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Grado en Matemáticas

Modos de convergencia y leyes de los grandes números

«Se acerca» puede significar seguir una misma trayectoria, medir cuántos errores grandes quedan o mirar solo el reparto de valores. Son preguntas diferentes. Las compararemos con dibujos y contraejemplos antes de estudiar por qué una media de observaciones independientes se estabiliza.

Si necesitas repasar:

1. Casi seguramente seguimos la historia de un mismo resultado

Xₙ→X casi seguramente significa que existe un suceso de probabilidad uno donde, para cada ω, la sucesión numérica Xₙ(ω) tiende a X(ω). Las variables están en un mismo espacio para poder comparar sus valores resultado por resultado.

La tolerancia ε se fija y después se busca un índice N que puede depender de ω y ε. No hace falta un único N que sirva simultáneamente para todos los resultados. «Casi» permite una excepción nula, que puede no ser vacía.

Una potencia baja para cada número menor que uno

U uniforme en [0,1], Xₙ=Uⁿ.

  1. Una trayectoria

    Si U=1/2, los valores son 1/2,1/4,1/8,… y tienden a cero.
  2. Regla general

    Para cada 0≤U<1, las potencias tienden a cero.

  3. Excepción

    Si U=1, se mantienen en uno, pero ese punto tiene probabilidad cero.

Resultado

Xₙ→0 casi seguramente.

Lo comprobamos

No afirmamos convergencia en el resultado U=1; la definición permite excluirlo.

El índice puede depender del resultado

Ω={1,2,…} con masas 2^(−k); Xₙ(k)=k/n.

  1. Fijar resultado

    Para k=10, basta n>10/ε para error menor que ε.

  2. Otro resultado

    Para k=1000, se necesita n>1000/ε.
  3. Convergencia

    Cada k fijo converge a cero, aunque no haya una cota uniforme para todos los k.

Resultado

Converge en todas las trayectorias de este espacio.

Lo comprobamos

El supremo sobre k de k/n es infinito; convergencia casi segura no significa convergencia uniforme.

2. En probabilidad se fija una tolerancia y se mide la masa del error

Xₙ→X en probabilidad si, para cada ε>0 fijo, P(|Xₙ−X|>ε)→0.

Los resultados que incumplen la tolerancia pueden cambiar con n. No se exige que cada resultado deje de fallar definitivamente.

El orden de cuantificadores importa: primero se fija ε, después n crece. Sustituirla por una tolerancia εₙ que también disminuye plantea otra pregunta y requiere estudiar una nueva probabilidad.

La zona de error se hace pequeña

U uniforme en (0,1), Xₙ=1 si U≤1/n y cero en otro caso.

  1. Tolerancia

    Para 0<ε<1, el error supera ε exactamente cuando Xₙ=1.
  2. Probabilidad

    P(error>ε)=1/n.
  3. Límite

    1/n→0; para ε≥1 la probabilidad ya es cero.
Resultado

Xₙ→0 en probabilidad.

Lo comprobamos

Esta cuenta mide el tamaño del suceso de error, no reconstruye por sí sola toda la trayectoria.

Una tolerancia decreciente puede cambiar el límite

Xₙ=Uⁿ, pero ahora εₙ=e^(−n).

  1. Suceso

    Uⁿ>e^(−n) equivale a U>e^(−1).
  2. Probabilidad

    Vale 1−e^(−1), independiente de n.

  3. Comparar

    Para ε fijo entre 0 y 1, en cambio, P(Uⁿ>ε)=1−ε^(1/n)→0.
Resultado

Converge en probabilidad, aunque no cumpla esa exigencia particular con εₙ.

Lo comprobamos

No se intercambia una tolerancia fija con otra que cambia al mismo tiempo que el índice.

3. Lᵖ controla el tamaño medio del error, además de su frecuencia

Para 1≤p<∞, convergencia en Lᵖ exige E|Xₙ−X|ᵖ→0.
Markov da P(|Xₙ−X|>ε)≤E|Xₙ−X|ᵖ/εᵖ, así Lᵖ implica convergencia en probabilidad.

