第 10 章 · 收敛、特征函数与极限定理

10.5 大数定律的证明与适用边界

Proofs of Laws of Large Numbers
第八章给出了大数定律的结论,本节补上一般可积情形的证明。我们先区分有限方差下的概率估计与逐路径收敛,再证明 Kronecker 引理,用截断把一阶矩条件转化为可求和的尾概率与加权方差。完整推导将说明独立性、同分布与可积性分别用于何处,并以重尾、非同分布及共同随机冲击的例子检验定理边界。

10.5.1 有限方差下的弱大数定律

8.2 节与8.4 节已介绍弱、强大数定律的意义。本节使用 10.1 节的收敛方式和 10.2 节的 Borel–Cantelli 引理与随机级数准则,重点证明只要求一阶绝对矩有限的结论。记 \(S_n=\sum_{k=1}^nX_k\)、\(\bar X_n=S_n/n\)。

定理 · 平方可积变量的弱大数定律(weak law of large numbers,WLLN)

设 \(X_k\) 两两不相关且平方可积,\(\mu_k=EX_k\)。若 \(V_n=\sum_{k=1}^n\operatorname{Var}(X_k)\) 满足 \(V_n/n^2\to0\),则 \((S_n-\sum_{k=1}^n\mu_k)/n\to0\) 在 \(L^2\) 中并依概率成立。特别地,若变量独立同分布(independent and identically distributed,iid),均值为 \(\mu\)、方差为 \(\sigma^2<\infty\),则 \(\bar X_n\to\mu\) 在这两种意义下成立。iid 版本亦见文献 [2] 第 3 部分。

证明

不相关性使中心化变量之间的交叉项期望为零,故平方误差的期望等于 \(V_n/n^2\)。Chebyshev 不等式给出

\[P\!\left(\left|\frac{S_n-\sum_{k=1}^n\mu_k}{n}\right|>\varepsilon\right)\le\frac{V_n}{n^2\varepsilon^2}\longrightarrow0.\]
(10.5-1)

iid 情形中 \(V_n=n\sigma^2\),上界为 \(\sigma^2/(n\varepsilon^2)\)。当 \(\sigma^2>0\) 时,这个上界对 \(n\) 不可求和,所以不能直接用第一条 Borel–Cantelli 引理得到强大数定律。上界不可求和只说明这一步估计不够,并不说明几乎必然收敛失败。

10.5.2 Kronecker 引理:从级数到平均值

引理 · Kronecker 引理(Kronecker lemma)

设 \(0<a_1\le a_2\le\cdots\)、\(a_n\to\infty\),且实数级数 \(\sum_{k\ge1}x_k/a_k\) 收敛,则

\[\frac1{a_n}\sum_{k=1}^nx_k\longrightarrow0.\]
(10.5-2)

尤其取 \(a_k=k\),便可把 \(\sum_kx_k/k\) 的收敛转成普通平均值趋于零。这个结论是确定性的,可以在随机级数收敛的每一条样本路径上使用。

证明 · 分部求和

令 \(t_n=\sum_{k=1}^nx_k/a_k\to t\),并设 \(t_0=a_0=0\)。由 \(x_k=a_k(t_k-t_{k-1})\) 展开、重新排列有限和,得到

\[\frac1{a_n}\sum_{k=1}^nx_k=t_n-\sum_{k=1}^n\frac{a_k-a_{k-1}}{a_n}\,t_{k-1}.\]
(10.5-3)

右侧的权重非负,且和为 \(1\)。给定 \(\varepsilon>0\),选 \(K\),使 \(k>K\) 时 \(|t_{k-1}-t|\le\varepsilon\)。令 \(M=\sup_{j\ge0}|t_j-t|<\infty\)。当 \(n>K\) 时,加权平均与 \(t\) 的差的绝对值不超过 \(Ma_K/a_n+\varepsilon\),其上极限不超过 \(\varepsilon\)。因此加权平均趋于 \(t\),而 \(t_n\to t\),两者之差趋于零。这里正是 \(a_n\) 的单调性保证了权重非负。

