2008,28A(4):747—756 爨 数学物理学报 随机变量序列函数的几乎处处中心极限定理 陈守全 (西南大学数学与统计学院 重庆400715) 林正炎 (浙江大学数学系 杭州310028) 摘要;该文证明了随机元序列的一个一般的几乎处处中心极限定理,并把这一结论应用于随机 变量序列的函数. 关键词:几乎处处中心极限定理;随机函数;平稳强混合序列; U统计量. Ma(2000)主题分类:60F05;60F15 中图分类号:021 1 文献标识码:A 文章编号:1003—3998(2008)04—747-10 1 引言 在过去十多年里,几乎处处中 5-极限定理引起了广泛关注. Brosamler(1988),Schatte (1988),Lacey和Philipp(1990)等人证明了i.i.d.随机变量序列情形的有关结论. Berkes与 Dehling(1993),Berkes和Cs ̄ki(2001)得到了不同分布随机变量序列的几乎处处中心极 限定理.但对弱相依随机变量序列,结果却不多.Peligrad和Shao(1995)证明了平稳强混 合随机变量序列的几乎处处中心极限定理. 本文将证明一个关于随机元序列的几乎处处中心极限定理的一般结果.相应地,我们将 证明对某些混合序列也成立几乎处处中心极限定理. 几乎处处极限定理表明:设{ ,佗 1}是一定义在概率空间( , ,P)上的随机变量 序列.记Sn=∑X .则在适当的条件下,存在一P_零集N∈Q,使得对任意 ∈N。,对 i=1 某些常数序列{0 ,{6 }和分布函数G及满足A(OA)=0的所有博雷尔集A C R,成立 赤∑云1三1 。 (Sk-bk)EA) , de(x), (1. ) 一 k=l … 其中 是示性函数, 表示Lebesgue测度. 2 主要结果 设( ,d)为一完备可分距离空间,{ ,佗 1)是B上的随机元序列.用 y表示y的 分布,BL(B)是由满足 1BL= lo。+lIgllL<o。的有界李普希兹连续函数g:B—R构 成的空间,其中 l。。是上确界范数, lL ·令1。g+x=log( V 1)· 收稿日期:2006—03—26;修订日期:2008—01—08 E-mail:sqchenQswu.edu.cn;zlin@zju.edu.cn 基金项目:西南大学博士基金(SWUB2006054)和国家自然科学基金(10571159)资助 748 数学物理学报 Vl01.28A 定理2.1设{yn,礼 1)是B上的随机元序列.假定存在一满足lim C =。。,an+1/c = n—+∞ o(1)的非降正数序列{c )和B一值随机元序列 ,l,k,f∈N, <f,使得对任意函数 g∈BL(B)和k<f,有 max{E(min(d(YkI{j ),1)),Coy(9I( ),g(YkIf))) C(1。g+l。g+( )) 。。 其中C>0,E>0为常数.设{dk, 1)满足0 dk log(ck+/ck)且∑dk=。。,令 =1 D =∑dk.那么对B的 一代数 上的任意概率分布 ,有 1 当n一∞时, a.s (2.2) k=l 当且仅当 当n一∞时, 嘶 (2.3) k=l这里 表示弱收敛. 如果我们取B=R,且设{Zn,n 1)是一实值随机变量序列, {礼%)是一单调 增加的正整数序列.令 = ( 1,…,x ), ,f=fk,t(Xn ̄+l,…,Xn )(1 <1),其中 A: 一冗,^,1:7=己 z 一冗都是可测函数.则由定理2.1,我们得到Berkes和Csgtki (2001)的定理4.如果 与 ,1是相互的随机元, (2.1)式变得简单 E(min(d(Yk,z, ),1)) f,log+log+( ̄c))一 + 定理2.1使得其可能的应用范围变得更广. 从Berkes和Csg&i(2001)定理4的证明,我们可证下列引理. 引理2.1设{ ,n 1)是一致有界随机变量序列.假定存在常数C>0,E>0,和一 满足lim C =。o,Cn+1/c =o(1)的非降正数序列{c ),使得对k<?,有 E(xk )I (1Og+log+( )) H。 令 ‰ 其中d ,D 如定理2.1所定义.那么 lim =0 a.S 下一引理是Dudley(1989)的定理11.3.3. 引理2.2设 , ,n=1,2,…,是B上的有限博雷尔测度序列.