Casi segura también implica en probabilidad: los indicadores de error mayor que ε tienden a cero casi seguramente y están dominados por 1; convergencia dominada hace tender a cero sus esperanzas. Esas implicaciones no permiten invertir libremente las flechas.

Calcular un error cuadrático completo

Xₙ=X/n y E(X²)=16.

  1. Error segundo

    E|Xₙ|²=16/n².
  2. Norma

    La norma L² es su raíz:4/n.

  3. Cota

    Para ε>0, P(|Xₙ|>ε)≤min(1,16/(n²ε²)).
Resultado

Converge en L² y en probabilidad.

Lo comprobamos

No se confunden la norma 4/n y su cuadrado 16/n².

Una misma familia permite ver las tres nociones

Xₙ=Uⁿ, con U uniforme en [0,1].

  1. Trayectorias

    Para U<1, tiende a cero.
  2. Momento

    E|Xₙ|ᵖ=∫₀¹u^(np)du=1/(np+1).
  3. Probabilidad

    Para 0<ε<1, P(Xₙ>ε)=1−ε^(1/n), también tendente a cero.
Resultado

Converge casi seguramente, en todo Lᵖ finito y en probabilidad.

Lo comprobamos

Que aquí coincidan no demuestra equivalencia general: los próximos ejemplos separan las nociones.

4. En distribución comparamos leyes, no una pareja concreta de trayectorias

Xₙ converge en distribución a X si Fₙ(x)→Fx(x) en cada punto donde Fx es continua. No necesita un espacio común. Los saltos cargan fronteras y por eso no se exige convergencia de las acumuladas allí.

Convergencia en probabilidad implica en distribución: para δ>0, se acota Fₙ(x) entre Fx(x−δ) menos la probabilidad de error y Fx(x+δ) más ese error.

Primero n→∞ y luego δ→0 en un punto continuo.

Si el límite es constante, la convergencia en distribución sí implica en probabilidad hacia esa constante.

Misma ley, pero siempre al otro lado

X vale ±1 equiprobables; Xₙ=−X para todo n.

  1. Leyes

    Xₙ y X tienen exactamente la misma distribución.

  2. Diferencia concreta

    |Xₙ−X|=2 siempre.
  3. Conclusión

    La convergencia de leyes no implica convergencia en probabilidad a esa X concreta.

Resultado

Converge en distribución a la ley de X, pero no en probabilidad a X.

Lo comprobamos

La distribución olvida cómo se emparejaron las variables en el espacio común.

El punto de salto explica la excepción de la definición

Xₙ es la constante 1/n y X la constante cero.

  1. Convergencia

    Los valores 1/n tienden a cero, hasta determinísticamente.

  2. En x=0

    Fₙ(0)=0 para todo n, pero Fx(0)=1.
  3. Fuera del salto

    Para x<0 ambas acumuladas son cero; para x>0, finalmente ambas son uno.

Resultado

Hay convergencia en distribución, aunque las acumuladas no converjan en el salto.

Lo comprobamos

Exigir la igualdad límite también en x=0 rechazaría incorrectamente esta convergencia elemental.

5. Un pico raro puede mantener grande el momento medio

Sobre U uniforme en (0,1), ponemos Xₙ=n·1{U≤1/n}.

Cada resultado U>0 queda finalmente fuera del pico, así Xₙ→0 casi seguramente. La probabilidad de estar en él es 1/n, pero su altura es n.

Una probabilidad pequeña de error no controla siempre su tamaño medio
El pico crece, pero ocupa menosn=2área = 1n=4área = 1n=8área = 1Xₙ=n·1{0<U≤1/n}P(Xₙ≠0)=1/n ; E|Xₙ|=1
Tres funciones sobre U uniforme cero uno: altura n en el intervalo cero uno sobre n y cero fuera, para n dos cuatro ocho. La misma escala en cada fila muestra altura creciente y base decreciente; el área queda constante en uno. Para cada U positivo, el valor acaba en cero, pero la esperanza absoluta no disminuye.

El dibujo conserva el área igual a uno: frecuencia y magnitud del error se compensan. Por eso converger casi seguramente y en probabilidad no garantiza convergencia en L¹. Tampoco L¹ garantiza L².