10.5.3 截断所需的两个可求和估计

从现在起,设 \(X_n\) iid、\(E|X_1|<\infty\),记 \(W=|X_1|\)。按第 \(n\) 项的指标设置阈值,定义截断变量 \(Y_n=X_n\mathbf1_{\{|X_n|\le n\}}\)。超过阈值时把该项置零;不同的 \(Y_n\) 仍独立,但一般不再同分布。以下两个估计把可积性分别用于控制被改动的项与剩余项的波动。

尾积分与尾和(tail integral and tail sum)

由 \(W=\int_0^\infty\mathbf1_{\{W>t\}}\,dt\) 和 Tonelli 定理,有 \(EW=\int_0^\infty P(W>t)\,dt\)。尾概率随 \(t\) 递减,在每个单位区间上比较矩形与曲线面积,得到

\[\sum_{n=1}^{\infty}P(W>n)\le EW\le1+\sum_{n=1}^{\infty}P(W>n).\]
(10.5-4)

左式逐项使用 \(P(W>n)\le\int_{n-1}^nP(W>t)\,dt\);右式把 \([0,1]\) 的积分界为 \(1\),并对 \([n,n+1]\) 使用 \(P(W>t)\le P(W>n)\)。因此有限一阶矩等价于整数尾概率可求和。尾积分及上述比较式也以扩展实数的意义适用于 \(EW=\infty\)。

递减尾概率曲线下的右端点矩形 尾概率10 0123456t 每个矩形宽为 1高度取区间右端点的尾概率所以矩形面积之和不超过曲线下面积… 图中只填充前五个矩形;尾和与尾积分都继续到无穷远。
图 10.5-1 · 以例 1 的 Pareto 分布为具体曲线:\(P(W>t)=1\)(\(0\le t\le1\)),\(P(W>t)=t^{-3/2}\)(\(t>1\))。蓝色矩形分别贡献 \(P(W>n)\),面积比较解释式 (10.5-4) 的左侧不等式。
截断方差估计

上述截断满足

\[\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\operatorname{Var}(Y_n)}{n^2}\le\sum_{n=1}^{\infty}\frac{E[X_1^2\mathbf1_{\{W\le n\}}]}{n^2}\le2EW<\infty.\]
(10.5-5)
证明

第一步用 \(\operatorname{Var}(Y_n)\le EY_n^2\) 以及同分布性。对任意 \(w\ge0\),设 \(m(w)=\max\{1,\lceil w\rceil\}\)。由于 \(x^{-2}\) 递减,对每个整数 \(m\ge1\) 有

\[\sum_{n=m}^{\infty}\frac1{n^2}\le\frac1{m^2}+\int_m^\infty\frac{dx}{x^2}=\frac1{m^2}+\frac1m\le\frac2m.\]
(10.5-6)

于是 \(w^2\sum_{n\ge m(w)}n^{-2}\le2w^2/m(w)\le2w\)。非负项允许用 Tonelli 定理换序,因此

\[\sum_{n=1}^{\infty}\frac{E[W^2\mathbf1_{\{W\le n\}}]}{n^2}=E\!\left[W^2\sum_{n\ge m(W)}\frac1{n^2}\right]\le2EW.\]
(10.5-7)

这里并未假设 \(EW^2<\infty\)。每一项先截断,随后把全部加权二阶矩的和界在一阶矩之下,这是证明允许无穷方差的原因。

10.5.4 iid 可积强大数定律的完整证明

定理 · 强大数定律(strong law of large numbers,SLLN)

若 \(X_1,X_2,\ldots\) iid,且 \(E|X_1|<\infty\),令 \(\mu=EX_1\),则 \(\bar X_n\to\mu\) 几乎必然。因而也依概率收敛,得到了不要求有限方差的弱大数定律。以下证明使用文献 [1] §2.5的随机级数路线。

