Statistiques DEMI2E
Gubinelli Massimiliano Polycopié 3 - v.1 20110207
Convergence et théorèmes limites
Préliminaires
Notation. Si udon note par kukrla norme Lrdu vecteur u:kukr= ( Pi=1
d|ui|r)1/r.
Comme toutes les normes sont équivalentes dans don prendra r= 1 et on notera kuk=kuk1=
Pi=1
r|ui|. « iid » est abrégé pour « indépendantes et identiquement distribuées ». On notera
X1,, Xn,ou (Xn)n>1une générique suite (infinie) de v.a.
Convergence en loi
Théorème 1. Soit (Xn)n>1une suite de v.a. à valeurs dans det Xune v.a. à valeurs dans
d. Les conditions suivantes sont équivalentes (c-à-d chacune d’entre elles implique toutes les
autres):
1. tdlimnφXn(t) = φX(t);
2. limnFX(x) = F(x)pour tout xdpoint de continuité de FX;
3. limn[f(Xn)] = [f(X)] pour tout fonction f:dcontinue et bore.
Si une de ces conditions est vérifiée (et donc toutes) on dit que (Xn)n>1converge en loi (ou en
distribution) vers X(et l’on note Xn
LX).
Rappel. Dans d,FX(x) = FX(x1, , xd) = (X16x1, , Xd6xd).
Exemple 2. On considère la suite de v.a. (Xn)n>1telle que Xnest une v.a. uniforme discrète
à valeurs dans {1/n, 2/n, 3/n, ,(n1)/n, 1}.
φXn(t) = [eit Xn] = X
k=1
n1
neitk/n=eit/n
nX
k=0
n1
eitk/n=eit/n
n
eit 1
eit/n1
donc
lim
nφXn(t) = lim
n
eit/n
n
eit 1
eit/n1=eit 1
it .
Si XU([0,1]) alors
φX(t) = Z0
1
eitxdx=eit 1
it
et donc Xn
LX.
Exemple 3. Soient U1, U2,des v.a. iid U([0,1]). On pose Xn=nmin16k6nUk. Montrons que
(Xn)n>1converge en loi vers une v.a. XE(1). Soit x
FXn(x) = (nmin
16k6n
Uk6x) = 1 (nmin
16k6n
Uk> x) = 1 [ (U1> x/n)]n
=1 [1 (U16x/n)]n= 1 [1 FU1(x/n)]n
1
et donc
FXn(x) =
1[1 (x/n)]nsi x/n[0,1]
0si x/n < 0
1si x/n > 1
Fixons x > 0et choisissons nsuffisamment grand tel que x/n[0,1]. Alors
lim
n
FXn(x) = lim
n1[1 (x/n)]n= 1 ex.
Donc
lim
nFXn(x) = 1exsi x > 0
0si x60=FX(x)x.
Exemple 4. Soit (Xn)n>1une suite de v.a. discrètes telles que (Xn= 1/n) = 1. Alors Xn
LX
ou Xest la v.a. identiquement nulle (X= 0) = 1. On voit bien que FXn(0) = 0 pour tout n
mais que FX(0) = 1. Donc en générale on ne pourrait pas avoir convergence de FXn(t)vers FX(t)
dans tous les points t.
Exemple 5. Reprenons l’exemple 2 de convergence vers la loi uniforme dans [0,1]. Montrons
que Xn
LXen utilisant le critère (iii) du théorème 6. Soit f:une fonction continue et
bornée, par les propriétés de l’intégrale de Riemann on a que
[f(Xn)] = 1
nX
k=1
n
f(k/n)nZ0
1
f(x)dx=Zf(x)0<x<1dx=[f(X)].
Convergence en probabilité
Définition 6. Soit (Xn)n>1une suite de v.a. à valeurs dans det Xune v.a. dans dtelles
que (Xn)n>1et Xsoient définies sur le même espace de probabilité (Ω,A,). On dit que
(Xn)n>1converge en probabilité vers Xet on note XnXsi pour tout ε > 0
lim
n(kXnXk> ε) = 0.
