• Nem Talált Eredményt

2. 7.2 Valószínűségi változók konvergenciái

A nagy számok törvényében szereplő konvergencia csak az egyik a valószínűségi változók konvergenciái közül.

Az alábbiakban bevezetjük a legfontosabb konvergenciafajtákat.

7.1 Definíció

eloszlásban, ha az utóbbi minden folytonossági pontjában.

sztochasztikusan, ha minden -ra.

majdnem mindenütt, ha . [1 valószínűségű

konvergencia].

-ben, ha .

Az 1 valószínűségű, illetve konvergenciából következik a sztochasztikus konvergencia, míg ez utóbbiból az eloszlásbeli konvergencia. Az 1 valószínűségű és konvergencia esetében nem beszélhetünk arról, hogy valamelyik konvergencia erősebb a másiknál.

7.2 Feladat

Adjunk meg olyan valószínűségi változó sorozatot, amely majdnem mindenütt konvergál, de -ben nem.

Megoldás. Legyen geometriai valószínűségi mező és . Ekkor

majdnem mindenütt, viszont .

Ahhoz, hogy példát adjunk arra, hogy az konvergenciából sem következik az egy valószínűségű szükségünk lesz a következő lemmákra.

7.2 Definíció

Legyen az eseménysorozatra

illetve

Ekkor pontosan akkor teljesül, ha az -ek közül csak véges soknak eleme, illetve pontosan akkor teljesül, ha végtelen sok -nek eleme.

7.2 Tétel (Borel-Cantelli-lemmák)

(1) Ha , akkor az -ek közül valószínűséggel csak véges sok következik be.

(2) Ha és az -ek függetlenek, akkor az -ek közül

valószínűséggel végtelen sok bekövetkezik.

7.3 Feladat

Adjunk meg olyan valószínűségi változó sorozatot, amely -ben konvergál, de majdnem mindenütt nem!

Megoldás. Legyenek -ek függetlenek, , . Ekkor .

A sorozat pontosan akkor tart -ben -hoz, ha . Továbbá pontosan akkor tart -hoz majdnem mindenütt, ha valószínűséggel véges sok nem , ami pedig a Borel-Cantelli-lemma szerint ekvivalens azzal, hogy véges. Így például a választás esetén majdnem mindenütt, viszont -ben igen.

3. 7.3 Erős törvény

Független, azonos eloszlású valószínűségi változókra teljesül a nagy számok erős törvénye.

7.3 Tétel (Nagy számok Kolmogorov-féle erős törvénye)

Legyenek független, azonos eloszlású véges várható értékű valószínűségi változók. Ekkor majdnem mindenütt és -ben.

A http://www.math.elte.hu/~arato/peldatar/nszt.gif animációban láthatjuk, hogy 0,25-paraméterű indikátor illetve N(0,25,1) változók átlaga hogyan tart a 0,25-ös várható értékhez. Egy screenshot a 7.1 ábra.

7.1. ábra

-7.1. ábra

A nagy számok törvényének illusztrálása indikátorokra és normális eloszlású változókra

A http://www.math.elte.hu/~arato/peldatar/pareto.gif animációban már egészen más képet láthatunk, hiszen ott Pareto(5,1) változókat szimulálunk és azok átlagát nézzük és ezekről tudjuk, hogy várható értékük végtelen.

7.4 Feladat (Borel)

Legyen és azon a geometriai valószínűségi mező. Az elemi eseményeket írjuk fel -es diadikus tört alakban. Milyen arányban fordulnak elő a 0-ák és 1-esek a számokban?

Megoldás. Tekintsük a valószínűségi változókat, azaz az -edik számjegyet.

Ekkor

Mivel , ezért , ahol vagy és függetlenek.

Ekkor a nagy számok erős törvénye szerint majdnem mindenütt. Ezek szerint a [0,1]

intervallum majdnem minden számának diadikus tört felírásában átlagosan ugyanannyi 0 van mint 1.

7.5 Feladat (Monte-Carlo módszer)

Legyen folytonos. Kérdés: hogyan becsülhető véletlen

számgenerálás segítségével?

Megoldás. Legyenek független -eloszlásúak és

.Belátható, hogy , így a tétel szerint

majdnem mindenütt.

7.6 Feladat

Mihez tart szabályos kockadobás mértani közepe?

Megoldás. Jelöljük -el az -edik dobás eredményét. Ekkor a mértani közép felírható a következő alakban.

A nagy számok erős törvénye szerint

1 valószínűséggel. Mivel , ezért a mértani közép 1

valószínűséggel -hoz tart.

7.7 Feladat (Györfi László példájának alapján)

A HUNCUT részvény éves árfolyamváltozásai független, azonos eloszlásúak. A részvény árfolyama egy év alatt valószínűséggel 90%-al nő és ugyanilyen valószínűséggel 50%-al csökken. 1 részvény most 1 Ft-ot ér, év múlva az értékét jelöljük -el. Mihez tart várható értéke és tart-e 1 valószínűséggel valahová ?

Megoldás. A feladat feltételei szerint a részvény várható éves hozama 20%. Jelöljük -el, hogy hányszorosára

változik a részvény árfolyama az -edik évben. Ekkor és

, azaz a várható érték -hez tart. A

http://www.math.elte.hu/~arato/peldatar/reszveny. gif címen azonban láthatunk egy tipikus HUNCUT részvényárváltozást, amely azt mutatja, hogy egy idő után a részvény nagyon keveset ér. Hogy ez nem véletlen mutatja a 7.2 ábra is, ahol a részvény árfolyamának eloszlását láthatjuk 10 év után. Eszerint a részvény nagyon kis valószínűséggel nagyon sokat fog érni és nagy valószínűséggel keveset.

7.2. ábra

-7.2. ábra

A HUNCUT részvény eloszlása

Hasonlóan az előző példához -et felírhatjuk logaritmusok segítségével, . Ekkor a nagy számok erős törvénye szerint

1 valószínűséggel. Ebből következik, hogy tart 0-hoz 1 valószínűséggel.

7.8 Feladat (Előző példa folytatása)

Az előző példából okulva tőkénket másképp fektetjük be. Minden év végén tőként felét a HUNCUT részvénybe fektetjük, a másik felét azonban párnánk alatt készpénzben tartjuk.

Tőkénk év múlvabeli értékét most jelöljük -el. Mihez tart várható értéke és tart-e 1 valószínűséggel valahová ?

Megoldás. A feladat feltételei szerint tőkénk várható éves hozama .Jelöljük -el, hogy hányszorosára változik a részvény árfolyama az -edik évben. Ekkor és , azaz a várható érték most is -hez tart, bár jóval kisebb ütemben. A http://www.math. elte.hu/~arato/peldatar/toke.gif címen látható animációból sejthetjük, hogy új stratégiánkkal nagyobb valószínűséggel lesz több pénzünk. Ezt támasztja alá a 7.3 ábra is, ahol a 10 év utáni tőkénk eloszlását láthatjuk.

7.3. ábra

-7.3. ábra

Tőkénk eloszlása, ha mindig csak a felét fektetjük be a HUNCUT részvénybe

Most is logaritmusok segítségével írjuk fel -et . Ekkor a nagy számok

erős törvénye szerint 1 valószínűséggel. Ebből

következik, hogy 1 valószínűséggel szintén -hez tart.