定义1 称随机变量序列$\{{{\eta }_{i}};i\ge 1\}~$为$\phi$-混合序列, 如果当$n\rightarrow\infty$时, 有
其中${\cal{F}}^t_s$表示由$\{\eta_i, ~s\leq i\leq t\}$生成的$\sigma$ -域, 且称$\phi(n)$为$\phi$ -混合系数.
1959年, Ibragimov[1]首次提出了$\phi$ -混合条件, 同时Cogburn[2]进行了相关研究, 发现$\phi$ -混合的概念可作为弱相关的衡量尺度应用于时间序列的研究中. Bradley[3]给出了一个较好的$\phi$ -混合条件以及其它常用混合条件的综述.由于$\phi$ -混合序列应用广泛, Utev[4], Chen[5], Herrndorf[6], Peligrad[7], Sen[8, 9], Shao[10]和Wang[11]等都对$\phi$ -混合随机变量序列的极限理论进行了深入研究.
1964年, Nadaraya[12]首先提出了分位数的核估计. Yamato[13], Parzen[14]和Ralescu[15]等对分位数核估计进行了深入研究, 但他们研究的都是独立情形.
本文研究$\phi$ -混合样本下总体的有限个分位数核估计的联合渐近分布, 主要结果在第二部分, 一些相关引理及其证明在第三部分, 主要结果的证明在第四部分.
设$X_1, X_2, \cdots, X_n$是一列$\phi$ -混合随机变量, 混合系数为$\phi$且该样本对应的总体的分布函数为$F$.分布函数$F(x)$在$x\in{R}$的光滑核估计为$\hat{F}_n(x)=\frac{1}{n}\sum\limits_{j=1}^nK(\frac{x-X_j}{h_n}), $其中$K$为核函数, $h=h_n$为窗宽.
样本分位数$\xi_\gamma=F^{-1}(\gamma)=\inf\{x\in{R}:F(x)\geq{\gamma}\} (0<\gamma<1)$的光滑核估计为
设$p\leq n, q\leq n$为正整数序列, $k=[n/(p+q)]$ (此处[]表示取整).为了获得有限个分位数$\xi_{\gamma_i}(1\leq{i}\leq{k})$的核估计的联合渐近分布, 需要以下假设条件:
(A1) (i) $X_1, X_2, \cdots, X_n$是强平稳的随机变量序列, 该样本对应的总体的分布函数为$F$, 密度函数$f$有界.
(ii) $\{X_i, i\geq1\}$是$\phi$ -混合的且$\sum\limits_{n=1}^{\infty}\phi^{1/2}(n)<\infty$.
(iii) 设$f_{1, j}$为随机变量$X_1, X_{j+1}$的联合分布函数, 则对任意$u, v\in R$都有
(iv) $F^{\prime\prime}(x)$是有界的且$f(\xi_\gamma)>0(0<\gamma<1)$.
(A2) 核函数$K$是有界的且$\int_RudK(u)=0, \int_Ru^2dK(u)<\infty.$
(A3) 窗宽序列$h=h_n ( n\geq1 )$满足$0<h\rightarrow0, nh\rightarrow\infty $且$nh^4\rightarrow0$.
(A4) $p, q$和$k$满足
(i)$pk/n\to 1$; (ii) $ph\to \infty$; (iii) $q\to \infty$且$k\to \infty$; (iv) $k\phi(q)\to 0$.
注1 假设条件和下文中的所有极限都是在$n\to \infty$的条件下取得的.
注2 由$pk/n\to 1$可推出$qk/n\to 0$和$q/p\to 0$.由$0\leq n-k(p+q)\leq p+q$和$q/p\to 0$可推出$0\leq n-k(p+q)\leq Cp$.下文将会用到这些结论, 不再特别说明.
定理2.1 设$\{X_n, n\geq1\}$是$\phi$ -混合随机样本序列且满足条件(A1)--(A4), $ 0< \gamma_1<\gamma_2<\cdots<\gamma_k<1$.则当$n\to \infty$时, 有
其中$V=(\sigma_{(st)}) (s, t=1, 2, \cdots, k)$,
为了证明主要结果, 需要以下引理.在以下引理中用$C$表示一个不依赖于$n$的充分大的数, 在不同情况下可以取不同值.
