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P-fast sichere Konvergenz und P-stochastische Konvergenz
Um dein Verständnisproblem zu klären, gehen wir Schritt für Schritt durch die Aufgabe und die Begriffe, die du genannt hast.
P-fast sichere Konvergenz bedeutet, dass ein Ereignis fast sicher eintritt, wenn es mit Wahrscheinlichkeit 1 eintritt. Die Definition lautet:
P({ω∈Ω : limn→∞Xn(ω)=∞})=1
Dies bedeutet, dass der Grenzwert der Folge von Zufallsvariablen
Xn für fast alle
ω in
Ω gegen
∞ geht, und dieses Ereignis tritt mit Wahrscheinlichkeit 1 ein.
P-stochastische Konvergenz, auch bekannt als Konvergenz in Wahrscheinlichkeit, bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass die Zufallsvariablen sich von einem bestimmten Wert um mehr als einen beliebig kleinen Wert
ϵ unterscheiden, gegen 0 geht, wenn
n gegen Unendlich geht. Formal:
limn→∞P(∣Xn−c∣>ϵ)=0
für jedes
ϵ>0. Aber was du zeigen sollst, entspricht nicht exakt dieser Definition, sondern der Aussage, dass
P(Xn≤c) gegen 0 geht für
n→∞, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass
Xn unter einer bestimmten Konstante
c bleibt, gegen 0 geht.
Der Zusammenhang zwischen der P-fast sicheren Konvergenz
Xn→∞ und der stochastischen Konvergenz in dem Sinne, dass
P(Xn≤c)→0, erscheint intuitiv klar – wenn die Werte von
Xn fast sicher gegen
∞ streben, sollte die Wahrscheinlichkeit, dass sie unter irgendeiner fixierten Schranke
c bleiben, mit wachsendem
n gegen 0 gehen.
Um das formell zu zeigen, verwenden wir die Annahme:
P({ω∈Ω : limn→∞Xn(ω)=∞})=1
Betrachte das Komplementärereignis:
P({ω∈Ω : ∃c>0,limsupn→∞Xn(ω)≤c})
Die Wahrscheinlichkeit des o.g. Ereignisses muss 0 sein, weil dessen Wahrscheinlichkeit das Komplement zur Wahrscheinlichkeit des Ereignisses ist, dass
Xn→∞ fast sicher, und dessen Wahrscheinlichkeit ist 1.
Daher, für jedes
c>0, betrachte das Ereignis, dass
Xn≤c für unendlich viele
n. Wenn der Limes superior von
Xn(ω) für ein
ω kleiner oder gleich
c ist, bedeutet dies, dass
Xn(ω) unterhalb dieses
c für unendlich viele
n bleiben kann. Da jedoch die Fast-Sicherheit von
Xn→∞ besagt, dass dies nur mit Wahrscheinlichkeit 0 passiert, folgt, dass für alle
c>0:
limn→∞P(Xn≤c)=0
Dein Verständnis, dass die stochastische Konvergenz (in diesem speziellen Fall die Folge, dass Wahrscheinlichkeiten gegen 0 gehen) aus der fast sicheren Konvergenz (hier die Konvergenz gegen Unendlich) folgt, ist korrekt. Diese Aufgabe verdeutlicht, wie ein stärkerer Konvergenzbegriff (fast sichere Konvergenz) Implikationen für einen schwächeren Konvergenzbegriff (stochastische Konvergenz) haben kann.