TEOREMA CENTRALE DEL LIMITE PER MARTINGALE

Documenti analoghi
Istituzioni di Probabilità Laurea magistrale in Matematica prova scritta del 22/7/2013

Primo appello prova scritta di Calcolo delle probabilità Laurea Triennale in Matematica 01/02/2016

Istituzioni di Probabilità - A.A

Analisi Stocastica Programma del corso 2009/10

Istituzioni di Probabilità Laurea magistrale in Matematica prova scritta del 14/2/2013

Prima prova in itenere di Istituzioni di Probabilità

Analisi Stocastica Programma del corso 2008/09

CP410: Esame 2, 3 febbraio 2015

Istituzioni di Probabilità Laurea magistrale in Matematica prova scritta del 2/12/2013

Convergenza di martingale - La convergenza in L p, p > 1 equivale alla limitatezza in L p : disuguaglianza per submg non negative; disuguaglianza di

I Appello di Processi Stocastici Cognome: Laurea Magistrale in Matematica 2014/15 Nome: 23 Giugno

Istituzioni di Probabilità Laurea magistrale in Matematica 16 Febbraio 2015

P ( X n X > ɛ) = 0. ovvero (se come distanza consideriamo quella euclidea)

La funzione caratteristica nel calcolo delle probabilità

Mattia Zanella. Ferrara, April

Primo appello di Calcolo delle probabilità Laurea Triennale in Matematica 01/02/2019

CP410: Esame 2, 30 gennaio Testo e soluzione

Diario Complementi di Probabilità a.a. 2007/2008

Corsi di Laurea Magistrale in Matematica, A.A Calcolo stocastico e applicazioni (Docente: Bertini) Esercizi settimanali

Si noti che questa definizione dice esattamente che

9. Test del χ 2 e test di Smirnov-Kolmogorov. 9.1 Stimatori di massima verosimiglianza per distribuzioni con densità finita

CORSO DI GEOMETRIA DETERMINANTE A.A. 2018/2019 PROF. VALENTINA BEORCHIA

TLC Locale per un modello di cammino aleatorio in mezzo aleatorio fluttuante

III Appello di Processi Stocastici Cognome: Laurea Magistrale in Matematica 2014/15 Nome: 15 Settembre

Condizionamento e martingale

Proprietà asintotiche dello stimatore OLS

La famiglia di distribuzioni normali asimmetriche

Traccia della soluzione degli esercizi del Capitolo 4

Diario Complementi di Probabilità a.a. 2017/2018

Calcolo delle Probabilità 2017/18 Foglio di esercizi 8

Istituzioni di Probabilità Laurea magistrale in Matematica a.a. 2013/14 Registro delle lezioni

Diario Complementi di Probabilità a.a. 2016/2017

10 Proprietà di Equipartizione Asintotica

Note di Teoria della Probabilità.

Serie numeriche. Riccarda Rossi. Analisi I. Università di Brescia

USO DELL ORTOGONALITÀ E DELLE UNITÀ APPROSSIMANTI

CP410: Esonero 1, 7 novembre, 2018

Massimo limite e minimo limite di una funzione

6 Sesta lezione: Compattezza sequenziale nelle topologie deboli. Dualità e convergenze deboli negli spazi L p.

III Appello di Calcolo delle Probabilità Cognome: Laurea Triennale in Matematica 2014/15 Nome: 14 luglio

X (o equivalentemente rispetto a X n ) è la

! X (92) X n. P ( X n X ) =0 (94)

f(x) := lim f n (x) Se introduciamo la norma uniforme di una funzione f (sull insieme A) mediante := sup f(x)

X n = αx n 1 + Y n. Si dimostri che. Usando la precedente relazione si dimostri che. e che. e si determini il limite di media e varianza quando n +.