Exemple 7. Soit U∼ U([0,1]). On définit Xn=U[0,1/n]. Montrons que Xn0. Soit ε > 0on
doit prouver que (|Xn0|> ε)0. Mais
(|Xn|> ε) = (Xn> ε) = ( U <1/n> ε) = (U < 1/n) = 1/n0
pour n.
Loi faible des grandes nombres
Définition 8. Soit (X1, , Xn)un vecteur aléatoire. On définit la moyenne empirique des
(Xi)16i6npar X
¯n=n1Pi=1
nXi.
Exemple 9. Soient les Xides v.a. iid de loi N(0,1) alors X
¯nN(0,1/n). Donc pour tout ε > 0
(|X
¯n|> ε) = (|Z|> n
ε) = (Z > n
ε) + (Z < n
ε) = 2 (Z < n
ε) = 2FZ(n
ε)
2
Z∼ N(0,1). Cette quantité est strictement décroissante en ndonc converge vers 0quand
n. Etant donné que ε > 0est arbitraire cela implique que X
¯n0.
Lemme 10. (inégalité de Markov) Si Xest une v.a. >0et ingrable (c-à–d [X]<+)
alors pour tout λ > 0on a
(X>λ)6[X]
λ
Démonstration. Dans le cas où Xadmet une densité fon a que
(X>λ) = Z0
[λ,+[(x)f(x)dx6Z0
x
λf(x)dx=[X]
λ
car pour tout x>0on a [λ,+[(x)6x/λ. En général on observe que le même argument peut
être appliqué à l’espérance mathématique
(X>λ) = [ [λ,+[(X)] 6[X/λ]
car si F6Galors 06[F]6[G].
Lemme 11. (Inégalité de Bienaymé-Tchebychev) Si Xest une v.a. elle telle que σ2=
Var(X)<et µ=[X]alors pour tout ε > 0on a que
(|Xµ|> ε)6[(Xµ)2]
ε2=σ2
ε2
Démonstration. En utilisant l’inégalité de Markov avec la v.a. (Xµ)2on obtient que
(|Xµ|> ε) = ((Xµ)2> ε2)6((Xµ)2>ε2)6[(Xµ)2]
ε2=σ2
ε2
Théorème 12. (Loi faible des grandes nombres) Soit (Xn)n>1une suite iid tel que
Var(Xi) = σ2<+et µ=[Xi]. On définit Xn=n1Pi=1
nXila moyenne empirique des Xj.
Alors
Xnµ
Démonstration. On a que
Var(X
¯n) = 1
n2Var(X1+ + Xn) = 1
n2[Var(X1) + + Var(Xn)] = Var(X1)
n.
Pour tout ε > 0, par l’inégalité de Tchebychev
(|X
¯nµ|> ε)6Var(X
¯n)
ε2=Var(X1)
nε20
pour n. Donc X
¯nµ.
3
Convergence presque sûre
Définition 13. Soit (Xn)n>1une suite de v.a. à valeurs dans det soit Xune v.a. à valeurs
dans d, telles que Xnet Xsont définies sur le même espace de probabilité (Ω,A,). On dit
que (Xn)n>1converge presque sûrement (ou fortement) vers Xet on note Xn
p.s.Xsi
(limnXn=X) = 1. Autrement dit si l’événement A={ω: limnXn(ω) = X(ω)}est tel que
(A) = 1.
Exemple 14. Soit (Yn)n>1une suite iid de v.a. Ber(p)et Xn=Y1+ + Yn. Montrons que
Xn/n2converge presque sûrement vers 0. En effet l’ensemble A={06|Xn|6npour tout n}est
tel que (A) = 1. Donc pour ωAon a que 06|Xn(ω)/n2|61/nce qu’implique que
limnXn(ω)/n2= 0 pour tout ωAet donc que
(lim
nXn/n2= 0) >(A) = 1
qui montre la convergence presque sure.
