3.4 Lei forte dos grandes números

{theorem}

[Lei Forte dos Grandes Números] Sejam X1,X2,…X_{1},X_{2},\dots \iidem ℒ1\mathcal{L}^{1}, com m=E⁢(X1)m=E(X_{1}). Então,

limn→∞1n⁢∑i=1nXn=m, P-quase certamente.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}X_{n}=m,\text{ $P$-quase certamente.} (3.47)

Antes de começar a prova, buscando inspiração no Teorema das Três Séries, mostraremos que basta considerar versões truncadas das variáveis XiX_{i}. Isso é feito no próximo

{lemma}

Sejam Yi=Xi⁢\1[|Xi|≤i]Y_{i}=X_{i}\1_{[|X_{i}|\leq i]}. Então, para demonstrar o Teorema 3.4, basta provar que

limn→∞1n⁢∑i=1nYi=m, P-quase certamente.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}Y_{i}=m,\text{ $P$-quase certamente.} (3.48)
Prova do Lema 3.4.

Consideramos os eventos Ai=[Xi≠Yi]A_{i}=[X_{i}\neq Y_{i}]. Obviamente,

∑iP⁢(Ai)=∑iP⁢[|Xi|≥i]≤∫0∞P⁢[|Xi|≥t]⁢t⋅=E⁢(|Xi|)<∞.\sum_{i}P(A_{i})=\sum_{i}P[|X_{i}|\geq i]\leq\int_{0}^{\infty}P[|X_{i}|\geq t]% \d{t}=E\big{(}|X_{i}|)<\infty. (3.49)

Logo, pelo Lema de Borel-Cantelli, temos que PP-quase certamente AiA_{i} acontece apenas finitas vezes. Digamos que AiA_{i} não acontece para i>N⁢(ω)i>N(\omega). Dessa forma, para qualquer n≥1n\geq 1,

|1n⁢∑i=1n(Xi−Yi)|≤1n⁢∑i=1n|Xi−Yi|≤1n⁢∑i≤N⁢(ω)|Xi|,\Big{|}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(X_{i}-Y_{i})\Big{|}\leq\frac{1}{n}\sum_{i=1}^% {n}|X_{i}-Y_{i}|\leq\frac{1}{n}\sum_{i\leq N(\omega)}|X_{i}|, (3.50)

que converge para zero PP-quase certamente, mostrando o resultado. ∎

O próximo passo para a prova da Lei Forte dos Grandes Números é cuidar da esperança das novas variáveis YiY_{i}. {lemma} Sejam Zi=Yi−E⁢(Yi)Z_{i}=Y_{i}-E(Y_{i}), para i≥1i\geq 1 como acima. Então, para demosntrar o Teorema 3.4, basta mostrar que

limn→∞1n⁢∑i=1nZi=0, P-quase certamente.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}Z_{i}=0,\text{ $P$-quase certamente.} (3.51)
Demonstração.

Supondo a convergência em (3.51), sabemos que

limn→∞1n⁢∑i=1nYi−E⁢(Yi)=0, P-quase certamente.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}Y_{i}-E(Y_{i})=0,\text{ $P$-quase % certamente.} (3.52)

Mas E⁢(Yi)=E⁢(Xi⁢\1[|Xi|≤i])E(Y_{i})=E(X_{i}\1_{[|X_{i}|\leq i]}) que converge a E⁢(Xi)=mE(X_{i})=m, pelo Teorema da Convergência Dominada, donde concluímos que

limn→∞1n⁢∑i=1nE⁢(Yi)=m.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}E(Y_{i})=m. (3.53)

Dessa forma, obtemos que 1n⁢∑i=1nYi\tfrac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}Y_{i} converge quase certamente a mm, donde concluímos a prova do Teorema 3.4 por meio do Lema 3.4. ∎

Gostaríamos de utilizar os teoremas das séries para mostrar a convergência de 1n⁢∑nZn\tfrac{1}{n}\sum_{n}Z_{n}, mas obviamente, o fator 1n\tfrac{1}{n} que precede a soma nos impede de fazê-lo. O próximo resultado é um simples exercício de análise real, que nos permite reduzir a prova de (3.51) para uma simples convergência de uma série sem pré-fatores.