Calcular el área que no baja

Xₙ=n·1{U≤1/n}.

  1. Trayectoria fija

    Si U=u>0, para n>1/u el valor es cero.
  2. Probabilidad

    Para n>ε, P(|Xₙ|>ε)=1/n→0.
  3. Momento

    E|Xₙ|=n·1/n=1 para todo n.
Resultado

No converge en L¹, aunque sí casi seguramente y en probabilidad.

Lo comprobamos

El momento tiene en cuenta la altura del pico, que la probabilidad de error por sí sola no controla.

Bajar algo la altura separa L¹ de L²

Yₙ=√n·1{U≤1/n}.

  1. Momento primero

    E|Yₙ|=√n/n=1/√n→0.
  2. Segundo

    E|Yₙ|²=n/n=1.
  3. Trayectorias

    Para cada U>0, el indicador acaba siendo cero igual que antes.

Resultado

Converge en L¹ y casi seguramente, pero no en L².

Lo comprobamos

Cambiar la potencia del momento cambia qué tamaño de pico queda controlado.

6. Una zona de error que recorre el espacio puede visitar a todos infinitas veces

La sucesión de máquina de escribir recorre [0,1) por bloques: primero los dos indicadores de mitades, después los cuatro de cuartos, luego ocho de octavos, y así sucesivamente. Cada fila vale uno en su tramo y cero fuera.

Los errores pequeños pueden ir cambiando de lugar
X1X2X3X4X5X6La zona activa se estrecha y recorre todo
Primeros dos bloques de la sucesión de indicadores: dos mitades y después cuatro cuartos de [0,1). Cada fila vale uno en azul y cero fuera. La línea señala un mismo resultado: encuentra un uno en cada bloque, aunque cada intervalo activo sea menor.

En el bloque m, el tramo tiene longitud 2^(−m). Toda trayectoria ve exactamente un uno en cada bloque y también ceros. Aun así, cada fila tiene una probabilidad pequeña de valer uno. Es la diferencia entre medir una fila y seguir una columna a lo largo de toda la historia.

Seguir una trayectoria que nunca termina de estabilizarse

Fija U=0,3.

  1. Primer bloque

    Está en la primera mitad.

  2. Siguientes

    Está en [0,25;0,5) y después en [0,25;0,375), y vuelve a recibir un uno.

  3. Entre visitas

    Las demás filas de cada bloque le dan cero; hay unos y ceros infinitas veces.

Resultado

La trayectoria no converge.

Lo comprobamos

El mismo argumento sirve para todo U de [0,1), no solo para el punto elegido.

Medir cada fila sí da un límite pequeño

Fila del bloque m y cualquier p finito,1≤p<∞.

  1. Probabilidad

    Para 0<ε<1, P(error>ε)=2^(−m)→0.
  2. Momento

    Como el indicador solo vale cero o uno, E|Xₙ|ᵖ=2^(−m).

  3. Norma

    La norma Lᵖ vale 2^(−m/p)→0.
Resultado

Converge en probabilidad y en cada Lᵖ finito, pero no casi seguramente.

Lo comprobamos

No se invierte la implicación casi segura→probabilidad, ni siquiera añadiendo aquí convergencia en Lᵖ.

7. La ley débil se obtiene calculando la varianza de una media

Para X₁, X₂,… iid con media μ y varianza finita σ², la media tiene esperanza μ y varianza σ²/n. Independencia anula covarianzas; y dividir la suma por n divide su varianza por n².

Chebyshev da P(|media−μ|≥ε)≤min(1, σ²/(nε²)).

Para ε fijo la cota tiende a cero: ley débil y convergencia en L². Una cota puede ser conservadora y no es la probabilidad exacta de un error.

Una cota finita sin conocer la forma de la ley

n=400 iid, varianza individual 9, tolerancia 0,5.

  1. Varianza de la media

    9/400.

  2. Chebyshev

    P(|media−μ|≥0,5)≤(9/400)/(0,5²).
  3. Calcular

    La cota es 9/100=0,09.
Resultado

La probabilidad de error menor que 0,5 es al menos 0,91.

