Предельные теоремы для схемы Бернулли

Подпункты этого параграфа:

• Пуассоновское приближение
• Нормальное приближение
• О применимости предельных теорем в схеме Бернулли

К настоящему моменту мы накопили значительное число точных результатов, относящихся к последовательности независимых испытаний Бернулли и связанному с ней биномиальному распределению. Мы знаем, что , число успехов в последовательности из независимых испытаний Бернулли, можно представить в виде

(11)

где -- независимые одинаково распределенные бернуллиевские случайные величины. Мы знаем в явном виде распределение , а именно,

где -- вероятность успеха в единичном испытании.

Вместе с тем, во многих задачах приходится находить вероятности при больших значениях . Это может вызвать значительные вычислительные трудности ввиду громоздкости биномиальных коэффициентов и необходимости возводить числа и в высокие степени. Ниже мы рассмотрим две важные предельные ситуации, когда биномиальное распределение может быть приближено другими распределениями.

Пуассоновское приближение

Верна предельная теорема Пуассона: Пусть , таким образом, что , где -- заданное число. Тогда для любого фиксированного

Другими словами, в описанном предельном переходе биномиальные вероятности аппроксимируются пуассоновским распределением.

Доказательство.

Для краткости будем считать, что , . Тогда

поскольку выражение в квадратных скобках стремится к единице, если фиксировано, а .

Замечание 2.10

Формулировка теоремы Пуассона, которая приведена выше, ничего не говорит о скорости сходимости биномиального распределения к предельному пуассоновскому закону. Ответ на этот вопрос можно дать, воспользовавшись, например, теоремой из [14, гл. 3, § 12]. Из нее вытекает, что если , то

где -- пуассоновская с.в. с параметром , а верхняя грань взята по всем подмножествам целых неотрицательных чисел.

Нормальное приближение

Здесь мы рассмотрим случай, когда число испытаний в схеме Бернулли растет (), а вероятность успеха в единичном испытании остается фиксированной. Верна так называемая интегральная теорема Муавра-Лапласа.

Интегральная теорема Муавра-Лапласа 1 Пусть -- число успехов в последовательности из независимых испытаний Бернулли с вероятностью успеха в единичном испытании . Пусть . При

(12)

где .

Мы не приводим доказательства этого утверждения, желающие могут найти его, например, в [4] или [14]. Мы ограничимся рядом замечаний.

Замечание 2.11

Функция , появившаяся в этой теореме, называется функцией распределения стандартного нормального закона. Для значений этой функции существуют подробные таблицы. Свойства функции мы будем подробно обсуждать в Главе 3. Пока же мы отметим, что она не зависит ни от каких параметров. Следовательно, предел в теореме Муавра-Лапласа является универсальным, так как он не зависит от параметра , который имеется в допредельном выражении. На самом деле, эта теорема является частным случаем другой, еще более универсальной центральной предельной теоремы. Центральную предельную теорему мы будем обсуждать в 5.2.

Замечание 2.12

Чтобы понять смысл выражения

(13)

необходимо вспомнить, что и (см. Пример 2.7). Таким образом, это выражение имеет вид . Легко видеть, что , а . Преобразование (13) называется центрированием и нормированием случайной величины .

Замечание 2.13

В предельном переходе `` , фиксировано'' каждая ``индивидуальная'' вероятность стремится к нулю. Асимптотика этого стремления описывается так называемой локальной предельной теоремой, которая остается за рамками нашего курса, но может быть найдена в большинстве классических учебников (например, в [4] или [14]). Что же касается интегральной предельной теоремы Муавра-Лапласа, то можно сказать, что она описывает предельное поведение сумм большого числа таких малых вероятностей. Действительно,

таким образом, в последней сумме содержится много (порядка ) слагаемых.

Замечание 2.14

Скорость сходимости в (12) хорошо изучена. Имеет место так называемая оценка Берри-Эссеена: существует такое , что

Подробности можно найти в [14].