引理3.1 假设$\{\eta_j: j\geq 1\}$是$\phi$ -混合序列, 混合系数为$\phi(n)$, ${\cal{F}}^t_s$表示由$\{\eta_i, s\leq i\leq t\}$ $(s\leq t)$序列生成的$\sigma$ -域.若$\{f_j(\cdot), j\geq 1\}$都为可测函数, $\{\xi_i(\cdot), i\geq 1\}$是${\cal{F}}^{j_1}_{i_1}, \cdots, {\cal{F}}^{j_n}_{i_n}, \cdots$可测的, 分别满足$1\leq i_1<j_1<i_2\cdots<j_n<\cdots$, 则$\{f_j(\eta_j): j\geq 1\}$是$\phi$ -混合序列, 且混合系数满足$\phi_1(n)\leq \phi(n)$, $\{\xi_j: j\geq 1\}$也是一个$\phi$ -混合序列, 其混合系数满足$\phi_2(n)\leq \phi(n)$.
证 通过$\phi$ -混合随机变量序列的定义可直接证明.
引理3.2 [11] 假设$\{\eta_j: j\geq 1\}$是$\phi$ -混合序列, 其混合系数为$\phi(n)$, ${\cal{F}}^t_s$表示由$\{\eta_i, s\leq i\leq t\}$ $(s\leq t)$序列生成的$\sigma$ -域.如果$\xi_1 \in {\cal{F}}^k_1$, $\xi_2 \in {\cal{F}}^{\infty}_{k+n}$且$k\geq 1$, $E|\xi_1|^{p_1}<\infty$, $E|\xi_2|^{p_2}<\infty$, 其中$p_1$和$q_1$满足$p_1>1, q_1>1, 1/p_1+1/q_1=1$.则
证见文献Wang[11]的引理1.2.
引理3.3[11] 假定$\{\eta_j: j\geq 1\}$是$\phi$ -混合序列, 混合系数为$\phi(n)$, 且$\sum^{\infty}\limits_{n=1}\phi^{1/2}(n)<\infty$, $E\eta_j=0 (j\geq 1)$.假设$E|\eta_j|^{r_0}<\infty$ $(r_0\geq 2, j\geq 1)$.则对于任意$n\geq 1$且$a\geq 0$, 有以下式子成立:
证 不等式(3.1) 来自于Wang[11]的定理2.1.
由$\max\limits_{1\leq j\leq n}|\sum\limits^{a+j}_{i=a+1}\eta_i|^{r_0}\geq {|\sum\limits^{a+n}_{i=a+1}\eta_i|^{r_0}}, \max\limits_{1\leq i\leq n}|\eta_{a+i}|^{r_0}\leq{\sum\limits^{a+n}_{i=a+1}|\eta_i|^{r_0}}$, 不等式(3.1) 和Wang[11]的引理1.3知不等式(3.2) 成立.
引理3.4[17] 设$\{\eta_i, i\geq 1\}$是$\phi$ -混合序列, ${\cal{F}}^t_s$表示由$\{\eta_i, s\leq i\leq t\}$ $(s\leq t)$生成的$\sigma$ -域.如果$\{\xi_i, 1\leq i\leq n\}$为${\cal{F}}^{j_1}_{i_1}, \cdots, {\cal{F}}^{j_n}_{i_n}$可测的, 且分别满足$1\leq i_1<j_1<i_2\cdots<j_n, i_{l+1}-j_l\geq m$和$|\xi_l|\leq 1$ $(l=1, \cdots, n)$.则
证 这结论在$\alpha$ -混合的情形下是成立的, 参见$\mathrm{Volkonkii}$和 Rozanov[17]的引理1.1, 易证此结论在$\phi$ -混合条件下也成立.
引理3.5 设$\{X_n, n\geq1\}$是$\phi$ -混合随机样本序列且满足条件(A1)--(A4), $0<\gamma_1<\gamma_2<\cdots<\gamma_k<1$, $y_i\in R, x_{ni}=\xi_{\gamma_i}+\frac{\sigma(\xi_{\gamma_i})y_i}{f(\xi_{\gamma_i})\sqrt{n}} (i=1, 2, \cdots, k)$.则当$n\to \infty$时, 有
证为了证明引理3.5, 只需证明当$k=2$时成立; 当$k>2$时同理可证.下证
其中$V=(\sigma_{(st)}) (s, t=1, 2)$,
为证式(3.4), 只需证$\forall a=(a_1, a_2)'\in R^{2}$都有
令
其中$Z_{i1}\triangleq K(\frac{x_{n1}-X_i}{h})-EK(\frac{x_{n1}-X_i}{h}), Z_{i2}\triangleq K(\frac{x_{n2}-X_i}{h})-EK(\frac{x_{n2}-X_i}{h})$.