CALCOLO DELLE PROBABILITÀ I. a.a. 2016/2017. Informatica. Leggere attentamente le seguenti note

Prova scritta di Probabilità e Statistica Appello unico, II sessione, a.a. 2015/ Settembre 2016

8. Completamento di uno spazio di misura.

()Probablità, Statistica e Processi Stocastici

11. Misure con segno.

Indice. Notazioni generali... 1

PROBABILITA Laurea in Matematica a.a. 2017/18 Registro delle lezioni

Corso di Laurea Triennale in Matematica Calcolo delle Probabilità I (docenti G. Nappo, F. Spizzichino)

Appunti del corso Processi stocastici. Marco Frego, Marco Pizzato, Luca Tasin, Luciano Tubaro

Il Teorema di Mountain-Pass

Analisi Reale. Anno Accademico Roberto Monti. Versione del 13 Ottobre 2014

TOPOLOGIA - APPUNTI SETTIMANA 2/12/2013-5/11/2013

Il metodo diretto del Calcolo delle Variazioni

04 - Numeri Complessi

Risolvere il seguente sistema lineare ESERCIZIO 2

Diario delle lezioni. 1. Analisi di Fourier discreta e applicazioni alla statistica e alla probabilità: Lezioni I IV

VERSIONE PRELIMINARE Lezioni di Analisi Matematica 3 corso di Laurea in Fisica a.a

Esame di Calcolo delle Probabilità del 4 luglio 2006 (Corso di Laurea Triennale in Matematica, Università degli Studi di Padova).

Processi stocastici A.A Corso di laurea Magistrale in Statistica Univ. degli Studi di Palermo

Esercizi di Calcolo delle Probabilità

Stima dei parametri. La v.c. multipla (X 1, X 2,.., X n ) ha probabilità (o densità): Le f( ) sono uguali per tutte le v.c.

8 Derivati dell entropia

STATISTICA APPLICATA Prof.ssa Julia Mortera. INTRODUZIONE al STATISTICA

Probabilità di non collisione per Moti Browniani

CP110 Probabilità: Esonero 2. Testo e soluzione

Campionamento e stima di parametri

Esercizi - Fascicolo V

Calcolo delle Probabilità e Statistica Matematica: definizioni prima parte. Cap.1: Probabilità

II Appello di Calcolo delle Probabilità Cognome: Laurea Triennale in Matematica 2013/14 Nome: 20 febbraio

11 Undicesima lezione: Coercività e semicontinuità di funzionali integrali

III Appello di Calcolo delle Probabilità Cognome: Laurea Triennale in Matematica 2013/14 Nome: 16 luglio

Esercitazione del 28/10/2011 Calcolo delle probabilità

Corso di Laurea in Fisica. Geometria. a.a Prof. P. Piazza Soluzione compito a casa del 24/10/09

SERIE NUMERICHE FAUSTO FERRARI

()Probablità, Statistica e Processi Stocastici

Dispensa di Statistica

1 2 1 x = Quando sapremo calcolare i determinanti potremo ricavare:

Statistica ARGOMENTI. Calcolo combinatorio

Probabilità e Statistica

Esercitazione del 16/04/2019 Istituzioni di Calcolo delle Probabilità

I Appello di Calcolo delle Probabilità Laurea Triennale in Matematica 2016/17

I due teoremi fondamentali di Bertini

Analisi multivariata per osservazioni appaiate. Analisi multivariata per osservazioni appaiate

Cognome Nome Matricola. Es. 1 Es. 2 Es. 3 Es. 4 Somma Voto finale

PROVE SCRITTE DI MATEMATICA APPLICATA, ANNO 2006/07

Principali insiemi di numeri

Misura e dimensione di Hausdorff

Contenuti aggiuntivi su matrici e determinanti, Dimostrazioni del Capitolo 3

CP210 Introduzione alla Probabilità: Esame 2

Misure e loro proprietà (appunti per il corso di Complementi di Analisi Matematica per Fisici, a.a )

Regressione lineare. Lucio Demeio Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche Università Politecnica delle Marche.

