9.4 Teorema do Limite Central de Lindeberg
Nesta seção provaremos a versão mais geral do Teorema do Limite Central no contexto de sequências de variáveis independentes, o chamado Teorema de Lindeberg.
Ao longo desta seção, sempre vamos supor que é sequência de variáveis aleatórias definidas em um mesmo espaço de probabilidade, para cada denotamos , , , e assumiremos que .
Dizemos que a sequência de variáveis aleatórias satisfaz à condição de Lindeberg se
para todo .
Agora estamos prontos para enunciar o Teorema de Lindeberg.
Seja uma sequência de variáveis aleatórias independentes. Se a condição de Lindeberg é satisfeita, então
Ao final desta seção, enunciaremos uma versão mais geral, em que as variáveis que compõem serão denotadas , porque podem ser diferentes para cada .
Basta verificar que, no caso i.i.d. com segundo momento finito, a condição de Lindeberg é satisfeita. Escrevemos e , assim . Usando o Teorema da Convergência Dominada,
pois quando . ∎
Para o Teorema do Limite Central de Lyapunov, obtemos a versão abaixo que é mais geral do que aquela provada na Seção 9.3.
Seja uma sequência de variáveis aleatórias independentes. Se existe tal que
então
Observe que
para todo e, portanto, vale a condição de Lindeberg. ∎
Apesar de ser mais simples de ser verificada na prática, a condição de Lyapunov é mais restritiva que a de Lindeberg, como vemos no seguinte exemplo.
Seja uma sequência de variáveis aleatórias i.i.d. com distribuição comum para todo , onde é a constante tal que . Podemos verificar que , logo a sequência satisfaz à condição de Lindeberg conforme visto na demonstração do Teorema 9.1. Por outro lado, para todo e, portanto, a condição de Lyapunov nunca é satisfeita. ∎
A condição de Lindeberg é uma forma de quantificar a ideia de que a contribuição de cada parcela na soma é pequena quando se torna grande. Mais precisamente, ela diz que as contribuições para a esperança do desvio quadrático, mesmo quando somadas, provêm de desvios relativamente pequenos se comparados com o desvio-padrão de . A proposição abaixo diz que, neste caso, a contribuição de cada parcela na variância de é desprezível.
Seja uma sequência de variáveis aleatórias satisfazendo à condição de Lindeberg. Então, .
Omitimos a prova, pois será um caso particular da Proposição 9.15.
O exemplo acima ilustra que a condição de Lindeberg não é necessária para que valha a conclusão do Teorema do Limite Central. O Teorema de Feller, que enunciaremos abaixo sem prova, diz que esse tipo de exemplo somente pode ocorrer quando é responsável por uma fração não-desprezível de . A prova desse teorema encontra-se na Seção III.4 de [SHI96] ou na Seção XV.6 de [FEL71].
Seja uma sequência de variáveis aleatórias independentes. Se e quando , então a condição de Lindeberg é satisfeita.
Concluímos esta seção com a versão do Teorema de Lindeberg para arranjos triangulares de variáveis aleatórias. Para isso, a partir de agora consideremos uma família de variáveis aleatórias da forma . Definimos , , e .
Dizemos que o arranjo satisfaz à condição de Lindeberg se
para todo .
Observe que, dada uma sequência de variáveis aleatórias satisfazendo à condição de Lindeberg para sequências, definida no início desta seção, podemos definir a família por , e esse arranjo satisfará à condição de Lindeberg para arranjos triangulares, definida logo acima. Assim, o Teorema 9.9 é corolário desse que enunciaremos e provaremos mais abaixo. Para isso, vamos precisar da seguinte generalização da Proposição 9.12.
Seja um arranjo triangular de variáveis aleatórias satisfazendo à condição de Lindeberg. Então,
Defina para . Dado qualquer ,
Como a condição de Lindeberg é satisfeita,
o que conclui a prova dessa proposição. ∎
Seja um arranjo triangular de variáveis aleatórias independentes. Se a condição de Lindeberg é satisfeita, então
Sem perda de generalidade, podemos supor que e para todos e . Queremos mostrar que . Pelo Teorema de Helly-Bray, é suficiente mostrar que , para toda função tal que e são contínuas e limitadas, onde . Fixe com tais propriedades.
Seja um arranjo triangular de variáveis aleatórias independentes entre si, independentes de e tais que . Tomando um espaço produto, podemos supor que todas essas variáveis estão definidas no mesmo espaço de probabilidade que . Observe que, para todo ,
donde
Fixado , para cada , defina a variável
e observe que e . Observando também que , obtemos
A ideia é mostrar que, ao trocarmos as variáveis da sequência pelas de , uma de cada vez para , a distância entre e será pequena, mesmo depois de somar sobre .
Defina como
Pela Fórmula de Taylor com resto de Lagrange de terceira ordem,
para algum . Como é limitada, existe constante , tal que para todo .
Agora, pela fórmula de Taylor com resto de Lagrange de segunda ordem,
para algum . Novamente, como é limitada, existe uma outra constante tal que para todo . Essa cota é melhor que a anterior quando não é muito pequeno.
Por outro lado, a partir da definição de , podemos verificar que
Aplicando à diferença das esperanças que queremos estimar, usaremos as cotas acima com , , e . Da desigualdade acima,
Observe que é independente de e . Como , as parcelas envolvendo e na estimativa acima são nulas. Portanto,
Dessa forma, para concluir a demonstração basta mostrar que
Comecemos pelo primeiro limite. Seja . Vamos estimar separando valores de pequenos dos demais:
Na primeira desigualdade, utilizamos a cota para a primeira integral e para a segunda. Somando em , tomando o limite e usando a condição de Lindeberg, obtemos
Como a desigualdade acima é válida para todo ,
Para a estimativa do segundo limite, com no lugar de , procedemos de modo idêntico e obtemos
Apesar de não sabermos de antemão se satisfaz à condição de Lindeberg, podemos fazer a seguinte estimativa
pois como vale a condição de Lindeberg para , podemos evocar a Proposição 9.15. Isto mostra que
o que conclui a prova do Teorema de Lindeberg. ∎