La legge dei grandi numeri dice che Xˉn→μ. Il teorema limite centrale (TLC) dice comeXˉn si distribuisce intorno a μ.
Enunciato.X1,X2,… i.i.d. con E[Xi]=μ e 0<Var(Xi)=σ2<∞. Allora Zn=σn(Xˉn−μ)dN(0,1), cioè converge in legge (le ripartizioni convergono nei punti di continuità).
Quantità
Valore
Perché
E[Zn]
0
E[Xˉn]=μ
Var(Zn)
1
Var(Xˉn)=σ2/n: si divide per σ/n
Approssimazione pratica
Xˉn≈N(μ,nσ2)
Trasformazioni affini di normali sono normali
La legge di partenza delle Xi può essere qualsiasi: per questo la normale compare ovunque in statistica.
Bin(20; 0,5): somma di 20 Bernoulli, già vicina alla forma a campana
2. Come si usa il TLC in un calcolo?
Esempio aggiunto. 100 lanci di una moneta equa; S = numero di teste. μ=50, σ=100⋅41=5.
Si standardizza: P(S>55)≈P(Z>555−50)=P(Z>1)≈0,159.
Valore esatto (binomiale): 0,136.
Con la correzione di continuità (55,5 al posto di 55): P(Z>1,1)≈0,136.
3. Quando l'approssimazione normale è buona?
Fattore
Effetto
Taglia n
Il TLC è asintotico: con n piccolo l'errore può essere grande
Asimmetria
Leggi asimmetriche richiedono n più grande
Code pesanti
Convergenza lenta; senza varianza finita il TLC non vale
Regola empirica
n≥30 spesso basta, ma dipende dalla legge
Esempio della dispensa. Con Xi∼Exp(λ), Sn∼Γ(n,λ). La densità della media standardizzata non dipende da λ ed è ancora visibilmente asimmetrica per n=30.
4. Quanto è veloce la convergenza?
Teorema di Berry-Esseen. Se ρ=E[∣Xi−μ∣3]<∞, esiste una costante universale C con xsup∣Fn(x)−Φ(x)∣≤Cσ3nρ, dove Fn è la ripartizione di Zn e Φ quella di N(0,1). L'errore è dell'ordine 1/n.
Code pesanti. Se P(∣X∣>x)∼C/xα, il momento E[∣X∣k] è finito se e solo se α>k.
α
Media
Varianza
Berry-Esseen
α≤1
Infinita
Infinita
No
1<α≤2
Finita
Infinita: niente TLC classico
No
2<α≤3
Finita
Finita
No (momento terzo infinito)
α>3
Finita
Finita
Sì
5. Come si caratterizza la convergenza in legge?
Teorema.Xn→X in legge se e solo se E[g(Xn)]→E[g(X)] per ogni g di classe Ck limitata con derivate limitate.
Direzione
Idea
In legge ⇒ funzioni test
Vale per funzioni a scala con estremi nei punti di continuità di F; si tronca su [−m,m] e si approssima g continua e limitata
Funzioni test ⇒ in legge
Si stringe χ(−∞,x] tra funzioni lisce gk≤χ≤hk e si usa la convergenza dominata
6. Come si dimostra il TLC con il principio di Lindeberg?
Prova elementare, con momento terzo finito.
Lemma.U,X,Y indipendenti, E[X]=E[Y]=0, E[X2]=E[Y2]: con Taylor al terzo ordine ∣E[g(U+X)]−E[g(U+Y)]∣≤Cg(E∣X∣3+E∣Y∣3). I termini di ordine 1 e 2 si cancellano.
Scambio uno alla volta. Si passa da X1,…,Xn a Y1,…,Yn sostituendo un termine per volta (somma telescopica).
Ogni scambio costa O(n−3/2) (il termine è diviso per n); gli scambi sono n: errore totale O(1/n)→0.
Si sceglie Yi∼N(0,1): n1∑Yi∼N(0,1) esattamente. Quindi il limite è la normale standard.
La prova moderna usa la funzione caratteristica (trasformata di Fourier), con strumenti più avanzati.
7. Quali sono le trappole tipiche per i concetti di questa lezione?
Il TLC richiede varianza finita e positiva, non solo media finita.
Si standardizza con σ/n, non con σ.
La convergenza è in legge, non quasi certa: Zn non converge a un valore.
n≥30 è una regola empirica, non un teorema: con leggi asimmetriche può non bastare.
Il TLC riguarda la media (o la somma), non le singole Xi, che restano con la loro legge.
8. Quiz della lezione (10 domande)
Domande di ripasso create per questa scheda a partire dalla dispensa (non sono il test ufficiale della piattaforma). Scegli una risposta: ricevi subito esito e spiegazione.