1. Si scelga a caso un punto X dell intervallo [0, 2], con distribuzione uniforme di densità. f X (x) = [0,2](x)

Diario Complementi di Probabilità a.a. 2018/2019

LEZIONE 12. Y = f(x) = f( x j,1 f(e j ) = x j,1 A j = AX = µ A (X),

III Appello di Calcolo delle Probabilità Laurea Triennale in Matematica 2018/19

Transcript:

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI ROMA TRE Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Corso di Laurea in Matematica Sintesi della Tesi di Laurea TEOREMA CENTRALE DEL LIMITE PER MARTINGALE Relatore: Prof. PIETRO CAPUTO Laureando: GIORGIO GRAVELA Classificazione AMS: 60G40, 60G42, 60G44, 60G45, 60Fxx, 60F05. Parole chiavi: martingale, moti browniani, principio d invarianza, teorema centrale del limite. ANNO ACCADEMICO 2004-2005 Maggio 2006

Indice Indice 1 1 T.C.L. Per Martingale 2 1.0.1 Il Principio D Invarianza................. 4 Bibliografia 11 1

Capitolo 1 T.C.L. Per Martingale Il Teorema Centrale del Limite (T.C.L.) è uno dei più importanti risultati nella teoria del calcolo delle probabilità. In breve, nella sua forma più elementare afferma che la distribuzione della somma di un numero elevato di variabili casuali indipendenti e identicamente distribuite (i.i.d.) è approssimata da una distribuzione normale, indipendentemente dalla distribuzione delle singole variabili, purchè queste abbiano momento secondo finito. La teoria matematica delle martingale può essere considerata un estensione della teoria delle variabili aleatorie indipendenti, ed il nostro lavoro ha lo scopo di dimostrare un T.C.L. per martingale. Sia S n, n 1, una martingala rispetto alla filtrazione {F n } n, con ES n = 0, ESn 2 <, e sia X n = S n S n 1, n 2, con S 0 = 0, detta martingala differenze. Introduciamo la varianza condizionata per martingale V n = n E(Xi 2 F i 1 ), 1 che gioca un ruolo cruciale nella teoria di limite per martingale. Essa rappresenta una delle numerose stime della varianza ES 2 n e questo im- 2

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 3 plica che il comportamento al limite di S n è strettamente legato a quello di V n. Quindi se il comportamento di V n non è buono, potrebbe non essere possibile ottenere un T.C.L. Nota. Osserviamo che V n = nσ 2 se le X i sono i.i.d. con la varianza di X i uguale a σ 2. Nel teorema centrale del limite per martingale si richiede che la varianza condizionata sia asintoticamente costante: dove σ 2 n = EV n = ES 2 n. σ 2 n V n 1 in probabilità, (1.1) Un modo conveniente per introdurre V n è attraverso la decomposizione di Doob delle submartingale {S 2 n, F n }. Possiamo scrivere S 2 n = M n + A n, dove {M n, F n } è una martingala e {A n } è una successione crescente di v.a. non negative, con A n F n 1. Allora la decomposizione è unicamente determinata (q.c.) dalla seguente relazione: A n A n 1 = E(A n A n 1 F n 1 ) = E(S 2 n F n 1 ) S 2 n 1 = E((S n S n 1 ) 2 F n 1 ) = E(X 2 n F n 1 ). Quindi A n = V n.

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 4 1.0.1 Il Principio D Invarianza Con il termine principio d invarianza indicheremo i T.C.L. per funzionali. Mentre con il T.C.L. si studia la convergenza delle somme S n ad una normale standard 1, con un principio di invarianza studieremo la convergenza del processo S t, con t parametro continuo, al moto browniano B t. Nel 1978 Durret ha presentato un approccio unificato per ottenere vari principi di invarianza per S n partendo dal teorema di rappresentazione di Skorokhod. Di solito nei vari metodi usati per stabilire principi d invarianza, è necessario provare sia (a) la convergenza di distribuzioni finito-dimensionali che (b) la tightness 2. Il teorema di rappresentazione di Skorokhod permette invece di stabilire il principio di invarianza direttamente, senza usare le due parti (a) e (b). Nel nostro lavoro abbiamo seguito l approccio di Durrett. Abbiamo iniziato mostrando il legame tra le martingale e i moti browniani per poi fornire alcuni utili strumenti di calcolo per i tempi di primo ingresso per i moti browniani. Teorema 1.0.1 Sia X t una martingala continua a destra adattata ad una filtrazione continua a destra. Se T è uno stopping time limitato allora EX T = EX 0. 1 con le opportune normalizzazioni. 2 Una successione {µ n } n di misure di probabilità si dice tight se ɛ > 0 k tale che: inf µ n([ k, k]) 1 ɛ n

