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Successioni di eventi
SUCCESSIONI DI EVENTI E. DI NARDO 1. Successioni di eventi Definizione 1.1. Una succesione di eventi si dice crescente se risulta A1 ⊆ A2 ⊆ · · · ⊆ An ⊆ · · · . In tal caso si ha limn−→∞ An = ∪∞ i=1 An . Definizione 1.2. Una succesione di eventi si dice decrescente se risulta A1 ⊇ A2 ⊇ · · · ⊇ An ⊇ · · · . In tal caso si ha limn−→∞ An = ∩∞ i=1 An . Definizione 1.3. Una succesione di eventi che sia decrescente o crescente si dice monotona. Definizione 1.4. Per una succesione di eventi non monotona, si definisce limite inferiore il seguente evento: lim inf An = limn−→∞ ∩∞ k=n Ak . La successione {Bn } = ∩∞ k=n Ak è monotona crescente poiché Bn = An ∩ Bn+1 , pertanto ammette limite, da cui ∞ lim inf An = ∪∞ n=1 ∩k=n Ak . Definizione 1.5. Per una succesione di eventi non monotona, si definisce limite superiore il seguente evento: lim sup An = limn−→∞ ∪∞ k=n Ak . La successione {Bn } = ∪∞ k=n Ak è monotona decrescente poiché Bn = An ∪Bn+1 , pertanto ammette limite, da cui ∞ lim sup An = ∩∞ n=1 ∪k=n Ak . Risulta lim inf An ⊆ lim sup An . Infatti se ω ∈ lim inf An allora esiste un intero ν ≥ 1 tale che ω ∈ Ak per k ≥ ν. Pertanto nella successione A1 , A2 , . . . , Aν , Aν+1 , . . . a partire dal posto ν risulta ω ∈ Ak per k ≥ ν. Ogni unione di eventi Ai in successione contiene ω in quanto o contiene Aν o un evento successivo ad esso. Pertanto ω ∈ ∪∞ k=n Ak per ogni n. Quando lim inf An = lim sup An si dice che la successione ammette limite: lim inf An = lim An = lim sup An . n−→∞ 2. Teorema di equivalenza Teorema 2.1. Teorema di equivalenza Una misura di probabilità P che verifica gli assiomi i) e ii) della definizione 3.3 del capitolo precedente, verifica la proprietà di additività numerabile se e solo se verifica la proprietà di additività finita e quella di continuità. Ad integrazione della Lezione 2 - Calcolo delle Probabilità e Statistica Matematica II. 1 2 E. DI NARDO Per proprietà di continuità si intende la seguente proprietà: sia {An } una successione di eventi di F dotata di limite A, risulta limn−→∞ P (An ) = P (A). Proof. La proposizione 3.3 del capitolo precedente asserisce che dalla additività numerabile segue l’additività finita. Mostriamo ora che dalla additività numerabile segue anche la proprietà di continuità. Supponiamo che la successione {An } sia dotata di limite A e supponiamo che la successione sia crescente, decrescente, non monotona. i) decrescente Mostriamo in primo luogo che per una successione decrescente di eventi {Bn }, il cui limite è l’insieme vuoto, si ha limn−→∞ P (Bn ) = 0. Risulta c Bn = ∪∞ k=n (Bk ∩ Bk+1 ). Difatti scelto ω ∈ Bn poiché Bn decresce a ∅, esiste un k ≥ n tale che ω ∈ Bk ma c ω 6∈ Bk+1 . Viceversa se ω ∈ ∪∞ k=n (Bk ∩ Bk+1 ) allora ω ∈ Bk per qualche k ≥ n e quindi ω ∈ Bn ⊇ Bk . Per n = 1 segue che (2.1) ∞ X c c P (B1 ) = P ∪∞ (B ∩ B ) = P (Bk ∩ Bk+1 )<∞ k k=1 k+1 k=1 da cui segue che lim P (Bn ) = lim n−→∞ ∞ X n−→∞ c P (Bk ∩ Bk+1 )=0 k=n trattandosi del resto della serie (2.1) convergente. Consideriamo ora la successione {An } decrescente ad A. Si osservi che An = (An ∩ A) ∪ (An ∩ Ac ) = A ∪ (An ∩ Ac ) poiché An ⊃ A. Essendo Bn = An ∩ Ac una successione decrescente all’insieme vuoto e A ∩ Bn = ∅ segue che P (An ) = P (A) + P (Bn ) da cui l’asserto essendo limn−→∞ P (Bn ) = 0. ii) crescente Se la successione {An } è crescente, allora lim An = A = ∪∞ i=1 Ai n−→∞ da cui segue che c lim Acn = Ac = ∩∞ i=1 Ai , n−→∞ dove ora la successione {Acn } è decrescente. Applicando il risultato del punto precedente si ha limn−→∞ P (Acn ) = P (Ac ) e quindi lim P (An ) = 1 − lim P (Acn ) = 1 − P (Ac ) = P (A). n−→∞ n−→∞ iii) non monotona Se la successione {An } è dotata di limite, si ha lim inf An = lim sup An = lim An n−→∞ ossia ∞ lim ∩∞ k=n Ak = lim ∪k=n Ak = A. n−→∞ n−→∞ SUCCESSIONI DI EVENTI 3 ∞ Poichè {∩∞ k=n Ak } e {∪k=n Ak } sono successioni monotone, vale la proprietà di continuità, ossia ∞ lim P (∩∞ k=n Ak ) = lim P (∪k=n Ak ) = P (A). n−→∞ n−→∞ Poiché ∞ {∩∞ k=n Ak } ⊆ An ⊆ {∪k=n Ak }, dalla proposizione 3.5 del capitolo precente, segue che ∞ P ({∩∞ k=n Ak }) ≤ P (An ) ≤ P ({∪k=n Ak }), da cui l’asserto passando al limite. Dimostriamo ora l’implicazione inversa del teorema, ossia che la misura di probabilità P verifica l’ipotesi di additività numerabile nell’ipotesi verifichi la proprietà di additività finita e di continuità. Sia {An } una successione di eventi incompatibili. Si ha k ∞ ∪∞ n=1 An = ∪n=1 Ak ∪ ∪n=k+1 Ak da cui, facendo uso della additività finita, segue k X k ∞ P (∪∞ P (Ak ) + P ∪∞ n=1 An ) = P ∪n=1 Ak + P ∪n=k+1 Ak = n=k+1 Ak . n=1 La successione ∪∞ è decrescente, quindi per la proprietà di continuità si ha n=k+1 A k limn−→∞ P ∪∞ A = 0, da cui l’asserto. n=k+1 k Teorema 2.2.P Lemma di Borel Cantelli Sia A1 , A2 , . . . una successione di ∞ eventi tale che k=1 P (Ak ) < ∞. Vale che P (lim sup An ) = 0. n→∞ Proof. Si ha P (lim sup An ) = P n→∞ lim ∪∞ A = lim P (∪∞ n k=n k=n An ) n→∞ n→∞ dove l’ultima uguaglianza segue dalla proprietà di continuità della probabilità. Applicando la disuguaglianza di Boole segue che ∞ X lim P (∪∞ A ) ≤ lim P (An ) . k=n n n→∞ n→∞ k=n P∞ Poiché la serie k=1 P k ) converge per ipotesi, segue che il suo resto n−esimo va P(A ∞ a zero, ossia limn→∞ k=n P (An ) = 0 da cui P (lim sup An ) ≤ 0 n→∞ e l’asserto segue dalla non-negatività della misura di probabilità.