Geschreven door studenten die geslaagd zijn Direct beschikbaar na je betaling Online lezen of als PDF Verkeerd document? Gratis ruilen 4,6 TrustPilot
logo-home
College aantekeningen

Probability and Stochastic Processes

Beoordeling
-
Verkocht
-
Pagina's
11
Geüpload op
11-05-2023
Geschreven in
2022/2023

Probability and Stochastic Processes

Instelling
Vak

Voorbeeld van de inhoud

PROBABILITY AND STOCHASTIC PROCESS 51

5. Modes of Convergence
5.1. Some important inequalities. We start this section by proving a result known as Markov
inequality.
Lemma 5.1 (Markov inequality). If X is a non-negative random variable whose expected
value exists, then for all a > 0,
E(X)
P(X ≥ a) ≤ .
a
Proof. Observe that, since X is non-negative
h i
E[X] = E X1{X≥a} + X1{X<a} ≥ E[X1{X≥a} ] ≥ aP(X ≥ a).
Hence the result follows. 
Corollary 5.2. If X is a random variable such that E[|X|] < +∞, then for all a > 0
E(|X|)
P(|X| ≥ a) ≤ .
a
Example 5.1. A coin is weighted so that its probability of landing on heads is 20%. Suppose
the coin is flipped 20 times. We want to find a bound for the probability it lands on heads at
least 16 times. Let X be the number of times the coin lands on heads. Then X ∼ B(20, 15 ). We
use Markov inequality to find the required bound:
E(X) 4 1
P(X ≥ 16) ≤ = = .
16 16 4
The actual probability that this happen is
20  
X 20
P(X ≥ 16) = (0.2)k (0.8)20−k ≈ 1.38 × 10−8 .
k
k=16

Lemma 5.3 (Chebyschev’s inequality). Let Y be an integrable random variable such that
Var(Y ) < +∞. Then for any ε > 0
Var(Y )
P(|Y − E(Y )| ≥ ε) ≤ .
ε2
Proof. To get the result, take X = |Y − E(Y )|2 and a = ε2 in Markov inequality. 
Example 5.2. Is there any random variable X for which
 1
P µ − 3σ ≤ X ≤ µ + 3σ = ,
2
2
where µ = E(X) and σ = Var(X).
Solution: Observe that
  
P µ − 3σ ≤ X ≤ µ + 3σ = P |X − µ| ≤ 3σ = 1 − P |X − E(X)| > 3σ .
By Chebyschev’s inequality, we get that

  σ2
P |X − E(X)| > 3σ ≤ P |X − E(X)| ≥ 3σ ≤ 2 ,

and hence
 1 8
P µ − 3σ ≤ X ≤ µ + 3σ ≥ 1 − = .
9 9
1
Since 2 < 89 , there exists NO random variable X satisfying the given condition.

, 52 A. K. MAJEE

In principle Chebyshev’s inequality asks about distance from the mean in either direction, it
can still be used to give a bound on how often a random variable can take large values, and will
usually give much better bounds than Markov’s inequality. For example consider Example 5.1.
Markov’s inequality gives a bound of 14 . Using Chebyshev’s inequality, we see that
Var(X) 1
P(X ≥ 16) = P(X − 4 ≥ 12) ≤ P(|X − 4| ≥ 12) ≤ = .
144 45
Lemma 5.4 (One-sided Chebyschev inequality). Let X be a random variable with mean 0 and
variance σ 2 < +∞. Then for any a > 0,
σ2
P(X ≥ a) ≤ .
σ 2 + a2
Proof. For any b ≥ 0, we see that X ≥ a is equivalent to X + b ≥ a + b. Hence by Markov’s
inequality, we have
E[(X + b)2 ] σ 2 + b2
P(X ≥ a) = P(X + b ≥ a + b) ≤ P((X + b)2 ≥ (a + b)2 ) ≤ =
(a + b)2 (a + b)2
σ 2 + b2 σ2
=⇒ P(X ≥ a) ≤ min = .
b≥0 (a + b)2 σ 2 + a2

One can use one-sided Chebyschev inequality to arrive at the following corollary.
Corollary 5.5. If E[X] = µ and Var(X) = σ 2 , then for any a > 0,
σ2
P(X ≥ µ + a) ≤
σ 2 + a2
σ2
P(X ≤ µ − a) ≤ 2 .
σ + a2
Example 5.3. Let X be a Poisson random variable with mean 20. Show that one-sided Cheby-
shev inequality gives better upper bound on P(X ≥ 26) compare to Markov and Chebyschev
inequalities. Indeed, by Markov inequality, we have
E[X] 10
p = P(X ≥ 26) ≤ = .
26 13
By Chebyschev inequality, we get
Var(X) 10
p = P(X − 20 ≥ 6) ≤ P(|X − 20| ≥ 6) ≤ = .
36 18
One-sided Chebyschev inequality gives
Var(X) 10
p = P(X − 20 ≥ 6) ≤ = .
Var(X) + 36 28
Theorem 5.6 (Weak Law of Large Number). Let {Xi } be a sequence of iid random variables
with finite mean µ and variance σ 2 . Then for any ε > 0
Sn  σ2
P | − µ| > ε ≤ 2 ,
n nε
where Sn = ni=1 Xi . In particular,
P

Sn 
lim P | − µ| > ε = 0 .
n→∞ n
Proof. First inequality follows from Chebyschev’s inequality. Sending limit as n tends to infinity
in the first inequality, we arrive at the second result. 

Geschreven voor

Instelling
Vak

Documentinformatie

Geüpload op
11 mei 2023
Aantal pagina's
11
Geschreven in
2022/2023
Type
College aantekeningen
Docent(en)
Ananta kumar majee
Bevat
Alle colleges

Onderwerpen

$8.49
Krijg toegang tot het volledige document:

Verkeerd document? Gratis ruilen Binnen 14 dagen na aankoop en voor het downloaden kun je een ander document kiezen. Je kunt het bedrag gewoon opnieuw besteden.
Geschreven door studenten die geslaagd zijn
Direct beschikbaar na je betaling
Online lezen of als PDF

Maak kennis met de verkoper
Seller avatar
maraishuman

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
maraishuman IIT DELHI
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
-
Lid sinds
3 jaar
Aantal volgers
0
Documenten
17
Laatst verkocht
-

0.0

0 beoordelingen

5
0
4
0
3
0
2
0
1
0

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Bezig met je bronvermelding?

Maak nauwkeurige citaten in APA, MLA en Harvard met onze gratis bronnengenerator.

Bezig met je bronvermelding?

Veelgestelde vragen