则 当礼一∞时, , No.4 陈守全等:随机变量序列函数的几乎处处中心极限定理 749 当且仅当存在一可数集M c B (B)(依赖于 ),使得对任意g∈M lim/g(x)dp ( )=/g(x)dtt(x). 定理2.1的证明充分性 定义Xk=9( )一Eg(Yk),k 1.设K 1是一满足 9( ) K,Ig(x)一g(y)l Kd(x, ), ,Y∈B的常数.因此应用(2.1)式,我们有,对k<l fE(X% f)l=lE(9( )一Eg(Yk))(g(Yz)一Eg(Y1))l 1E(g(Yk)一Eg(Yk))(g(Yz)一9(Yk,2))1+1E(g(Yk)一Eg(Yk))(g(Yk,f)一E9( ))l 2KE](g(Yz)一g(Yk,c))l+lCov(g(Yk),9( ,z))l 2KE(min(Kd(Y ̄,l, ),2K))+lCov(g(Y ̄),9( ,z))I (4K2+I) (1og+log+( )) H . 根据引理2.1,我们得到,当n一∞时 d( )c 一 k=l d( n )c , __+。a.s.' k=l Dn∑ (夕( )一E9( )) 1∑k=l 假设 固定,9∈M.因为当n一∞时, 1 n__÷00时 dkltY ̄ ,根据引理2.2,我们有,当 )d( 嘶 )( )一 夕( 斛kl 因此我们得到,对所有g∈M,当n一∞时 )d( 必要性 设 = 1 k l )( )一/B ) 因为集M是可数的,根据引理2.2,我们得到(2.2)式. dk1..ty ̄:, , = 1=1 芝dk5yk( ).设 为一 一连续集,即是说 =1 (a )=0.因为 / , (A)dP(w)= ( ), n (2.2)式意味着 lim ( )= ( )a.S., (2.4) 关于(2.4)式取期望,并应用控制收敛定理,得到 li ar(A) (A)·故(2·3)式成立· I o。 注记2.1根据定理2.1与Berkes和Cs ̄ki(2001,p.117)定理4的证明可知,如果 var( n咖( )) c(1ogDn ), (2_5) 750 数学物理学报 、,o1.28A 代番(2.1)式.定理2.1 1J,然成立. 设{Xn,n 1)是一随机变量序列,满足:对每一n≥1,有E <。。.记Sn: X , 2=E Skl=Sz—Sk(k<2).定义一随机函数fk=A(x 一,Xk)满足 ( 1,…,Xk)=。 +brk(X1,…, ), 其中a,b∈R,a≠0,sup EIr l<∞,r =D( ). (2.6) 定理2.2设{X ,n 1}是一数学期望为零的随机变量序列, fk(X1,…,Xk)为一满 足(2.6)式的随机函数.假定对任意函数g∈BL(R),有 var(志 (凳)) loglogn )· 如果当佗一∞时, N(O,1),那么 (2.7) (2.8) (2·9) 志 { ) 面1 x- ̄ 1 _s_· 证我们取 = / , ,l=(Sl一 )/ ( <2),Ck= ,dk=1/ .根据注记2.1,有 s ) 西(z-)a-s·, 根据Lacey和Philipp(1990),(2.8)式等价于下列表述,对任意函数9∈BL(R) liar 由(2.6)式,我们有 夕(鱼)= aak㈤a.s., (2_10) 鱼: + 因此 I9( ) )I<11911B 1. 在假定r =D(盯 )下,我们得到 (2_11) 志 BL 结合(2.9),(2.10),(2.11)与(2.12)式,我们得到(2.8)式. · I 3应用 本小节主要把定理2.1,定理2.2应用到某些特殊随机变量序列. 定理3.1设{墨 ,n 1)是一非平稳高斯随机变量序列,具有零均值和单位方差,且协 方差矩阵rij=Cov(X ̄, )使得 =sup}rijf<1,rij ̄og(j—i) C/(1oglog(j— ))一(1-Fe).设 t≠J No.4 陈守全等:随机变量序列函数的几乎处处中心极限定理 刀 么 751 {uni}是使得∑(1- ( {))有界的实数序列,对某一常数c>0, =min.“ i c(1ogn)m/ 1 』 0 如果 n P(n(五 札 ))=G( ), 1 鉴{ ), ,f 注记2.1,只需证明下式就足够了. l∑ 一^ 一 X 证我们取 f(xd,c , =1/ 一为了证明定理,根据 var(志 ( )) log log n ) 上述不等式的证明类似于Chen和Lin(2006)的引理2.1和引理2.4.