第一步 · 原变量与截断变量只差有限项

同分布性与式 (10.5-4) 给出 \(\sum_nP(X_n\ne Y_n)=\sum_nP(W>n)<\infty\)。第一条 Borel–Cantelli 引理说明几乎必然只有有限多个 \(n\) 满足 \(X_n\ne Y_n\)。所以对几乎每条路径,\(\sum_{k=1}^n(X_k-Y_k)\) 在 \(n\) 足够大时成为一个有限常数,除以 \(n\) 后趋于零。此步骤本身不使用独立性。

第二步 · 中心化截断项的平均趋于零

令 \(Z_n=(Y_n-EY_n)/n\)。这些变量独立、中心化、平方可积,而且由式 (10.5-5),\(\sum_n\operatorname{Var}(Z_n)<\infty\)。因此 10.2.5 节的级数准则给出 \(\sum_nZ_n\) 几乎必然收敛。对其收敛的每条路径,在 Kronecker 引理中取 \(x_n=Y_n-EY_n\)、\(a_n=n\),便得

\[\frac1n\sum_{k=1}^n(Y_k-EY_k)\longrightarrow0\qquad\text{几乎必然}.\]
(10.5-8)
第三步 · 恢复期望并合并三项

由同分布性,\(EY_k=E[X_1\mathbf1_{\{|X_1|\le k\}}]\)。被积函数逐点趋于 \(X_1\),且绝对值不超过可积的 \(|X_1|\),故控制收敛定理给出 \(EY_k\to\mu\)。其 Cesàro 平均也趋于 \(\mu\):给定 \(\varepsilon>0\),取 \(K\) 使 \(k\ge K\) 时 \(|EY_k-\mu|\le\varepsilon\),则平均偏差不超过 \(n^{-1}\sum_{k<K}|EY_k-\mu|+\varepsilon\)。最后分解为

\[\bar X_n-\mu=\frac1n\sum_{k=1}^n(X_k-Y_k)+\frac1n\sum_{k=1}^n(Y_k-EY_k)+\left(\frac1n\sum_{k=1}^nEY_k-\mu\right)\longrightarrow0\quad\text{几乎必然}.\]
(10.5-9)

前两项的概率一事件取交后仍有概率一,第三项是确定性数列。这就完成证明,没有把趋零的概率误当成逐路径收敛。

强大数定律证明中的三项误差及其控制方法 将原平均值与期望之差分成三项 替换截断项的误差尾和有限Borel–Cantelli有限项之和除以样本数 中心化截断项的平均加权方差可求和独立中心级数收敛Kronecker 引理 截断期望的平均偏差控制收敛定理各项期望趋于原期望Cesàro 平均 三项均趋于零,原样本均值几乎必然趋于期望
图 10.5-2 · 式 (10.5-9) 的三项使用不同论证。独立性在中心化级数收敛处使用;同分布性使尾概率和截断矩都能用同一个 \(X_1\) 计算。
例 1 · 期望有限、方差无穷的 Pareto 样本

设 \(X_n\) iid,密度为 \(f(x)=\tfrac32x^{-5/2}\mathbf1_{\{x\ge1\}}\)。积分给出 \(EX_1=\tfrac32\int_1^\infty x^{-3/2}\,dx=3\),而 \(EX_1^2=\tfrac32\int_1^\infty x^{-1/2}\,dx=\infty\)。强大数定律仍保证 \(\bar X_n\to3\) 几乎必然;有限方差版的 Chebyshev 证明不适用。

直接核对证明中的量:对整数 \(n\ge1\),\(P(X_n>n)=n^{-3/2}\),且

\[EY_n=3(1-n^{-1/2}),\qquad EY_n^2=3(\sqrt n-1),\qquad \sum_{n=1}^{\infty}\frac{\operatorname{Var}(Y_n)}{n^2}\le3\sum_{n=1}^{\infty}n^{-3/2}<\infty.\]
(10.5-10)