{lemma}

[Lema de Kronecker] Suponha que xn∈ℝx_{n}\in\mathbb{R} e bn>0b_{n}>0 sejam tais que bn↑∞b_{n}\uparrow\infty e ∑i=1∞xibi\sum_{i=1}^{\infty}\frac{x_{i}}{b_{i}} convirja a s∈ℝs\in\mathbb{R}. Então

limn→∞1bn⁢∑i=1nxi=0.\lim_{n\to\infty}\frac{1}{b_{n}}\sum_{i=1}^{n}x_{i}=0. (3.54)
Demonstração.

Definindo s0=0s_{0}=0 e sn=x1b1+⋯+xnbns_{n}=\tfrac{x_{1}}{b_{1}}+\dots+\tfrac{x_{n}}{b_{n}}, temos, por integração por partes,

∑i=1nxi=∑i=1nbi⁢xibi=∑i=1nbi⁢si−∑i=1nbi⁢si−1=bn⁢sn+∑i=1n−1(bi−bi+1)⁢si.\sum_{i=1}^{n}x_{i}=\sum_{i=1}^{n}b_{i}\frac{x_{i}}{b_{i}}=\sum_{i=1}^{n}b_{i}% s_{i}-\sum_{i=1}^{n}b_{i}s_{i-1}=b_{n}s_{n}+\sum_{i=1}^{n-1}(b_{i}-b_{i+1})s_{% i}. (3.55)

Escolhemos agora, para qualquer ε>0\varepsilon>0, um n0≥1n_{0}\geq 1 tal que |sn−s|<ε|s_{n}-s|<\varepsilon para todo n≥n0n\geq n_{0}. Dessa forma,

1bn⁢∑i=1nxi=sn−1bn⁢∑i=1n−1(bi+1−bi)⁢si=sn−1bn⁢∑i=1n0−1(bi+1−bi)⏟Δn0⁢si−1bn⁢∑i=n0n−1(bi+1−bi)⁢si=sn⏟→s−1bn⁢Δn0⏟→0−1bn⁢∑i=n0n−1(bi+1−bi)⁢s⏟=(bn−bn0)⁢sbn⁣→s−1bn⁢∑i=n0n−1(bi+1−bi)⁢(si−s)⏟≤ε⁢(bn−bn0)bn⁣≤ε,\begin{split}\frac{1}{b_{n}}\sum_{i=1}^{n}x_{i}&=s_{n}-\frac{1}{b_{n}}\sum_{i=% 1}^{n-1}(b_{i+1}-b_{i})s_{i}\\ &=s_{n}-\frac{1}{b_{n}}\underbrace{\sum_{i=1}^{n_{0}-1}(b_{i+1}-b_{i})}_{% \Delta_{n_{0}}}s_{i}-\frac{1}{b_{n}}\sum_{i=n_{0}}^{n-1}(b_{i+1}-b_{i})s_{i}\\ &=\underbrace{s_{n}}_{\to s}-\underbrace{\frac{1}{b_{n}}\Delta_{n_{0}}}_{\to 0% }-\underbrace{\frac{1}{b_{n}}\sum_{i=n_{0}}^{n-1}(b_{i+1}-b_{i})s}_{=\tfrac{(b% _{n}-b_{n_{0}})s}{b_{n}}\to s}-\underbrace{\frac{1}{b_{n}}\sum_{i=n_{0}}^{n-1}% (b_{i+1}-b_{i})(s_{i}-s)}_{\leq\varepsilon\tfrac{(b_{n}-b_{n_{0}})}{b_{n}}\leq% \varepsilon},\end{split}

onde os limites indicados acima representam o que acontece quando n→∞n\to\infty. A prova segue do fato de ε\varepsilon ter sido escolhido arbitrariamente. ∎

Estamos agora em posição de finalizar a

Prova do Teorema 3.4.