定理证毕. I 注记3.1如果乱 t=,“ ,则定理3.1的条件可换为下列条件:n(1一西(“ ))是有界的, = 且对充分大的n和J—i>n ,有 G Z g( 其中0<od<1. ) , 设{ ,n 1)是一定义在概率空间(Q, ,P)上的实值随机变量序列.记 表示由 。, +1,…,托生成的 一域. 如果随机变量序列{ ,n 1)满足:当礼一O0时 Q(礼):=sup sup lP(AB)一P(4)尸(B)I— 0, =∑ , 那么称{ ,n 1}为一Ol一混合随机变量序列.如果随机变量序列{Xn,n 1)满足:当 n__+。。时 (n):=sup E[sup{IP(AI )一P( )l:A∈ 七>1 )]— 0 那么称{Xn,n 1}为一 一混合随机变量序列.如果随机变量序列{X ,n 1)对任意 n 2满足 Cov(f(X1,…,xn),h(X1,…, )) 0 其中按坐标非降的函数f,h:R“一R使得协方差存在.则称序列{ ,几 1)是相伴随机 变量序列.如果随机变量序列{ ,n 1)对{1,2,…,n)的任意不相交非空子集,和 ,满 足 Co ̄(f(xi,i∈ ),夕( ,J∈ )) 0 其中按坐标非降的函数.厂:R 一R和g:RJ—R使得协方差存在.则称序列{ ,n 1) 是负相伴随机变量序列. 752 数学物理学报 V_01.28A 下列引理是Bosq(1998)的定理1.5. 引理3.1设{ ,n 1}是一中心化的实值平稳OL一混合随机变量序列,且对某一 r>2,有 supEIXkl <。。 l 和 则序列∑Cov(X0,Xk)绝对收敛到某一非负和 ,且 当他_-÷∞时, nVaru_ __+ . ∞∑ r>2和常数 >0,有 < 一 定理3.2假设{ ,礼 1)是一中心化的实值平稳 一混合随机变量序列,且对某一 ElXnl <。。 ( ) ak— , 和 ∞ 其中n是一正常数, >r/(r一2),那么对 =∑Cov(X0,Xk)>0,我们有 去 { ) Shao(1995)的引理1,我们得到对任意g∈BL(R) -s.· (3 ) no- .利用Peligrad与 证根据引理3.1和定理的条件,我们有0<盯 <∞和E var(志 夕( )) (1oglogn ). 因此由Bosq(1998)的定理1.7和定理2.2,我们得到(3.1)式. I 设{ ,n之1)是一均值为零方差有限的实值随机变量序列.定义部分和过程{ )为 Wn(t)=s…/仃 ,t∈【0,1】, 其中盯 2=E , 表示 的整数部分. 下列引理的证明可参见Peligrad与Shao(1995)的引理2. 引理3.2设f(x)是一可测函数且有Radon—Nikodyn导数 ( ),1h(z)I K.设{Xn,n 1)是一相伴(或者负相伴)随机变量序列,EXn=0,EX2<O0. ̄JlVz_, lc c c 负相伴)随机变量序列,那么 ICov( 引理3.2也可由Louhichi(2002)的下列不等式得到:如果{ ,n 1)是一相伴(或者 fc。V( ( ( l 0∈A?∈ l Oh 筹 c。V( , )1. No.4 陈守全等:随机变量序列函数的几乎处处中心极限定理 753 其中A和B是N的任意有限的不相交子集, h,后是任意具有一阶有界导数的实值函数.0的相伴随机变量序列.如果 定理3.3设{Xn,n 1}是一使得EXn 0,EX2<O对某一E>0, (1)<O0, (礼)=O((1og log n)一( + )), 对任一…, 0-2 一o 一2 inf n>1 n >0. 鲁 ≥1 J:lj-kI , …a.s Xj,xk).那么,在D[0,1】上 这里u(n) =sup ∑ Cov(log n 其中 是标准维纳过程. 证取 = , ,2= ,c =k,dk=1/k.根据注记2.1,我们只需证明(2.5)式即 可.注意到,对任意g∈BL(R) ar(夕(凳 +2 E V(9(凳),9( )) Var(耋丢g( )) 去v=1 ov(9( (鲁)) 2k<—l— :L1+L2+L3. 因为g∈BL(R),运用定理的条件,我们有 k=1 去< , (3.2) L根据引理3.2,我们有 2 ∑2k1∑∑两 Clogn (3.3) ) s 2∑ I c。V(9(凳),9(鲁)-g( )£ 1< <!