设$(X_n, {\cal F}_n, n\geq0)$是定义在$(\Omega, {\cal F}, P)$上的一可积随机适应序列, 即${\cal F}_n$是一非降$\sigma$域$({\cal F}_n\subset{\cal F}_{n+1})$, $X_n$可积的且是${\cal F}_n$可测的.
下面给出万成高在整个空间上的的收敛定理, 参见文献[1].
定理A 设$(X_n, {\cal F}_n, n\geq0)$是任意可积随机适应序列, $(a_n, n\geq0)$是非降的正常数列, 若下列条件成立:
则有
类似定理A我们给出一个集合上的强收敛定理.
定理B 设$(X_n, {\cal F}_n, n\geq0)$是任意可积随机适应序列, $(a_n, n\geq0)$是非降的正常数列.
设
定理A在条件(1) 下成立, 定理B在条件(2) 下成立.定理B更优, 因为它推广了Chow的鞅差序列的强大数定理.本文是利用文献[2]的方法给出定理B的证明.
定理B的证明 设$n\geq0$, $X_n^*={X_nI_{(|X_n|\leq a_n)}}$.记$Z_n={\frac{|X_n|^p}{a_n^p+a_n|X_n|^{p-1}}}$, 设$k$为正整数,
当(5) 式的右边集为空集时, 令$\tau_k=\infty $, 这样$\sum\limits_{m=1}^{{\tau_k}\Lambda{n}}{Z_m}=\sum\limits_{m=1}^{n}{I_{(\tau_k\geq m)}Z_m} $.由于$I_{(\tau_k\geq m)}$是${\cal F}_{m-1}$可测的, 由$Z_n$的非负性, $\forall {n}$, 有
由于$A_k=\{\tau_k=\infty\}$, 于是由(6) 式, $\forall{n}$有
因此可得
由于当$|X_n|>a_n$时, $\frac{1}{Z_n}=(\frac{a_n}{|X_n|})^{p}+\frac{a_n}{|X_n|}\leq{2}\quad(1\leq{p}\leq{2}), $于是有
于是由Borel-Cantelli引理知$P(A_k(X_n\neq{X_n^*})\, \, {\rm i.o.})=0$, 于是有
由于$A=\bigcup\limits_{k}{A_k}$, 所以有
设$\lambda=1, -1$且
由于$E[t_n|{\cal F}_{n-1}]=t_{n-1}$且$E|t_n(\lambda)|=Et_n(\lambda)=Et_1(\lambda)=1$, 故$\{t_n(\lambda), n\geq{1}\}$为非负鞅, 由Doob鞅收敛定理得
由不等式
注意到$|Y_n|\leq{2}$, 且$E[Y_n|{\cal F}_{n-1}]=0$ a.e.及
有
由于$|X_n|\leq{a_n}$时, $|X_n^*|\leq{a_n}$, 并且$f(x)=\frac{|x|^p}{a^p+a|x|^{p-1}}\, \, \, \, \, (a>0)$在$[0, +\infty)$是单调递增的, 有
由(16) 与(17) 式有
由(18) 与(2) 式是有$\sum\limits_{n=1}^{\infty}{(E[\exp(\lambda{Y_n})|{\cal F}_{n-1}]-1])} $在$A$ 中a.e. 收敛, 或等价地
由(12), (13) 和(19) 式有
因为上式对$\lambda=1, -1$成立, 所以有
当$|X_n|>a_n$时有
所以有
由(23) 和(2) 式有
由(10), (21) 及(24) 知(3) 式成立.
注 在定理B中令$P(A)=1$, 可得定理A.
推论1 设$(X_n, {\cal F}_n, n\geq0)$是鞅差序列, $\{a_n, n\geq{0}\}$是非降的正数列.设$A$由(2) 定义, 则有
证 注意到$E[X_n|{\cal F}_{n-1}]=0$, 于是从定理B可得本推论.
推论2(Chow, 参见文献[3, 第249页练习8] 设$(X_n, {\cal F}_n, n\geq0)$是鞅差序列, $\{a_n, n\geq{0}\}$是非降的正数列.设
证 令$A$如定理B定义, 因为$\frac{|X_n|^p}{a_n^p+a_n|X_n|^{p-1}}\leq\frac{|X_n|^p}{a_n^p}$, 则有$B\subseteq{A}$, 由推论1可得本推论.
推论3 $\{X_n, n\geq{1}\}$为独立的随机变量序列, $\{a_n, n\geq{1}\}$如前定义.如果
则$ \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{X_n -EX_n }}{{a_n }}} \quad \, {\rm a.e.}\mbox{收敛}. $
证 在定理B中取${\cal F}_n = \sigma \left({X_1, X_2, \cdots, X_n }\right)$, 由于$\{X_n, n\geq{1}\}$为独立的随机变量序列, 故有
及$ E\left[{X_n \left| {{\cal F}_{n-1} } \right.} \right] = EX_n \quad {\rm a.e.}. $由定理A可得本推论.
由推论3易证以下两推论.
推论4 (参见文献[4, p.387])设$\{X_n, n\geq{1}\}$为独立的随机变量序列, 且$EX_n=0$, 如果
则$ \sum\limits_{n = 1}^\infty {X_n } \, {\rm a.e.} \mbox{收敛}. $
推论5 (Kolmogorov, 参见文献[4, p.389])设$\{X_n, n\geq{1}\}$为独立的随机变量序列, $\{a_n, n\geq{1}\}$如前定义.如果
则$ \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{X_n -EX_n }}{{a_n }}} \, {\rm a.e.} \mbox{收敛}. $
显然推论3是推论5的推广, 这是因为当$p=2$时条件(28) 比条件(29) 弱.下面的例子证明了当$p=2$时(28) 比(29)“真弱”.
例1 设$\{X_n, n\geq{1}\}$为独立的随机变量序列,$X_n$的分布密度为
要证明
事实上, 由于$\displaystyle EX_n ^2 = \int_{1/n}^\infty {\frac{2}{{n^2 x}}} dx = + \infty, $所以$\displaystyle \sum\limits_{n = 1}^\infty {\frac{{EX_n ^2 }}{{n^2 }}} = + \infty, $又因为
由于
故
所以当$a_n=n, p=2$时, $\{X_n, n\geq{1}\}$满足(28) 式, 但不满足(29) 式.