13.6 Exercícios

§13.1

1.

Sejam {ℱn}n\{\mathcal{F}_{n}\}_{n} σ\sigma-álgebras em Ω\Omega tais que ℱk⊆ℱk+1\mathcal{F}_{k}\subseteq\mathcal{F}_{k+1} para todo kk. Prove que 𝒜=∪nℱn\mathcal{A}=\cup_{n}\mathcal{F}_{n} é uma álgebra. Prove que essa propriedade pode falhar sem a hipótese de que ℱk⊆ℱk+1\mathcal{F}_{k}\subseteq\mathcal{F}_{k+1}.

2.

Sejam A,B∈ℱA,B\in\mathcal{F} eventos e sejam (An)n(A_{n})_{n} e (Bn)n(B_{n})_{n} sequências de eventos tais que ℙ⁢(An⁢△⁢A)→0\mathbb{P}(A_{n}\triangle A)\to 0 e ℙ⁢(Bn⁢△⁢B)→0\mathbb{P}(B_{n}\triangle B)\to 0. Prove que:

  1. (a)
    ​

    ℙ⁢(An)→ℙ⁢(A)\mathbb{P}(A_{n})\to\mathbb{P}(A) e ℙ⁢(Bn)→ℙ⁢(B)\mathbb{P}(B_{n})\to\mathbb{P}(B).

  2. (b)
    ​

    ℙ⁢(An∩Bn)→ℙ⁢(A∩B)\mathbb{P}(A_{n}\cap B_{n})\to\mathbb{P}(A\cap B).

  3. (c)
    ​

    ℙ⁢(A∩An)→ℙ⁢(A)\mathbb{P}(A\cap A_{n})\to\mathbb{P}(A).

  4. (d)
    ​

    Se A=BA=B, então ℙ⁢(An⁢△⁢Bn)→0\mathbb{P}(A_{n}\triangle B_{n})\to 0.

§13.3

3.

Prove que os eventos do Exemplo 13.14 são caudais com respeito à sequência (Xn)n(X_{n})_{n}.

4.

Dado 0<α<10<\alpha<1, dê um exemplo de uma sequência (Xn)n(X_{n})_{n} de variáveis aleatórias independentes tais que ℙ⁢(Xn=X1⁢i.v.)=α\mathbb{P}(X_{n}=X_{1}\ \text{i.v.})=\alpha. Dê também um exemplo em que as variáveis sejam i.i.d.

5.

Dê um exemplo de uma sequência de variáveis aleatórias (Xn)n(X_{n})_{n} e um evento AA, caudal com respeito à sequência (Xn)n(X_{n})_{n}, tais que ℙ⁢(A)∈(0,1)\mathbb{P}(A)\in(0,1).

6.

Forneça uma nova prova da Lei 0-1 de Kolmogorov utilizando o Teorema 12.45 e o Corolário 13.11.

§13.4

7.

Prove que os eventos do Exemplo 13.15 são simétricos com respeito à sequência (Xn)n(X_{n})_{n}.

8.

Sejam (Xn)n(X_{n})_{n} uma sequência de variáveis aleatórias e Sn=∑k=1nXkS_{n}=\sum_{k=1}^{n}X_{k} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}. Mostre que se AA é um evento caudal com respeito à sequência (Sn)n(S_{n})_{n}, então AA é um evento simétrico com respeito à sequência (Xn)n(X_{n})_{n}.

9.

Seja 𝒮\mathcal{S} a classe de todos os eventos simétricos com respeito às variáveis aleatórias (Xn)n(X_{n})_{n}. A classe 𝒮\mathcal{S} é uma σ\sigma-álgebra? Justifique.

10.

Sejam BB, BnB_{n} e B~n\tilde{B}_{n} tais que ℙ⁢(B⁢△⁢Bn)→0\mathbb{P}(B\triangle B_{n})\to 0 e ℙ⁢(B⁢△⁢B~n)→0\mathbb{P}(B\triangle\tilde{B}_{n})\to 0.

  1. (a)
    ​

    Mostre que B∪Bn∪Bn~⊆(B∩Bn∩Bn~)∪(B⁢△⁢Bn)∪(B⁢△⁢Bn~)B\cup B_{n}\cup\tilde{B_{n}}\subseteq(B\cap B_{n}\cap\tilde{B_{n}})\cup(B% \triangle B_{n})\cup(B\triangle\tilde{B_{n}}).

  2. (b)
    ​

    Mostre que ℙ⁢(Bn∩B~n)→ℙ⁢(B)⁢ e ⁢ℙ⁢(Bn)→ℙ⁢(B).\mathbb{P}(B_{n}\cap\tilde{B}_{n})\to\mathbb{P}(B)\text{ e }\mathbb{P}(B_{n})% \to\mathbb{P}(B).