<n sI—s2k 2k<f +2∑ I ) c0V(9(妾),夕( )1< (1<n St—S2k Z 2k<l E 两1 E I&kl+c E 两i lCov( , ) 754 数学物理学报 VlO1.28A (E等) ∑ 1了k)1/2+ ∑ + l=1 k =l kt/2 ̄1 亭 即 L3 Clogn+C(1ogn)(1oglogn)一( + . (3.4) 结合(3.2),(3.3)和(3.4)式,我们证明了(2.5)式.由Birkel(1988)的推论1,我们得到,在 D[0,1】上Wn(t) .因此由注记2.1,得到 志喜 … 注记3.2作为推论,我们有 1  ̄ 1 )= ( )a.s 定理3.4设{ki,i 1)为一满足‰一∞(当i一。。时)的正整数序列,且设,对每一 i 1,{ J,i 1,l J≤ki)是一相伴(或者负相伴)的中心化随机变量序列.假定 (1)对某E>0,sup ∑ Cov(Xik,Xij)=o((1og logn)一( + ); t, 1 J:Ik-it>n (2)对 ,J 1,{ 弓)一致可积; (3)对所有k 1和某一常数 。>0, EX5+∑Cov(Xij, k)一 (当i一。。时) :,≠ 那么 志觏孥≤ ) ·s 证定理的证明类似于定理3.3,其中用到引理3.2和Yuan等人(2003)的定理. 设{X ,n 1)是一平稳序列,h(x1,…, )为一对称核函数,定义 一统计量为 丽1 h( , ) 如果EIh(X,,…, )l<∞,定义0=Eh(X1,…, ).对每一c(1 c m),记 ( l,‘·‘, c)=E(h(X1,···, )Ix1=Xl,…,X =X。) No.4 陈守全等:随机变量序列函数的几乎处处中心极限定理 其 中 当 755 假定对某一r>2 -/…/ …, 是 非 负 1)_..dF( <∞, (3.5) 对所有整数il,i2,…,i (il<i2<…<i ) 的 Yr=EIh(Xi 一, t )I Mo<oo, = (3.6) 其中 是某一绝对常数. 否 = 设礼一[。】={n(n~1)…(n—c+1))一 礼 1(il<…<tc n ∑ 厂…h。( 、璺, 0 基l>ll 】则 m 0 删 Ⅱ d U 有 下 列 引理3.3假设{xn,n 1)是一平稳 一混合随机变量序列.如果存在一个正数 使 得对r=2+ ,(3.5)和(3.6)式成立,且对某 (0< < ), (礼)=O(n一(。+ ,)/ ).则我们有 一E( ’) =o(n--1- )(2 c m), 一其中7= 2(a-丽a')>0 分 解 引理的证明可在Yoshihara(1976)中找到. 如果引理3.3的条件成 定理3.5假设< ,n 1)是一平稳 一混合随机变量序列. 立,那么级数 ∞ Et 12(X1)+2∑Ehl(X1)hi(Xk+1) (3.8) 1 绝对收敛;如果 >0,那么 志 圹 ,a.s 证根据Yoshihara(1976)的定理l,级数(3.8)绝对收敛.如果 >0,则由Hoeffding 分解(3.7),我们有 注意到如果序列{ )是 一混合的,那么{ )和{.厂(五 ))都是 混合的,后者的 混合系数不大于9(n)(参看:例如林正炎与陆传荣(1996)),其中,是任意可测函数.根据注 记2.1和Peligrad与Shao(1995)的引理1,{ )满足 1 x- ̄ 1 { ≤ )=西( )a-s 756 数学物理学报 VlO1.28A 运用引理3.3,E( 知对任意E>0 ) =o(礼一 )(2 c m)其中7= >0.由马尔可夫不等式, P( n1/2 ) > E) 盯m 2:。(n一 ) 。(2 。 m) 因此,我们有=2 曼mC =。 ( ).根据定理2.2,我们证明了结论. 参考文献 [1]Berkes I,Csdki E.A universal result in almost sure central limit theory.Stoch Proc Appl,2001,94: 105-134 [2]Berkes I,Dehling H.Some limit theorems in log density.Ann Probab,1993,21:1640 1670 [3]Birkel T.The invariance principle for associated processes.Stoch Proc Appl,1988,27:57 71 [4]Bosq D.Nonparametric Statistics for Stochastic