第一式来自 \(\tfrac32\int_1^n x^{-3/2}\,dx\),第二式来自 \(\tfrac32\int_1^n x^{-1/2}\,dx\)。尾概率可求和、截断期望趋于 \(3\)、加权方差可求和,三步均可单独检查。定理没有因此给出有限的样本均值方差,也没有承诺通常的平方根误差尺度。

10.5.5 独立非同分布变量的充分条件

定理 · Kolmogorov 方差条件

设 \(X_n\) 相互独立且平方可积,\(\mu_n=EX_n\)。若

\[\sum_{n=1}^{\infty}\frac{\operatorname{Var}(X_n)}{n^2}<\infty,\]
(10.5-11)

则 \(n^{-1}\sum_{k=1}^n(X_k-\mu_k)\to0\) 几乎必然。若另有 \(n^{-1}\sum_{k=1}^n\mu_k\to\mu\),才进一步得到 \(\bar X_n\to\mu\) 几乎必然。

证明

变量 \((X_n-\mu_n)/n\) 独立、中心化且方差可求和,故由 10.2.5 节,其级数几乎必然收敛。逐路径应用 Kronecker 引理,得到所需中心化平均收敛。然后加上确定性均值的平均即可。

这是充分条件,不能由其失败断言大数定律失败。它特别包含独立变量方差一致有界的情形。更一般地,对正的非减确定性序列 \(a_n\to\infty\),若 \(\sum_n\operatorname{Var}(X_n)/a_n^2<\infty\),同一证明给出 \(a_n^{-1}\sum_{k=1}^n(X_k-\mu_k)\to0\) 几乎必然。

例 2 · 方差增大、均值交替的独立观测

设 \(\varepsilon_n\) 独立且以相等概率取 \(1,-1\),令 \(X_n=1+\tfrac12(-1)^n+n^{1/4}\varepsilon_n\)。此时 \(\mu_n=1+\tfrac12(-1)^n\)、\(\operatorname{Var}(X_n)=\sqrt n\)。变量的均值不收敛,方差也没有共同上界,但 \(\sum_n\operatorname{Var}(X_n)/n^2=\sum_nn^{-3/2}<\infty\),中心化平均仍几乎必然趋于零。

因为 \(|\sum_{k=1}^n(-1)^k|\le1\),均值平均与 \(1\) 的差不超过 \(1/(2n)\),所以 \(\bar X_n\to1\) 几乎必然。有限样本的概率界也可计算:\(V_n=\sum_{k=1}^n\sqrt k\le n^{3/2}\),从而

\[P\!\left(|\bar X_n-1|>\varepsilon+\frac1{2n}\right)\le\frac1{\varepsilon^2\sqrt n},\qquad\varepsilon>0.\]
(10.5-12)

估计中分别控制随机波动与确定性均值偏差;不能只检查单个 \(EX_n\) 是否收敛。

10.5.6 可积性与依赖性的边界

Cauchy 反例 · 对称位置不是期望

若 \(X_n\) iid 且服从标准 Cauchy 分布,密度为 \(1/[\pi(1+x^2)]\),则 \(E|X_1|=\infty\),正、负部分期望也都无穷,不能把对称中心 \(0\) 写成 \(EX_1\)。它的特征函数是 \(\varphi(t)=e^{-|t|}\),见文献 [1] 例 3.3.16。由独立性,\(\varphi_{\bar X_n}(t)=\varphi(t/n)^n=e^{-|t|}\),所以平均后分布完全不变。特别地,对每个 \(\varepsilon>0\),

\[P(|\bar X_n|>\varepsilon)=1-\frac2\pi\arctan\varepsilon>0.\]
(10.5-13)