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 5 Teorema 1.0.2 B t è una martingala rispetto alla filtrazione F t 3. Teorema 1.0.3 Se a < x < b allora P x (T a 4 < T b ) = (b x) (b a) Teorema 1.0.4 B 2 t t è una martingala rispetto alla filtrazione F t. Teorema 1.0.5 Sia T = inf{t : B t / (a, b)}, dove a < 0 < b. Allora E 0 T = ab. Teorema 1.0.6 exp(θb t (θ 2 t/2)) è una martingala rispetto alla filtrazione F t. Teorema 1.0.7 Sia T = inf{t : B t / ( a, a)}. Allora E 0 (exp( λt )) = 1/ cosh(a 2λ) Teorema 1.0.8 B 3 t 3tB t,b 4 t 6tB 2 t + 3t 2,... sono martingale rispetto alla filtrazione F t. Teorema 1.0.9 Sia T = inf{t : B t / ( a, a)}. Allora 3 Sia F 0 t = σ(b r : r t), allora E(T 2 ) = 5a 4 /3 F t = s>t F 0 s. 4 T a = inf{t : B t = a}

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 6 Nel terzo capitolo siamo partiti dal teorema di rappresentazione di Skorokhod per dimostrare il primo generale principio d invarianza per somme di variabili aleatorie indipendenti e identicamente distribuite (Teorema di Donsker) di cui un immediato corollario è il T.C.L classico. Teorema 1.0.10 (di rappresentazione di Skorokhod) Sia X una variabile aleatoria con EX = 0 e EX 2 <. Allora esiste uno stopping time T per un moto Browniano B t con B 0 = 0 tale che B T = d X e ET = EX 2. Il teorema di rappresentazione di Skorokhod si generalizza facilmente ottenendo il seguente: Teorema 1.0.11 Siano X 1, X 2,... i.i.d. con funzione di distribuzione F, EX = 0 e EX 2 = 1, e sia S n = X 1 +... + X n. Allora esiste una successione di stopping times T 0 = 0, T 1, T 2,... tale che S n = d B Tn e T n T n 1 sono i.i.d.. Teorema 1.0.12 (di Donsker) Sotto le ipotesi di 1.0.11, se definiamo S k S (u) = lineare su [k, k + 1] dove N è l insieme dei naturali, allora se u = k N per k N S (n ) n B ( )

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 7 Con la notazione S (n ) / n B ( ) intendiamo la convergenza debole della misura su C[0, 1] 5 associata al processo S (n ) / n alla misura su C[0, 1] associata al moto browniano B ( ). La topologia su C[0, 1] è quella determinata dalla norma ω = sup{ ω(s) : s [0, 1]}, che rende C[0, 1] uno spazio metrico completo separabile. Ricordiamo inoltre la seguente: Definizione 1.0.1 Una successione di misure di probabilità µ n su C[0, 1] converge debolmente ad un limite µ se per ogni funzione continua limitata ϕ : C[0, 1] R, ϕdµ n ϕdµ. Vediamo come si passa da un principio d invarianza al T.C.L. Vale il seguente corollario del teorema di Donsker: Corollario 1.0.1 Sia ψ : C[0, 1] R è continua P 0 -q.c. 6, allora ψ(s (n ) / n) ψ(b ( ) ) (1.2) Quindi basta porre ψ(ω) = ω(1). Infatti in questo caso ψ : C[0, 1] R è continua, e quindi applicando il corollario 1.0.1 al teorema di donsker otteniamo il T.C.L. Con un procedimento del tutto analogo, nel quarto e ultimo capitolo siamo partiti dal teorema di Strassen, che è un estensione per martingale 5 C[0, 1] = {ω : [0, 1] R, con ω funzione continua }. 6 P 0 è la misura sotto la quale B t è un moto browniano che parte da 0 cioè P 0 (B 0 = 0) = 1.