Lo comprobamos

No se ha supuesto que las observaciones tengan distribución normal.

Escoger un tamaño con una garantía probabilística

Frecuencia de Bernoulli iid; tolerancia 0,02 y probabilidad de error a lo sumo 0,05.

  1. Cota de varianza

    p(1−p)≤1/4 para cualquier p.
  2. Pedir la garantía

    (1/4)/(n·0,02²)≤0,05.
  3. Despejar

    Basta n≥12 500.
Resultado

Chebyshev ofrece este tamaño suficiente, que puede ser muy conservador.

Lo comprobamos

La garantía es probabilística, no certeza de acertar en cada muestra finita.

8. La ley fuerte iid necesita primer momento, no necesariamente varianza

Si X₁, X₂,… son iid y E|X₁|<∞, la ley fuerte afirma que su media converge casi seguramente a EX₁. El resultado sigue siendo válido con varianza infinita. Las próximas dos secciones muestran un camino de prueba con truncación.

No se convierte una cota 1/n en un resultado casi seguro solo cambiando palabras. La serie Σ1/n diverge, y ese control aislado no permite aplicar directamente el primer lema de Borel–Cantelli. Hay que controlar mejor las trayectorias o truncar los valores grandes.

La frecuencia de un suceso tiene límite de trayectoria

Indicadores iid de probabilidad p=0,3.

  1. Integrabilidad

    Cada indicador está entre cero y uno.

  2. Media

    Su esperanza es 0,3.

  3. Ley fuerte

    Salvo una excepción nula, la frecuencia relativa tiende a 0,3.

Resultado

La convergencia no exige acercamiento monótono.

Lo comprobamos

El índice a partir del que una trayectoria tiene un error pequeño puede variar de una trayectoria a otra.

La varianza infinita no impide este resultado

Iid con densidad (3/2)x^(−5/2) para x≥1.

  1. Media absoluta

    Como son positivas, E|X|=EX=3.
  2. Segundo momento

    E(X²)=∞.
  3. Aplicar la hipótesis correcta

    La ley fuerte usa el primer momento: la media converge a 3 casi seguramente.

Resultado

La ley fuerte se aplica; a la prueba de Chebyshev con varianza finita no le sirven estos datos.

Lo comprobamos

Distinguir hipótesis evita excluir un resultado válido por usar la demostración equivocada.

9. Tres herramientas convierten control de errores en control de trayectorias

El primer lema de Borel–Cantelli dice: si ΣP(An)<∞, la probabilidad de que ocurran infinitos An es cero. Se prueba acotando P(⋃n≥N An) por la cola de la serie y dejando N→∞; no necesita independencia.

Para variables independientes centradas Zk de varianza finita, la desigualdad maximal de Kolmogorov acota P(max k≤n |Sₖ|≥a) por ΣVar(Zk)/a². Permitirá controlar toda una cola de sumas, además de un instante. El lema de Kronecker convertirá después una serie ponderada convergente en una media pequeña.

Justificar la desigualdad maximal

Sₖ=Z₁+…+Zₖ, con variables independientes, centradas y de varianza finita.

  1. Primera salida

    Ak es el suceso de que k sea el primer índice donde |Sₖ|≥a. Los Ak son disjuntos.

  2. Separar futuro

    Sₙ=Sₖ+(Sₙ−Sₖ); el futuro es independiente de Ak y Sₖ, y tiene media cero.
  3. Cuadrado sobre Ak

    E[Sₙ²1Ak]=E[Sₖ²1Ak]+E[(Sₙ−Sₖ)²1Ak]≥a²P(Ak).
  4. Sumar

    a²P(max |Sₖ|≥a)≤E(Sₙ²)=ΣVar(Zk).
Resultado

La cota controla el máximo de toda la trayectoria parcial.

Lo comprobamos

El término cruzado se anula por independencia y centrado, no por una desigualdad sin justificar.

Una suma de varianzas finita produce una serie convergente casi seguramente

Zk independientes, centradas y ΣVar(Zk)<∞.

  1. Elegir colas

    Escoge índices Nⱼ crecientes para que la suma de Var(Zk) con k≥Nⱼ sea ≤2^(−3j).

