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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。

条目类型
定义

形式陈述

一列实随机变量 Xn分布依分布收敛到 X,记作 XndX,若

FXn(x)FX(x)

FX 的每个连续点 x 成立。更一般地,度量空间值随机变量的分布 μn 弱收敛到 μ,若对每个有界连续函数 f

fdμnfdμ.

依概率收敛蕴含依分布收敛。常数极限是重要的反向特例:若 Xndc,则对每个 ε>0 都有 Pn(|Xnc|>ε)0;这个概率只由 Xn 的边缘分布决定。各变量位于同一概率空间时,这正是通常的 XnPc;位于不同空间时,上式仍给出无歧义的跨空间表述。

直觉

这种收敛只看概率质量怎样重新排布,不要求在同一实验中逐点比较 XnX。从测试函数角度看,它要求所有有界连续观察量的期望趋于相应极限,因此只保留分布层面的可观测信息。极限分布的跳点之所以被排除在 CDF 点态条件之外,是因为微小质量移动可以跨过跳点而不代表弱极限失败。

例子与边界

中心极限定理给出标准化和依分布趋于正态。取 XY 为独立同分布非退化变量,令所有 Xn=Y,则 Xn=dX,但在共同空间上通常不依概率趋于 X。CDF 只需在极限 CDF 连续点收敛;在跳点强求收敛会排除正确的弱收敛序列。依分布收敛不自动推出矩收敛,需要统一可积性等额外条件。

XnN(0,1+1/n),则其分布函数在每一点趋于标准正态分布函数,所以 XnN(0,1),即便这些变量分别定义在不同概率空间。另一个边界是常数极限:当 Xnc 时,形式陈述中的尾概率结论成立;若这些变量本来就在共同空间上,便可直接写成依概率收敛。这是一般“依分布不推出依概率”的特殊例外,而不是把不同样本空间上的随机变量强行逐点配对。

推论与应用

分布函数给出一维刻画,序列收敛提供一般的极限语言,中心极限定理则说明标准化和通常只在这一最弱模式下趋于正态。依概率收敛会推出依分布收敛,反向通常不成立。统计量的渐近置信区间、delta method 与随机过程弱逼近都依靠“只需控制输出律”的灵活性。

渐近正态性是依分布收敛的一种中心化、缩放陈述;Slutsky 定理允许把未知尺度替换为依概率收敛的估计。它不意味着原估计量本身趋于正态密度,也不给有限样本尾概率精度;边界和非正则模型可有完全不同极限。

Portmanteau 定理进一步把这种收敛改写为对有界连续测试函数、闭集或开集的多种等价控制。随机矩阵和经验测度中,研究对象的维数可能不断改变,正因不必逐样本对齐,弱收敛仍能提供统一的渐近语言。

参考资料
  • Patrick Billingsley, Probability and Measure, 3rd ed., Wiley, 1995,Ch. 1, weak convergence and distribution functions。
  • Rick Durrett, Probability: Theory and Examples, 5th ed., Cambridge University Press, 2019,Ch. 3, weak convergence and characteristic functions。
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