它不依概率趋于 \(0\),也不能趋于任何其他常数,因为每个平均值都保留同一个非退化分布。增加样本数没有让此分布集中。

在 iid 情形,可积性对有限的几乎必然极限还是必要的,参见文献 [3]。若 \(E|X_1|=\infty\),由式 (10.5-4) 得 \(\sum_nP(|X_n|>n)=\infty\)。事件独立,第二条 Borel–Cantelli 引理说明 \(|X_n|/n>1\) 几乎必然无穷次发生。但如果 \(\bar X_n\) 在某条路径上有有限极限,则

\[\frac{X_n}{n}=\bar X_n-\frac{n-1}{n}\bar X_{n-1}\longrightarrow0,\]
(10.5-14)

产生矛盾。因此不可积 iid 样本的均值几乎必然不会有有限极限。这一必要性结论不能直接套到弱大数定律上;依概率收敛的条件允许另作研究。

依赖反例 · 重复同一个随机冲击

令 \(Z\) 以相等概率取 \(1,-1\),并令所有 \(X_n=Z\)。各项同分布、有界且均值为零,但 \(\bar X_n=Z\) 对所有 \(n\) 都成立,故 \(P(|\bar X_n|>1/2)=1\)。此时 \(\operatorname{Cov}(X_i,X_j)=1\),总和方差为 \(n^2\),而非 \(n\)。有限矩加同分布不能替代控制依赖的条件。

这也不表示一切依赖都会破坏大数定律。譬如两两不相关已经足够支持本节第一小节的方差证明;平稳过程还可用遍历定理研究时间平均。此处的截断与级数证明使用相互独立,若换成别的依赖条件,需检查相应论证能否继续成立。

10.5.7 习题与详解

习题 10.5-1 · Kronecker 引理的逆命题是否成立?

取 \(x_n=1/\log(n+1)\)。证明 \(n^{-1}\sum_{k=1}^nx_k\to0\),但 \(\sum_nx_n/n\) 发散,并说明这对随机级数方法的使用有什么限制。

解

\(x_n\to0\)。给定 \(\varepsilon>0\),选 \(K\) 使 \(k\ge K\) 时 \(x_k\le\varepsilon\),则 \(n^{-1}\sum_{k=1}^nx_k\le n^{-1}\sum_{k<K}x_k+\varepsilon\),所以平均趋于零。另一方面,对 \(n\ge2\),\(\log(n+1)\le2\log n\),于是 \(x_n/n\ge1/(2n\log n)\)。后者由 \(\int_2^Rdx/(x\log x)=\log\log R-\log\log2\to\infty\) 知其级数发散。

因此 Kronecker 引理不能反向使用。加权级数收敛是一条证明平均值收敛的充分路径;无法证明该级数收敛,并不意味着平均值不收敛。

习题 10.5-2 · 可积样本的最大项小于线性尺度

设 \(X_n\) iid 且 \(E|X_1|<\infty\)。证明 \(\max_{1\le k\le n}|X_k|/n\to0\) 几乎必然,并指出这个证明是否使用独立性。

解

对固定 \(\varepsilon>0\),将式 (10.5-4) 用于 \(|X_1|/\varepsilon\),得到 \(\sum_nP(|X_n|>\varepsilon n)\le E|X_1|/\varepsilon<\infty\)。第一条 Borel–Cantelli 引理给出几乎必然最终有 \(|X_n|/n\le\varepsilon\)。对可数阈值 \(\varepsilon=1/r\) 取概率一事件的交,就有 \(|X_n|/n\to0\) 几乎必然。

固定这样的路径与 \(\varepsilon\),取 \(K\ge2\) 使 \(k\ge K\) 时 \(|X_k|\le\varepsilon k\)。于是 \(\max_{k\le n}|X_k|/n\le n^{-1}\max_{k<K}|X_k|+\varepsilon\),前项趋于零,再令 \(\varepsilon\downarrow0\) 即得结论。这里只用同分布、可积性及第一条 Borel–Cantelli 引理,没有使用独立性。