De acordo com o Lema de Kronecker e o Lema 3.4, é suficiente mostrar que

∑i=1nZii, converge quase certamente.\sum_{i=1}^{n}\frac{Z_{i}}{i},\text{ converge quase certamente}. (3.56)

Por outro lado, como os ZiZ_{i}’s tem média zero, o Teorema de Uma Série diz que é suficiente mostrar que

∑i=1n\Var⁢(Zii)=∑i=1n1i2⁢\Var⁢(Zi)<∞.\sum_{i=1}^{n}\Var\Big{(}\frac{Z_{i}}{i}\Big{)}=\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{i^{2}}% \Var(Z_{i})<\infty. (3.57)

Isso segue da seguinte estimativa

∑i=1n1i2⁢\Var⁢(Zi)=∑i=1n1i2⁢\Var⁢(Yi)≤∑i=1n1i2⁢E⁢(Xi2⁢\1[|Xi|≤i])=∑i=1n1i2⁢∑k=1iE⁢(Xi2⁢\1[k−1<|Xi|≤k])=∑k=1nE⁢(X12⁢\1[k−1<|Xi|≤k])⁢∑i=kn1i2≤2⁢∑k=1n1k⁢E⁢(X12⁢\1[k−1<|Xi|≤k])≤2⁢∑k=1nE⁢(X1⁢\1[k−1<|Xi|≤k])≤2⁢E⁢(X1)<∞.\begin{split}\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{i^{2}}\Var(Z_{i})&=\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{% i^{2}}\Var(Y_{i})\leq\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{i^{2}}E\big{(}X_{i}^{2}\1_{[|X_{i}% |\leq i]}\big{)}\\ &=\sum_{i=1}^{n}\frac{1}{i^{2}}\sum_{k=1}^{i}E\big{(}X_{i}^{2}\1_{[k-1<|X_{i}|% \leq k]}\big{)}\\ &=\sum_{k=1}^{n}E\big{(}X_{1}^{2}\1_{[k-1<|X_{i}|\leq k]}\big{)}\sum_{i=k}^{n}% \frac{1}{i^{2}}\\ &\leq 2\sum_{k=1}^{n}\frac{1}{k}E\big{(}X_{1}^{2}\1_{[k-1<|X_{i}|\leq k]}\big{% )}\\ &\leq 2\sum_{k=1}^{n}E\big{(}X_{1}\1_{[k-1<|X_{i}|\leq k]}\big{)}\leq 2E(X_{1}% )<\infty.\end{split} (3.58)

Isso nos permite concluir a prova de (3.51) via o Lema de Kronecker. Consequentemente, obtemos o Teorema 3.4 via o Lema 3.4. ∎

{exercise}

Sejam YkY_{k} variáveis aleatórias independentes e com a seguinte distribuição:

P⁢[Yk=i]={12−1k2se i=1 or i=−1,2k2se i=3.P[Y_{k}=i]=\begin{cases}\frac{1}{2}-\frac{1}{k^{2}}\quad&\text{se $i=1$ or $i=% -1$},\\ \frac{2}{k^{2}}&\text{se $i=3$.}\end{cases} (3.59)

Mostre que

P⁢[1n⁢∑k=1nYk⁢ converge a zero]=1.P\Big{[}\frac{1}{n}\sum_{k=1}^{n}Y_{k}\text{ converge a zero}\Big{]}=1. (3.60)
{exercise}

[Depende de Tópico: Urna de Pólya] Mostre que segundo a lei PP construida no Exercício 2, vale que

P⁢[1n⁢∑i−1nXi⁢ converge]=1.P\big{[}\tfrac{1}{n}\sum_{i-1}^{n}X_{i}\text{ converge}]=1. (3.61)

Além disso calcule a distribuição do limite acima.

\todosec

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