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 8 del teorema di rappresentazione di Skorokhod, per dimostrare un principio di invarianza per martingale di cui un immediato corollario è il T.C.L. per martingale. Teorema 1.0.13 (di Strassen) Se S n è una martingala con S 0 = 0 e B t è un moto browniano, allora esiste una successione di stopping times 0 = T 0 T 1 T 2... per B t tale che (S 0, S 1,..., S k ) = d (B T0, B T1,..., B Tk ) k 0. In analogia a quanto visto nel teorema 1.0.12, introduciamo la seguente notazione: 1. X n,m,1 m n, è una martingala vettore differenze rispetto ad F n,m, se X n,m F n,m e E(X n,m F n,m 1 ) = 0 per 1 m n, dove F n,0 = {, Ω}. 2. V n,k = 1 m k E(X 2 n,m F n,m 1 ) è la varianza condizionata di X n,m. 3. B ( ) è un moto browniano con B 0 = 0. 4. S n,(n ) denota l interpolazione lineare di S n,m definita da S n,m se u = m N S n,(u) = lineare per u [m, m + 1] per m N Un principio d invarianza per martingale è dato dal seguente: Teorema 1.0.14 (di Freedman) Sia X n,m una martingala vettore differenze rispetto ad F n,m, e sia S n,m = X n,1 +... + X n,m. Se valgono le seguenti affermazioni:

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 9 (i) X n,m ɛ n, m, con ɛ n 0 (ii) t, V n,[nt] t in probabilità allora S n,(n ) B ( ) Con ipotesi meno forti rispetto a quelle del teorema di Freedman, abbiamo dimostrato il seguente principio d invarianza per martingale, da cui poi con facili calcoli, si ottiene il T.C.L. per martingale. Teorema 1.0.15 (di Lindeberg-Feller per martingale) Sia X n,m una martingala vettore differenze rispetto ad F n,m, 1 m n, e sia S n,m = X n,1 +... + X n,m. Se valgono le seguenti affermazioni: (i) t [0, 1] V n,[nt] t in probabilità (ii) ɛ > 0 m n E(X 2 n,m1 ( Xn,m >ɛ) F n,m 1 ) 0 in probabilità allora S n,(n ) B ( ). Dal teorema 1.0.15 si dimostra facilmente il seguente principio d invarianza per martingale: Teorema 1.0.16 Sia X n una martingala successione differenze rispetto alla filtrazione {F n } n, cioè E(X n F n 1 ) = 0, e sia V k = k n=1 E(Xn 2 F n 1 ). Se valgono (i) V k /k σ 2 > 0 in probabilità (ii) n 1 n m=1 E(Xm1 2 ( Xm >ɛ n)) 0

CAPITOLO 1. T.C.L. PER MARTINGALE 10 allora S (n ) n σb ( ). Alla luce di quanto detto fin ora, dimostriamo il T.C.L. per martingale. Teorema 1.0.17 Sotto le stesse ipotesi di 1.0.16 si ha S n n σχ dove χ è la normale standard. Dimostrazione. Basta applicare il corollario 1.0.1 alla ψ : C[0, 1] R con ψ(ω) = ω(1) e ricordarsi che B 1 è una normale standard.

Bibliografia [1] Dvoretsky A. Asymptotic normality for sums of dependent random variables. In Proc. 6th Berkeley Symp., volume II, pages 513 535, 1972. [2] Freedman D. Brownian motion and diffusion. Springer-Verlag, New York, 1971. [3] Root D.H. The existence of certain stopping times on brownian motion. In Ann.Mat.Statist. 40, pages 715 718, 1969. [4] Dubins L.E. On a theorem of skorokhod. In Ann.Math.Statist. 39, pages 2094 2097, 1968. [5] Donsker M. An invariance principle for certain probability limit theorems. In Memoirs of the AMS, No.6, 1951. [6] Billingsley P. Probability and measure. John Wiley and Sons, New York, 1979. [7] Hall P. and Heyde C.C. Martingale limit theory and its application. Academic Press, New York, 1980. [8] Durrett R. Probability:Theory and Examples. Duxbury, terza edizione, 2005. 11

BIBLIOGRAFIA 12 [9] Durrett R. and Resnick S. Functional limit theorems for dependent random variables. In Ann.Probab. 6, pages 829 846, 1978. [10] Strassen V. Almost sure behavior of the sum of independent random variables and martingales. In Proc. 5th Berkeley Symp., volume II, pages 315 343, 1967.