Théorème 15. (Loi forte des grandes nombres) Soit (Xn)n>1une suite iid telle que les Xn
soient intégrables (c-à-d [|X1|]<). Alors
X
¯n
p.s. [X1].
Exemple 16. Soient X1, X2,des v.a. iid E(λ)(λ > 0). X1est intégrable ( [|X1|] = 1/λ).
Alors
X
¯n
p.s. 1/λ.
Convergence en moyenne d’ordre r
Définition 17. Soit (Xn)n>1une suite de v.a. à valeurs dans det Xune v.a. à valeurs dans
d. On suppose que (kXnkr)<+pour tout n>1et que [kXkr]<+. On dit que
(Xn)n>1converge vers Xdans Lr(ou en moyenne d’ordre r), et on note Xn
Lr
X(ou Xn
rX)
si
lim
n[kXnXkr] = 0.
En particulier: si d= 1,(Xn)n>1et Xsont des v.a. réelles alors Xn
Lr
Xsi [|X|r]<,
[|Xn|r]<et [|XnX|r]0.
Exemple 18. Soit r > 0. Soit UU([0,1]). On considère (Xn)n>1telle que
Xn=n[0,1/n](U)
Quelle est la condition sur rpour que Xn
Lr
0?
[|Xn0|r] = [|Xn|r] = [Xn
r] = [nr[0,1/n](U)] = nr(U61/n) = nr/n
et nr1converge vers 0ssi r < 1. On remarque que Xn
p.s. 0et aussi en probabilité (et en loi).
Voir plus avant pour les liens entre les modes de convergence.
4
Théorème 19. (Inégalité de Hölder) Soient Xet Ydeux v.a. réelles définies sur le même
espace de proba (Ω,A,). Si r, s > 1sont tels que r1+s1= 1 et si [|X|r]<et [|Y|s]<
alors
[|X Y |]6( [|X|r])1/r( [|Y|s])1/s.
Corollaire 20. Soient p > 0et p > q > 0. On suppose que [|X|p]<alors [|X|q]6
( [|X|p])p/qet [|X|q]<.
Quelque propriétés de la convergence Lr.
Proposition 21. Soit r > 0et 0< s < r. Alors Xn
rXXn
sX.
Démonstration. Par l’inégalité de Holder on a [|XnX|s]6( [|XnX|r])s/r. Donc si
Xn
rXalors [|XnX|r]0et [|XnX|s]0.
Proposition 22. Si Xn
1Xalors [Xn][X].
Démonstration. Par hypothèse on a que [|Xn|]<[|X|]<et [|XnX|]0. Donc
|[X][Xn]|=|[XXn]|6[|XXn|]0.
car −|XnX|6XnX6|XnX|.
Proposition 23. Xn
2a(on di que Xnconverge à la constante aen moyenne quadratique)
ssi [Xn]aet Var(Xn)0.
Démonstration. Si Xn
2aalors [|Xna|2]0. Soit µn= [Xn]
[|Xna|2] = [|Xnµn+µna|2] = [(Xnµn)2] + 2 [(Xnµn)](µna) + (µna)2
=Var(Xn) + (µna)2
et donc Var(Xn) + (µna)20ce qui entraîne que Var(Xn)0et que µna. Réciproque-
ment si Var(Xn)0et µnaalors [|Xna|2] = Var(Xn) + (µna)20.
Liens entre les modes de convergence
Proposition 24.
i. La convergence presque sûre entraîne la convergence en probabilité:
Xn
p.s. XXnX
ii. La convergence en probabilité entraîne la convergence en loi
XnX XnLX
5
1 / 8 100%
La catégorie de ce document est-elle correcte?
Merci pour votre participation!

Faire une suggestion

Avez-vous trouvé des erreurs dans linterface ou les textes ? Ou savez-vous comment améliorer linterface utilisateur de StudyLib ? Nhésitez pas à envoyer vos suggestions. Cest très important pour nous !