§13.5

11.

Seja (Xn)n(X_{n})_{n} uma sequência de variáveis aleatórias independentes. Determine se ∑n=1∞Xn\sum_{n=1}^{\infty}X_{n} converge ou diverge quase certamente nos casos abaixo. Quando a resposta for converge quase certamente, determine o valor da soma se possível.

  1. (a)
    ​

    ℙ⁢(Xn=2−n)=ℙ⁢(Xn=0)=12\mathbb{P}(X_{n}=2^{-n})=\mathbb{P}(X_{n}=0)=\frac{1}{2} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}.

  2. (b)
    ​

    ℙ⁢(Xn=1)=1−ℙ⁢(Xn=0)=1n\mathbb{P}(X_{n}=1)=1-\mathbb{P}(X_{n}=0)=\frac{1}{n} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}.

  3. (c)
    ​

    ℙ⁢(|Xn|⩽1n2)⩾1−1n2\mathbb{P}(|X_{n}|\leqslant\frac{1}{n^{2}})\geqslant 1-\frac{1}{n^{2}} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}.

  4. (d)
    ​

    ℙ⁢(Xn=12n)=ℙ⁢(Xn=−12n)=12\mathbb{P}(X_{n}=\frac{1}{2^{n}})=\mathbb{P}(X_{n}=-\frac{1}{2^{n}})=\frac{1}{2} para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}.

12.

Seja (Zn)n(Z_{n})_{n} uma sequência de variáveis aleatórias independentes, com 𝔼⁢Zn=0\mathbb{E}Z_{n}=0 para todo n∈ℕn\in\mathbb{N}.

  1. (a)
    ​

    Mostre que ∑n=1∞𝔼⁢[Zn21+|Zn|]\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{E}\big{[}\frac{Z_{n}^{2}}{1+|Z_{n}|}\big{]} converge se, e somente se,

    ∑n=1∞𝔼⁢[Zn2⁢𝟙{|Zn|⩽1}+|Zn|⁢𝟙{|Zn|>1}]⁢converge.\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{E}\left[Z_{n}^{2}\mathds{1}_{\{|Z_{n}|\leqslant 1\}% }+|Z_{n}|\mathds{1}_{\{|Z_{n}|>1\}}\right]\ \text{converge}.
  2. (b)
    ​

    Mostre que, se ∑n=1∞𝔼⁢[Zn21+|Zn|]\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{E}\big{[}\frac{Z_{n}^{2}}{1+|Z_{n}|}\big{]} converge, então ∑n=1∞𝔼⁢Znc\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{E}Z^{c}_{n} e ∑n=1∞𝕍⁢Znc\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{V}Z^{c}_{n} convergem quando truncadas em c=1c=1.

  3. (c)
    ​

    Utilize o Teorema das Três Séries para concluir que, se ∑n=1∞𝔼⁢[Zn21+|Zn|]\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{E}\big{[}\frac{Z_{n}^{2}}{1+|Z_{n}|}\big{]} converge, então ∑n=1∞Zn\sum_{n=1}^{\infty}Z_{n} converge quase certamente.

13.

Dê um exemplo de uma sequência (Xn)n(X_{n})_{n} de variáveis aleatórias independentes e uma constante c>0c>0 tais que ∑n=1∞𝔼⁢Xnc\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{E}X^{c}_{n} e ∑n=1∞𝕍⁢Xnc\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{V}X^{c}_{n} convirjam, e ∑n=1∞ℙ⁢(|Xn|>c)\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{P}(|X_{n}|>c) divirja.

14.

Dê um exemplo de uma sequência (Xn)n(X_{n})_{n} de variáveis aleatórias independentes e uma constante c>0c>0 tais que ∑n=1∞ℙ⁢(|Xn|>c)\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{P}(|X_{n}|>c) e ∑n=1∞𝕍⁢Xnc\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{V}X^{c}_{n} convirjam, e ∑n=1∞𝔼⁢Xnc\sum_{n=1}^{\infty}\mathbb{E}X^{c}_{n} divirja.

15.

Seja (Xn)n(X_{n})_{n} uma sequência de variáveis aleatórias independentes com média zero. Suponha que existe c>0c>0 tal que ℙ⁢(|Xn|⩽c)=1\mathbb{P}(|X_{n}|\leqslant c)=1 para todo nn, e que 𝔼⁢Sn2→+∞\mathbb{E}S_{n}^{2}\to+\infty, onde Sn=∑k=1nXkS_{n}=\sum_{k=1}^{n}X_{k}. Mostre que lim supnSn2𝔼⁢Sn2⩾1\limsup_{n}\frac{S_{n}^{2}}{\mathbb{E}S_{n}^{2}}\geqslant 1 q.c.