习题 10.5-3 · 独立且均值相同,仍可能不能平均到均值

设 \(B_n\) 独立、\(P(B_n=1)=n^{-2}\)、\(P(B_n=0)=1-n^{-2}\),令 \(X_n=n^2B_n\)。求 \(EX_n\)、\(\operatorname{Var}(X_n)\),并证明 \(\bar X_n\to0\) 几乎必然,而中心化平均趋于 \(-1\)。

解

\(EX_n=1\)、\(EX_n^2=n^2\),故 \(\operatorname{Var}(X_n)=n^2-1\)。又 \(\sum_nP(B_n=1)<\infty\),第一条 Borel–Cantelli 引理说明几乎必然只有有限个非零项。因此 \(S_n\) 逐路径最终是有限常数,\(\bar X_n\to0\),从而 \(n^{-1}\sum_{k=1}^n(X_k-EX_k)=\bar X_n-1\to-1\)。

各项虽独立且可积,但不同分布;iid 强大数定律不能套用。方差条件也确实失败:\(\sum_n\operatorname{Var}(X_n)/n^2=\sum_n(1-n^{-2})=\infty\)。这里失败由直接计算的极限证明,而不是仅由充分条件不满足推断。

习题 10.5-4 · iid 可积样本均值也在 \(L^1\) 中收敛

在 iid 可积强大数定律的条件下,不借助“几乎必然收敛蕴含期望收敛”这一错误说法,证明 \(E|\bar X_n-\mu|\to0\)。提示:这次对所有变量使用同一个固定阈值 \(M\)。

解

令 \(U_k^{(M)}=X_k\mathbf1_{\{|X_k|\le M\}}\),\(\mu_M=EU_1^{(M)}\)。独立性及 Cauchy–Schwarz 不等式给出 \(E|n^{-1}\sum_{k=1}^nU_k^{(M)}-\mu_M|\le\sqrt{\operatorname{Var}(U_1^{(M)})/n}\)。对尾部用三角不等式,得

\(E|\bar X_n-\mu|\le\sqrt{\operatorname{Var}(U_1^{(M)})/n}+2E[|X_1|\mathbf1_{\{|X_1|>M\}}]\)。其中一个尾项来自样本均值的截断误差,另一个来自 \(|\mu_M-\mu|\)。

先固定 \(M\),令 \(n\to\infty\),第一项消失;再令 \(M\to\infty\),可积性使尾期望趋于零。这证明了 \(L^1\) 收敛。只有一阶矩条件时,若先去掉截断,平方误差可能已经无穷,以上估计便不再有用。

关键术语

  • 弱大数定律:中心化平均依概率趋于零的结论。
  • 强大数定律:平均值的逐路径、几乎必然收敛结论。
  • 可积性:\(E|X|<\infty\),保证有限的 Lebesgue 期望。
  • 尾积分与尾和:用尾概率的面积或级数判断一阶矩是否有限。
  • 截断:在证明中将超出给定阈值的项置零。
  • Kronecker 引理:从归一化项的级数收敛推出归一化部分和趋零。
  • Cesàro 平均:收敛数列的前若干项平均具有相同极限。
  • Kolmogorov 方差条件:独立变量的加权方差可求和这一强大数定律充分条件。

参考文献与延伸阅读

  1. Durrett, R. (2019). Probability: Theory and Examples, 5th ed. §2.2 讨论弱大数定律;引理 2.4.2–2.4.4 处理截断;定理 2.5.9、2.5.10 给出 Kronecker 引理和随机级数证明;Cauchy 特征函数见例 3.3.16。Duke University 作者版 PDF。
  2. Polyanskiy, Y. (2018). Fundamentals of Probability, MIT 6.436J / 15.085J. Lecture 17, “Laws of Large Numbers and Central Limit Theorem”,第 3 部分给出有限方差及可积情形的弱大数定律。MIT 官方讲义 17。
  3. Polyanskiy, Y. (2018). 同一课程 Lecture 18, “Laws of Large Numbers II”,第 1 部分讨论强大数定律及可积性的必要性。其证明路线可与本页的随机级数方法对照。MIT 官方讲义 18。