即标准化和依分布收敛公理库依分布收敛Convergence in distribution · Weak convergence分布函数在极限分布连续点处收敛的随机变量收敛概念。于标准正态分布公理库正态分布Normal distribution · Gaussian distribution · 高斯分布具有指数平方密度、在仿射变换与独立求和下封闭的概率分布族。:对每个 ,
对样本均值,CLT 给出抽样分布公理库统计量与抽样分布Statistic · Sampling distribution样本的可测数据摘要,以及该摘要在指定统计模型与重复抽样设计下的推前分布。的标准化近似,进而支持已知 时的渐近置信区间 ,以及Monte Carlo 积分公理库Monte Carlo 积分Monte Carlo integration · Monte Carlo quadrature将积分改写为随机变量期望,以独立样本均值估计并用方差和概率假设量化随机误差。的渐近误差条。未知方差还需一致的方差估计与 Slutsky 定理。对其他估计量公理库估计量的渐近正态性Asymptotic normality of estimators估计误差在明确中心、速率与协方差下趋于正态律,以及线性化、标准化和边界失效机制。,则先证明它具有相应线性主项;Delta 方法公理库Delta 方法Delta method用可微映射的一阶 Taylor 展开传播估计量的渐近分布与协方差。再把极限传到光滑目标,不能仅凭“它也是统计量”就套用样本均值公式。
经典证明走特征函数公理库特征函数(概率)Characteristic function of a distribution随机变量的复指数矩,也就是概率分布的 Fourier 变换。路线:独立和的特征函数是乘积,对每个因子在原点做二阶展开,取极限得到 ,再由 Lévy 连续性定理收官——这条证明同时解释了为何只有均值与方差出场。
与大数律公理库强大数定律Law of large numbers · Strong law of large numbers · SLLN独立同分布且可积时,样本均值沿几乎每条无限样本路径收敛到共同期望。相比,两者一粗一细:大数律说样本均值收敛到 ,CLT 刻画 尺度的波动。独立但不同分布时,应检查相应 Lindeberg 或 Lyapunov 条件,确认没有少数项支配总波动。
当累计量是完成周期的次数时,先对周期长度的部分和用 CLT,再反演事件。更新中心极限定理公理库更新计数的中心极限定理Renewal central limit theorem把部分和的正态涨落反演为更新计数涨落,得到方差尺度 σ²t/μ³。由此得到计数方差尺度 ,说明随机时间反演为何额外带来平均周期的次幂。
对更一般的低次多线性统计量,低影响不变性原理公理库低影响多项式的不变性原理Invariance principle for low-influence polynomials对低次数、低坐标影响的多线性多项式,逐坐标替换均匀 bit 与 Gaussian 输入并控制平滑测试误差。逐坐标替换 bit 与 Gaussian 输入,用匹配低阶矩消去 Taylor 主项,再以影响和高阶矩控制余项。归一化独立和是其中最简单的例子;一般多项式还必须检查次数、每坐标影响及测试函数的光滑性。
参考资料
Patrick Billingsley, Probability and Measure, 3rd ed., Wiley, 1995,Ch. 4, central limit theorem for independent variables。
Rick Durrett, Probability: Theory and Examples, 5th ed., Cambridge University Press, 2019,§3.4;例 3.4.13 与定理 3.4.14 分别给出无限方差的正态极限及正态吸引域条件。作者稿。