依概率收斂

轉自:https://www.zhihu.com/question/45683589/answer/411088523

我們在高等數學中學過收斂的概念,比如數列\left \{a_{n}\right\}收斂于a,有\lim_{n \to \infty}a_{n}=a
它的含義是當n越來越大時,a_{n}a可以無限接近。無限接近的意思只要n越來越大,那么a_{n}a的距離可以任意小,這里不再寫出對應的\varepsilon -\sigma定義。

再來看什么是隨機變量序列\left \{X_{n}\right \},首先這個\left \{X_{n}\right \}是怎么產生的?
以拋硬幣為例:設X_{n}為n次試驗中正面出現的頻率,
當n變化時就形成一個隨機變量序列\left \{X_{n}\right \}
X_{1}表示一次試驗中正面出現的頻率,則有
X_{1}=\left\{\begin{matrix} 1,front side\\ 0,back side \end{matrix}\right.
X_{2}的取值為0,1/2,1三個值,

X_{n}的取值有n+1個,即:
0,1/n,2/n,3/n,…,1

也就是說不管n多大,取1或0的概率是存在的,所以X_{n}0,1/n,2/n,3/n,…,1中的任意一個數都不會隨著n的增大而變的任意小,比如下式是錯誤的:
\lim_{n \to \infty}X_{n}=\frac{1}{2}

為什么呢?
上式根據收斂的定義是隨著n的增大,X_{n}\frac{1}{2}可以任意接近,可能嗎?

當然不可能,因為不管n多大,X_{n}都有可能取1或者0,
所以X_{n}怎能與\frac{1}{2}無限接近呢?
所以X_{n}這個n次試驗正面頻率穩定于1/2附近是不能用上式表達的。

但考察如下概率:
\lim_{n \to \infty}P(X_{n}=1) = \lim_{n \to \infty}\frac{1}{2^{n}} = 0
\lim_{n \to \infty}P(X_{n}=0) = \lim_{n \to \infty}\frac{1}{2^{n}} = 0
所以隨著n的增大,X_{n}取兩側值的概率越來越小,取值集中的概率越來越大,故可以如下結論:
\forall\varepsilon>0,有
\lim_{n \to \infty}P(|X_{n}-\frac{1}{2}|>\varepsilon)=0
即雖然當n很大時,X_{n}可能會零星的出現等于1的情況,但是概率非常小,是趨于0的,故稱為依概率收斂。

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