분포 수렴 : 정의와 예시

STATS·2023년 7월 15일
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수리통계학

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분포 수렴

{Xn}\{X_n\}이 확률변수열이고, XX가 확률변수일 때, 각각 FXnF_{X_n}FXF_XXnX_nXX의 CDF라고 하자.
C(FX)C(F_X)FXF_X가 연속인 점들의 집합이라고 할 때,

limnFXn(x)=FX(x), For all x C(FX)\lim \limits_{n \to \infin} F_{X_n}(x) = F_X(x), \ \text{For all x } \in C(F_X)

를 만족하면 XnX_nXX로 분포 수렴하고, XnDXX_n \rightarrow^D X로 표기한다.

이 때 XXXnX_n극한 분포라고 한다.

분포 수렴의 의미

분포 수렴은 FXF_X가 연속인 모든 점에서 FXnF_{X_n}FXF_X로 점별 수렴한다는 것을 의미한다. 직관적으로는 표본 크기가 점점 커짐에 따라 FXnF_{X_n}의 개형이 FXF_X와 연속인 점에서 거의 동일해진다는 것을 의미한다.

T 분포의 극한 분포

Let Tn have t-distribution with dof nFn(t)=tΓ(n+12)πnΓ(n2)1(1+y2n)n+12dylimnFn(t)=limntfn(y)dy=tlimnfn(y)dylimnFn(t)=t12πey22dyTnDN(0,1)\text{Let } T_n \text{ have t-distribution with dof }n \\ {} \\ F_n(t) = \int_{-\infin}^t \frac{\Gamma(\frac{n+1}{2})}{\sqrt{\pi n}\Gamma(\frac{n}{2})} \frac{1}{(1+\frac{y^2}{n})^{\frac{n+1}{2}}} dy \\ {} \\ \lim \limits_{n \to \infin} F_n(t) = \lim \limits_{n \to \infin} \int_{-\infin}^{t} f_n(y)dy = \int_{-\infin}^{t} \lim \limits_{n \to \infin} f_n(y)dy \\ {} \\ \Rightarrow \lim \limits_{n \to \infin} F_n(t) = \int_{-\infin}^t \frac{1}{\sqrt{2\pi}}e^{-\frac{y^2}{2}}dy \\ {} \\ \therefore T_n \rightarrow^D N(0, 1)

균등 분포와 지수 분포

X1,X2,...,XniidU(0,θ)Yn=max{X1,X2,...,Xn}, Zn=n(θYn)FZn(t)=P(Znt)=P(n(θYn)t)=P(Ynθtn)=1P(Ynθtn)P(Yny)=P(max{X1,X2,...,Xn}y)=P(X1y,X2y,...,Xny)=i=1nFXi(y)=(1θy)nP(Ynθtn)=(1θ(θtn))n=(1t/θn)nFZn(t)=1(1t/θn)nlimnFZn(t)=1etθZnDexp(θ)X_1, X_2, ..., X_n \sim^{iid} U(0, \theta) \\ {} \\ Y_n = max\{X_1, X_2, ..., X_n\}, \ Z_n = n(\theta - Y_n) \\ {} \\ F_{Z_n}(t) = P(Z_n \le t) = P(n(\theta - Y_n) \le t) = P(Y_n \ge \theta - \frac{t}{n}) = 1-P(Y_n \le \theta - \frac{t}{n}) \\ {} \\ P(Y_n \le y) = P(max\{X_1, X_2, ..., X_n\} \le y)= P(X_1 \le y, X_2 \le y, ..., X_n \le y) = \\ {} \\ \prod_{i=1}^n F_{X_i}(y) =\left(\frac{1}{\theta}y\right)^n \\ {} \\ \Rightarrow P(Y_n \le \theta - \frac{t}{n}) = \left(\frac{1}{\theta}(\theta - \frac{t}{n}) \right)^n = \left(1 - \frac{t/ \theta}{n} \right)^n \\ {} \\ \Rightarrow F_{Z_n}(t) = 1- \left(1 - \frac{t/ \theta}{n} \right)^n \\ {} \\ \lim \limits_{n \to \infin} F_{Z_n}(t) = 1-e^{-\frac{t}{\theta}} \\ {} \\ \therefore Z_n \rightarrow^D exp(\theta)

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