)=0.9583677.

Це дає нам точну межу ймовірності відсотків, яка перевищує половину.

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.