Распределение выборки из двух независимых популяций Бернулли

Предположим, что у нас есть выборки двух независимых случайных величин Бернулли, $\mathrm{Ber}(\theta_1)$ и $\mathrm{Ber}(\theta_2)$ .

Как доказать, что

\frac{({\bar{X}}_{1} - {\bar{X}}_{2}) - (θ_{1} - θ_{2})}{\sqrt{\frac{θ_{1} (1 - θ_{1})}{n_{1}} + \frac{θ_{2} (1 - θ_{2})}{n_{2}}}} \overset{d}{\to} N (0, 1)

$\frac{(\bar X_1-\bar X_2)-(\theta_1-\theta_2)}{\sqrt{\frac{\theta_1(1-\theta_1)}{n_1}+\frac{\theta_2(1-\theta_2)}{n_2}}}\xrightarrow{d} \mathcal N(0,1)$ ?

Предположим, что $n_1\neq n_2$ .

distributions sampling bernoulli-distribution

— Старик в море.
источник

Z_i = X_1i - X_2i - последовательность iid rv конечного среднего и дисперсии. Следовательно, он удовлетворяет центральной предельной теореме Леви-Линдерберга, из которой следуют ваши результаты. Или вы просите доказательства самого клина?

— Три

@ThreeDiag Как вы применяете LL-версию CLT? Я не думаю, что это правильно. Напишите мне ответ, чтобы проверить детали.

— Старик в море.

Все детали уже есть. Чтобы применить LL, вам нужна последовательность iid rv с конечным средним и дисперсией. Переменная Z_i = X_i1 и X_i2 удовлетворяет всем трем требованиям. Независимость следует из независимости двух исходных переменных Бернулли, и вы можете видеть, что E (Z_i) и V (Z_i) конечны, применяя стандартные свойства E и V

— Three

«выборки двух независимых случайных величин Бернулли» - неверное выражение. Должно быть: «две независимые выборки из распределений Бернулли».

— Виктор

Пожалуйста, добавьте «как

».

n_{1}, n_{2} \to \infty

$n_1,n_2\to \infty$

— Виктор

Ответы:

Помещенный , $a=\frac{\sqrt{\theta_1(1-\theta_1)}}{\sqrt{n_1}}$ , , . Имеем . В терминах характеристических функций это означает, что $b=\frac{\sqrt{\theta_2(1-\theta_2)}}{\sqrt{n_2}}$ $A=(\bar{X}_1-\theta_1)/a$ $B=(\bar{X}_2-\theta_2)/b$ $A\to_d N(0,1),\ B\to_d N(0,1)$ Мы хотим доказать, что

ϕ_{A} (t) \equiv E e^{i t A} \to e^{- t^{2} / 2}, ϕ_{B} (t) \to e^{- t^{2} / 2} .

$\phi_A(t)\equiv {\bf E}e^{itA}\to e^{-t^2/2},\ \phi_B(t)\to e^{-t^2/2}.$

D := \frac{a}{\sqrt{a^{2} + b^{2}}} A - \frac{b}{\sqrt{a^{2} + b^{2}}} B \to_{d} N (0, 1)

$D:=\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}A-\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}B\to_d N(0,1)$

Так как и независимы, $A$ $B$ как мы желаем, чтобы это было.

ϕ_{D} (t) = ϕ_{A} (\frac{a}{\sqrt{a^{2} + b^{2}}} t) ϕ_{B} (- \frac{b}{\sqrt{a^{2} + b^{2}}} t) \to e^{- t^{2} / 2},

$\phi_D(t)=\phi_A\left(\frac{a}{\sqrt{a^2+b^2}}t\right)\phi_B\left(-\frac{b}{\sqrt{a^2+b^2}}t\right)\to e^{-t^2/2},$

Это доказательство неполно. Здесь нужны оценки равномерной сходимости характеристических функций. Однако в рассматриваемом случае мы можем сделать явные вычисления. Положим . $p=\theta_1,\ m=n_1$

\begin{aligned} ϕ_{X_{1, 1}} (t) & = 1 + p (e^{i t} - 1), \\ ϕ_{{\bar{X}}_{1}} (t) & = (1 + p (e^{i t / m} - 1))^{m}, \\ ϕ_{{\bar{X}}_{1} - θ_{1}} (t) & = (1 + p (e^{i t / m} - 1))^{m} e^{- i p t}, \\ ϕ_{A} (t) & = (1 + p (e^{i t / \sqrt{m p (1 - p)}} - 1))^{m} e^{- i p t \sqrt{m} / \sqrt{p (1 - p)}} \\ = {((1 + p (e^{i t / \sqrt{m p (1 - p)}} - 1)) e^{- i p t / \sqrt{m p (1 - p)}})}^{m} \\ = {(1 - \frac{t^{2}}{2 m} + O (t^{3} m^{- 3 / 2}))}^{m} \end{aligned}

