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大数の法則

証明の前提知識

証明

いまYYを

Y={0, if X<cc, if X≥cY= \begin{cases} 0, & \text { if } X<c \\ c, & \text { if } X \geq c \end{cases}

と定義する。このとき常にY≤XY\leq Xである。したがってE[Y]≤E[X]E[Y]\leq E[X]である。

E[Y]=0×P(Y=0)+c×P(Y=c)=cP(X≤c)\begin{align} E[Y] &= 0\times P(Y=0) + c \times P(Y=c)\\ &=cP(X\leq c) \end{align}

であるからE[Y]≤E[X]E[Y]\leq E[X]は

cP(X≥c)≤E[X]cP(X\geq c) \leq E[X]

となる。ccで両辺を割れば

P(X≥c)≤E[X]cP(X \geq c) \leq \frac{E[X]}{c}
証明

Y=(X−μ)2Y=(X-\mu)^2とおき、YYにマルコフの不等式を適用すれば、

P(Y≥c2)≤E[Y]c2=σ2c2P(Y \geq c^2) \leq \frac{E[Y]}{c^2} = \frac{\sigma^2}{c^2}

ここで

Y≥c2⟺∣X−μ∣≥cY \geq c^2 \Longleftrightarrow|X-\mu| \geq c

であるから

P(Y≥c2)=P(∣X−μ∣≥c)P(Y \geq c^2) = P(|X - \mu| \geq c)

となり

P(∣X−μ∣≥c)≤σ2c2P(|X-\mu|\geq c) \leq \frac{\sigma^2}{c^2}

が成立する

証明

ε>0\varepsilon > 0を任意の定数とする。E[Xˉn]=μ,Var[Xˉn]=σ2/nE[\bar{X}_n] = \mu, \mathrm{Var}[\bar{X}_n] = \sigma^2/nであるから、Xˉ\bar{X}にチェビシェフの不等式を適用すれば

P(∣Xˉn−μ∣≥ε)≤σ2nε2P(|\bar{X}_n-\mu| \geq \varepsilon) \leq \frac{\sigma^2}{n \varepsilon^2}

となる。ここでn→∞n \to \inftyとおけば右辺は0に収束するから

∀ε>0,lim⁡n→∞P(∣Xˉn−μ∣≥ε)=0\forall \varepsilon > 0, \quad \lim_{n\to \infty} P(|\bar{X}_n-\mu| \geq \varepsilon) = 0

よって

Xˉ→pμ,(n→∞)\bar{X} \overset{p}{\to} \mu, \quad (n \to \infty)