再将$S_n$进行分块, 令
其中$r_m=(m-1)(p+q)+1, l_m=(m-1)(p+q)+p+1 (m=1, 2, \cdots, k).$
要证式(3.5) 成立, 只需证
和
同时成立.先证
由假设条件(A1)(i)知
由$0<\gamma_1<\gamma_2<1$和假设条件(A1)(iv)知$\xi_{\gamma_1}<\xi_{\gamma_2}$.又因
故当$n$充分大时, 有$x_{n1}<x_{n2}$.由假设条件(A1)(i), (A2), (A3), (A4)(i)和文献$\mathrm{Cai}$和Roussas[18]中引理3.1知
由(A4)(i)(ii), 引理3.2和$\mathrm{Cai}$和Roussas[18]引理3.3中式(3.6) 和(3.7) 知
且$\frac{k}{n}\sum\limits_{j=1}^{p-1}j\mathrm{Cov}(a_1Z_{11}+a_2Z_{12}, a_1Z_{j+1, 1}+a_2Z_{j+1, 2})\longrightarrow 0$.故
由假设条件(A1)(i), (A4)(i)和引理3.2知
由以上两式知(3.9) 式成立.
当$i\neq j$时, 由假设条件(A1)(iii)知
同理可证
且
由以上两式知
则式(3.7) 成立.
由引理3.3知
则式(3.8) 成立.
由(A4)(iv)和引理3.4知
故$\{e_{nm}\}$是渐近独立的.设$\{E_{nm};m=1, 2, \cdots, k\}$是独立随机变量序列, 其中$E_{nm}$的分布函数和$e_{nm}$的分布函数相同$(m=1, 2, \cdots, k)$.为证式(3.6) 成立, 只需证下式成立
又设$s_n^2=k\mathrm{Var}E_{n1}$和$F_{nm}=E_{nm}/s_n$, $1\leq m\leq k$由式(3.9) 的证明过程知$s_n^2\rightarrow a^\prime Va$.故式(3.14) 等价于
由假设条件(A1)(i)和(A2) 知
同理可得
由引理3.3和以上两式知
其中用到了$ph\rightarrow \infty$, $s_n^2\rightarrow a^\prime Va$, $kp/n\leq 1$和$k\rightarrow \infty$.由$\mathrm{Lyapunov}$中心极限定理知式(3.15) 成立, 故式(3.6) 成立.
由式(3.6), (3.7), (3.8) 和Cramer-Wold定理知式(3.5) 成立.
为证明定理2.1, 只需证明当$k=2$时成立; 当$k>2$时同理可证.
令$\sigma(\xi_{\gamma_i})=\sigma(ii) (i=1, 2)$, $x_{n1}=\xi_{\gamma_1}+\frac{\sigma(\xi_{\gamma_1})y_1}{f(\xi_{\gamma_1})\sqrt{n}}, x_{n2}=\xi_{\gamma_2}+\frac{\sigma(\xi_{\gamma_2})y_2}{f(\xi_{\gamma_2})\sqrt{n}}$.易知
再将$F(x_{nj}-hu)$在$\xi_{\gamma j}$处$\mathrm{Taylor}$展开得
其中$u^*$满足$|u^*-\xi_{\gamma_j}|\leq |\sigma(\xi_{\gamma_j})y_j/f(\xi_{\gamma_j})\sqrt{n}-hu|$.由以上两式及假设条件知
易知
又令$H_n(y_1, y_2)=P\big(\frac{\sqrt{n}f(\xi_{\gamma_1})(\hat{\xi}_{\gamma_1n}-\xi_{\gamma_1})}{\sigma(\xi_{\gamma_1})}\leq y_1, \frac{\sqrt{n}f(\xi_{\gamma_2})(\hat{\xi}_{\gamma_2n}-\xi_{\gamma_2})}{\sigma(\xi_{\gamma_2})}\leq y_2\big)$.故
设二元正态分布$(X_1, X_2)^\prime\sim N(0, V)$, 故
其中$\hat{V}=(\hat{\sigma}_{(st)}) (s, t=1, 2)$, $\hat{\sigma}_{st}=\hat{\sigma}_{ts}=\sigma_{st}/\sqrt{\sigma_{ss}\sigma_{tt}} (1\leq s\leq t\leq2)$, $(Y_1, Y_2)^\prime$的分布函数为$F(y_1, y_2)=P(Y_1\leq y_1, Y_2\leq y_2)$.
由引理3.5知
而由假设条件(A3) 知$O(\frac{y_j^2}{\sqrt{n}}+\sqrt{nh^4})\longrightarrow 0 (j=1, 2)$.
综上可得$H_n(y_1, y_2)-F(y_1, y_2)\longrightarrow 0$, 故定理2.1成立.