20260717_3


確率に関する不等式

  • マルコフ
    • 平均をで悪と以上の値を取る確率の上限がわかる

例

ある都市の平均年収を600万円として年収が1200万円の人の割合は多く見積もっても50%

証明

とする。期待値の定義より

積分域を と に分けると

の領域で であるから

したがって 、すなわち

絶対値でも同様

  • チェビシェフ
    • 分散をで割ると平均から以上離れた値を取る確率の上限が定まる

例

平均年収600万円、標準偏差100万円の場合75%の人は400800万円、93.75%が2001000万円

証明

とおくと 。マルコフの不等式を に適用する。

左辺について

右辺について

よって


確率論の極限ではについて平均値や最大値、最小値がどうなるかを考える

この科目では平均について扱う

収束には

  • 確率収束←外側に出てくる確率が0になる
  • 概収束←特定の値に一致する
  • 法則収束←特定のの分布に一致する

3種類の収束の書き方

確率変数列 に対して、 のとき

確率収束( の外に がある確率が になる)

概収束(確率変数列の極限が定数 に一致する確率が )

法則収束( の分布が に近づく)

※概収束はこの後出てこない

スラツキーの定理

2つの確率変数列 と確率変数 、実数定数 に対して

のとき

また、 のとき

極限を求めるのにいきなり右辺が使える

連続写像定理

を連続な実数値関数とする。 のとき

確率収束する確率変数列に連続関数をかませても、収束先に関数を適用したものに収束する


大数の法則

確率変数列 が互いに独立に同一の分布 に従う(i.i.d.)とする。
標本平均を

と定義する。 が存在するとき、次の2つの収束が知られている。

大数の弱法則

も存在するとき、任意の に対して

すなわち

証明:
、。チェビシェフの不等式より

のとき右辺は に収束する。したがって

大数の強法則


すなわち

中心極限定理


中心極限定理

確率変数列 が互いに独立に同一の分布 に従う(i.i.d.)とする。
、(いずれも有限)とする。

標本平均 を標準化した確率変数

を考える。、 である。このとき

すなわち、任意の に対して

が成り立つ。これを中心極限定理という。

何を言っているのか

  • 大数の法則は「標本平均は母平均に確率収束する」→ 一点に縮まる
  • 中心極限定理は「標本平均のバラつき方(= のオーダーで広がる誤差)を拡大して見ると、正規分布に法則収束する」
  • のもとの分布が何であっても(正規分布でなくても!)、 が大きければ の分布は標準正規分布に近づく

導出の概略

とおくと 、。
のモーメント母関数を とおく。、、。

のモーメント母関数は

マクローリン展開 より

これは標準正規分布 のモーメント母関数に一致する。

CLTの具体例:分布ごとの適用

各 が i.i.d. に従うとき、 の漸近分布は 。 と は分布の種類に依存する。

分布 の近似分布
Bernoulli()
Binomial()
Poisson()
Exponential()
Uniform()

が大きければ と扱える。