$\begin{align} \phi_{X_{1,1}}(t) &= 1+p(e^{it}-1), \\ \phi_{\bar X_{1}}(t) &= (1+p(e^{it/m}-1))^m, \\ \phi_{\bar X_{1}-\theta_1}(t) &= (1+p(e^{it/m}-1))^m e^{-ipt}, \\ \phi_{A}(t) &= (1+p(e^{it/\sqrt{mp(1-p)}}-1))^m e^{-ipt\sqrt{m}/\sqrt{p(1-p)}} \\[5pt] &= \left( \left(1+p(e^{it/\sqrt{mp(1-p)}}-1)\right)e^{-ipt/\sqrt{mp(1-p)}}\right)^m \\[5pt] &=\left( 1-\frac{t^2}{2m}+O(t^3m^{-3/2}) \right)^m \end{align}$ as

t^{3} m^{- 3 / 2} \to 0

$t^3m^{-3/2}\to 0$ . Thus, for a fixed

t

$t$ ,

ϕ_{D} (t) = {(1 - \frac{a^{2} t^{2}}{2 (a^{2} + b^{2}) n_{1}} + O (n_{1}^{- 3 / 2}))}^{n_{1}} {(1 - \frac{b^{2} t^{2}}{2 (a^{2} + b^{2}) n_{2}} + O (n_{2}^{- 3 / 2}))}^{n_{2}} \to e^{- t^{2} / 2}

$\phi_D(t)=\left( 1-\frac{a^2t^2}{2(a^2+b^2)n_1}+O(n_1^{-3/2}) \right)^{n_1} \left( 1-\frac{b^2t^2}{2(a^2+b^2)n_2}+O(n_2^{-3/2}) \right)^{n_2} \to e^{-t^2/2}$ (even if

a \to 0

$a\to 0$ or

b \to 0

$b\to 0$ ), since

| e^{- y} - (1 - y / m)^{m} | \leq y^{2} / 2 m

$\left|e^{-y}-(1-y/m)^m\right|\le {y^2}/{2m}\$ when

y / m < 1 / 2

$\ y/m<1/2$ (see /math/2566469/uniform-bounds-for-1-y-nn-exp-y/ ).

Note that similar calculations may be done for arbitrary (not necessarily Bernoulli) distributions with finite second moments, using the expansion of characteristic function in terms of the first two moments.

— Viktor
источник

This seems correct. I'll get back to you later on, when I have time to check everything. ;)

— An old man in the sea.

-1

Proving your statement is equivalent to proving the (Levy-Lindenberg) Central Limit Theorem which states

If $\{Z_i\}_{i=1}^n$ is a sequence of i.i.d random variable with finite mean $\mathbb{E}(Z_i) = \mu$ and finite variance $\mathbb{V}(Z_i) = \sigma^2$ then

\sqrt{n} (\bar{Z} - μ) \to^{d} N (0, σ^{2})

$\sqrt{n}(\bar{Z} - \mu) \to^d N(0,\sigma^2)$

Here $\bar{Z} = \sum_i Z_i/n$ that is the sample variance.

Then it is easy to see that if we put

Z_{i} = X_{1} i - X_{2} i

$Z_i = X_1i - X_2i$ with

X_{1 i}, X_{2 i}

$X_{1i}, X_{2i}$ following a

B e r (θ_{1})

$Ber(\theta_1)$ and

B e r (θ_{2})

$Ber(\theta_2)$ respectively the conditions for the theorem are satisfied, in particular

E (Z_{i}) = θ_{1} - θ_{2} = μ

$\mathbb{E}(Z_i) = \theta_1 - \theta_2 = \mu$

and

V (Z_{i}) = θ_{1} (1 - θ_{1}) + θ_{2} (1 - θ_{2}) = σ^{2}

$\mathbb{V}(Z_i)= \theta_1(1-\theta_1) +\theta_2(1-\theta_2)= \sigma^2$

(There's a last passage, and you have to adjust this a bit for the general case where $n_1 \neq n_2$ but I have to go now, will finish tomorrow or you can edit the question with the final passage as an exercise )

— Three Diag
источник

I could not obtain what I wanted exactly because of the possibility of

n_{1} \neq n_{2}

$n_1\neq n_2$

— An old man in the sea.

I will show later if you can't get it. Hint: compute the variance of the sample mean of Z and use that as the variable in the theorem

— Three Diag

Three, could you please add the details for when

n_{1} \neq n_{2}

$n_1 \neq n_2$ ? Thanks

— An old man in the sea.

Will do as soon as find a little timr. There was in fact a subtlety that prevents from using LL clt without adjustment. There are three ways to go, the simplest of which is invoking the fact that for large n1 and n2, X1 and X2 go in distribution to normals, then a linear combination of normal is also normal. This is a property of normals that you can take as given, otherwise you can prove it by characteristic functions.

— Three Diag

The other two require either a different clt (Lyapunov possibly) or alternatively treat n1 = i and n2= i +k. Then for large i you can essentially disregard k and you can go back to apply LL (but still it will require some care to nail the right variance)

— Three Diag