  2. Máximo de la cola

    Con tolerancia 2^(−j), Kolmogorov da probabilidad a lo sumo 2^(−j), también para el supremo de todos sus finales por continuidad creciente.

  3. Borel–Cantelli

    La suma de estas cotas es finita: salvo excepción nula, las colas desde Nⱼ son uniformemente pequeñas finalmente.

  4. Cauchy

    Dos sumas parciales suficientemente tardías difieren a lo sumo en dos de esas colas pequeñas; por tanto la serie converge.

Resultado

El criterio de series usado aquí queda justificado.

Lo comprobamos

La independencia y el segundo momento se exigen a los términos Zk de la serie, que luego serán variables truncadas.

Kronecker sale de una suma por partes

La serie Σaₖ/k converge; escribe sₙ=Σk≤n aₖ/k.

  1. Recuperar términos

    aₖ=k(sₖ−sₖ₋₁), con s₀=0.
  2. Telescopar

    (a₁+…+aₙ)/n=sₙ−(s₁+…+sₙ₋₁)/n.
  3. Cesàro

    Si sₙ→s, tanto el primer término como el promedio de la derecha tienden a s.

Resultado

(a₁+…+aₙ)/n→0.

Lo comprobamos

Es una identidad determinista: se aplicará en cada trayectoria donde la serie aleatoria converja.

10. Truncar permite probar la ley fuerte con solo E|X| finita

Definimos Yₙ=Xₙ1{|Xₙ|≤n}.

La independencia se conserva porque cada Yₙ depende solo de Xₙ, aunque ya no tengan idéntica distribución. Controlamos por separado los valores recortados, la serie centrada y el promedio de sus esperanzas.

La igualdad de distribución original permite reemplazar cada estimación por una integral respecto a una misma ley X.

Las herramientas anteriores se aplican a Zₙ=(Yₙ−EYₙ)/n.

El detalle clave es que sus varianzas son sumables aunque Var(X) sea infinita.

Encadenar la prueba general

Xₙ iid y E|X₁|<∞.

  1. Pocas diferencias

    ΣP(Xₙ≠Yₙ)=ΣP(|X|>n)≤E|X|.

    Borel–Cantelli da diferencias solo finitas, casi seguramente.

  2. Control de varianzas

    ΣVar(Yₙ)/n²≤E[X²Σn≥max(1,⌈|X|⌉)1/n²]≤2E|X|.
    Para |X|<1 se usa X²≤|X|; para |X|≥1, la cola es ≤2/|X|.
  3. Serie y media centrada

    El criterio de series aplicado a (Yₙ−EYₙ)/n y Kronecker dan (1/n)Σk≤n(Yk−EYk)→0 casi seguramente.

  4. Medias truncadas

    EYₙ→EX por convergencia dominada con |X|; Cesàro da (1/n)Σk≤n EYk→EX.

  5. Volver a X

    Solo hay finitas diferencias Xk−Yk en la trayectoria; su suma dividida por n tiende a cero.

  6. Conclusión

    La media de X₁,…, Xₙ converge a EX casi seguramente.

Resultado

La prueba necesita primer momento absoluto, además de iid.

Lo comprobamos

El cambio de suma e integral usa no negatividad; cada truncada tiene segundo momento finito.

Ver los controles en la cola de varianza infinita

Densidad (3/2)x^(−5/2), x≥1.

  1. Valores recortados

    P(X>n)=n^(−3/2); su serie converge.
  2. Momento truncado

    E[X²1{X≤n}]=3(√n−1), de modo que dividir por n² produce una cota 3n^(−3/2) sumable.

  3. Centro truncado

    E[X1{X≤n}]=3(1−1/√n)→3.
Resultado

Los tres controles de la prueba funcionan aun con segundo momento total infinito.

Lo comprobamos

La truncación no inventa una varianza finita para X: construye variables Yₙ cuyo crecimiento sí permite sumar las cotas necesarias.