Processes.Lecture Notes in Statistics.New York: Springer—Verlag,1998 [5]Brosamler G A.An almost everywhere central limit theorem.Math Proc Camb Phil Soc,1988,104: 561 574 【66] Chen S Q,Lin Z Y.Almost sure max—limits orf nonstationary Gaussian sequence.Statist Probab Lett, 2006,76(11):1175—1184 【7]Dudley R M.Real Analysis and Probability.Paciifc Grove CA:Wadsworth&Brooks/Cole,1989 【8]Lacey M T,Philipp W.A note on the almost sure central limit theorem.Statist Probab Lett,1990,9: 201-205 [9】Lehmann E L.Some concepts of dependence.Ann Math Statist,1966,37:1137 1153 [10]Lin Z Y,Lu c R.Limit Theory for Dependent Mixing Randon Variables.New York-Beijing:Science Press,Dordrecht—Boston—London:Kluwer Pub,1996 [11]Louhichi S.Moment inequalities orf sums of certain dependent random variables.Theory Probab Appl, 2002,47(4):649 664 [12]Peligrad M,Shao Q M.A note on the almost sure central limit theorem for weakly dependent random variables.Statist Probab Lett,1995,22:131 136 『131 Schatte P.On strong versions of the centrallimit theorem.Math Nachr,1988,137:249-256 [14]Yoshihara K.Limiting behavior of U—statistics for stationary,absolutely regular processes.Z Wahrsch Verw Gebiete,1976,35:237—252 [15]Yuan M,su c,Hu T z.A central limit theorem for random fields of negatively associated processes.J Theoret Probab,2003,16(2):309 323 Almost Sure Central Limit Theorems for n】nctions of Random riables Chen Shouquan (School of Mathematics and Statistics,Southwest University,Chongqing 400715) Lin Zhengyan (Department of Mathematics,Zhejiang University,Hangzhou 310028) Abstract:The authors prove a general almost sure central limit theorem for a sequence of random elements,and apply the result to the functionals of random variables. Key words:Almost sure central limit theorem;Random function;Stationary strongly mixing sequence;U—statistic. MR(2000)Subject Classiifcation:60F05;60F15