11. Una ley de grandes números no exige compensaciones ni promete un plazo seguro

La frecuencia puede acercarse al límite con oscilaciones y rachas. Independencia significa que un desequilibrio pasado no obliga al siguiente ensayo a compensarlo. La ley fuerte habla del límite casi seguro; no ofrece por sí sola un N universal de acierto seguro para todo resultado.

En un cálculo finito se declara qué garantía probabilística se usa, como Chebyshev bajo varianza finita. Si las observaciones repiten siempre la misma variable, no se puede usar una fórmula iid para la dispersión de su media.

Una racha no cambia una moneda independiente

Una moneda justa dio diez caras seguidas y el siguiente lanzamiento es independiente.

  1. Información

    La racha ya ocurrió.

  2. Siguiente probabilidad

    P(cara siguiente|racha)=1/2 por independencia.
  3. Límite

    La frecuencia a largo plazo puede acercarse a 1/2 sin que el siguiente resultado esté obligado a ser cruz.

Resultado

No hay una deuda de compensación en el siguiente ensayo.

Lo comprobamos

Una probabilidad de 1/2 no afirma que la próxima pareja de lanzamientos tenga exactamente una cara.

Copiar una observación no equivale a recoger más datos independientes

Xi=Z para todo i, Z Bernoulli(0,3).

  1. Media

    La media de n copias sigue siendo Z.

  2. Error

    |Z−0,3| vale 0,3 o 0,7: supera 0,1 con probabilidad uno.

  3. Dispersión

    Var(media)=0,21, no 0,21/n.
Resultado

La media no converge en probabilidad a 0,3.

Lo comprobamos

Las observaciones tienen la misma ley y momentos finitos, pero carecen de la independencia necesaria.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Una cota explícita

Media de 100 iid con varianza 4. Acota P(|media−μ|≥1).

  1. Hipótesis

    Las cien observaciones son iid con varianza individual 4.

  2. Media

    Su varianza es 4/100=0,04.
  3. Desigualdad

    Chebyshev acota P(|media−μ|≥ε) por Var(media)/ε².

  4. Tolerancia

    Con ε=1, la cota es 0,04/1²=0,04.
  5. Complemento

    La probabilidad de error estrictamente menor que uno es al menos 0,96.

  6. Interpretación

    Es una cota válida, no una probabilidad exacta ni una garantía de error pequeño en cada muestra.

Resultado

Probabilidad ≤0,04.

Lo comprobamos

Con estos datos, la probabilidad de quedar a distancia menor que uno es al menos 0,96. La cota es válida para cualquier ley iid con la varianza dada.

EJEMPLO RESUELTO 2

Convergencia en L²

Xₙ=X/n con E[X²]=9.

  1. Límite propuesto

    Comparamos Xₙ=X/n con cero.
  2. Momento del error

    E|Xₙ|²=E(X²)/n²=9/n².
  3. Norma

    La norma L² es 3/n.

  4. Límite

    Ambas cantidades tienden a cero, así hay convergencia en L².

  5. En probabilidad

    Markov da P(|Xₙ|>ε)≤9/(n²ε²)→0 para cada ε>0.
  6. Adicional

    El segundo momento finito implica X finita casi seguramente; en esas trayectorias X/n→0 también casi seguramente.

Resultado

Xₙ→0 en L² y en probabilidad.

Lo comprobamos

Además X es finita casi seguramente por su segundo momento finito, así X(ω)/n→0 en esas trayectorias. Es una comprobación adicional, no necesaria para la prueba en L².

Los símbolos que hemos usado

X_n→X casi seguramente
P({ω:X_n(ω)→X(ω)})=1; se estudia la trayectoria completa fuera de un conjunto nulo.
X_n→X en probabilidad
Para todo ε>0 fijo, P(|X_n−X|>ε)→0.
X_n→X en Lᵖ
E|X_n−X|ᵖ→0; aquí 1≤p<∞ y los momentos pertinentes son finitos.
X_n⇒X
Convergencia en distribución: F_n(x)→F_X(x) en todo punto de continuidad de F_X.
iid
Variables mutuamente independientes y con la misma distribución.
X̄_n
Media muestral (X₁+⋯+X_n)/n.
μ,σ²
Esperanza y varianza común cuando existen.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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