Convergence en probabilité des séries

Bonjour, je désire prouver le théorème classique suivant.

Soit $(X_n)_n$ une suite de v.a.r. indépendantes. Prouver que si $\sum_nX_n$ converge en loi alors elle converge en probabilité.

Comment commencer alors la preuve ?? (La limite de la convergence en probabilité est inconnue, alors j'ai pensé au critère de Cauchy en probabilité).
Merci d'avance.

Réponses

  • Un petit up, parce que je trouve la question intéressante (je ne connaissais pas ce théorème) et après quelques essais je n'ai rien trouvé de probant.
  • Ce théorème est connu sous le nom de théorème de convergence de Lévy (et établit l'équivalence entre CV en proba, en loi et pp des séries de VA indépendantes). On peut trouver une preuve ici http://li.perso.math.cnrs.fr/textes/Proba/PROBA03.pdf qui utilise des inégalités de troncature et le théorème des trois séries de Kolmogorov (Th. 6.4 p41 et Th 3.15 p23).
  • Ok, j'avais peu de chance de trouver :-D

    Merci beaucoup !
  • Je vois plutôt ce résultat comme une étape de la preuve du théorème des trois séries.
    L'étape clef est d'avoir une inégalité maximale.
    Voir par exemple Garet-Kurtzmann, chap 14 (page 343 pour la première édition).
  • on n'a pas besoin des inégalités maximales pour vérifier le résultat!!!
  • Ce qui concerne les autres théorèmes, je suis d'accord (inégalité maximale de Kolmogorov, Kolmogorov renversée, d'Etémady)
  • Merci aléa, mais ton théorème 14.2.3 établit l'équivalence entre converge p.s. et convergence en probabilité. Où fais-tu l'équivalence avec la convergence en loi ?
  • Après réflexions, je pense que ce doit être plus simple que tout ce qui a été évoqué dans ce fil, et l'idée de passer par Cauchy en probabilité me paraît bonne.

    Je note $S_n$ la somme partielle, $S$ la limite en loi.

    Supposons que $S_n$ n'est pas une suite de Cauchy en probabilité. Alors il existe $\epsilon > 0$ et deux suites extraites $a_n$ et $b_n$ avec $a_n > b_n$, tels que $\mathbb P(|S_{a_n} - S_{b_n}| > \epsilon) > \epsilon$. Donc la suite $T_n = S_{a_n}-S_{b_n}$ ne converge pas en probabilité vers $0$.

    Les variables $S_{a_n} - S_{b_n}$ et $S_{b_n}$ sont indépendantes, donc $\phi_{S_{a_n}}(t) = \phi_{T_n}(t)\phi_{S_{b_n}}(t)$. Pour tout $t$ tel que $\phi_S(t) \neq 0$, on a $\phi_{T_n}(t) \to 1$ (car $\phi_{S_{a_n}}$ et $\phi_{S_{b_n}}$ convergent vers $\phi_S$). Il faudrait arriver à montrer cela pour tout $t$.

    Si tel est le cas, alors cela prouverait que $T_n$ converge vers $0$ en loi, et comme la limite est constante elle converge aussi en probabilité vers $0$, ce qui est absurde.

    Je bloque sur le cas où $\phi_{S}(t)$ est nul ... En fait je cherche à démontrer qu'une série de variables indépendantes qui converge en loi a son "reste de Cauchy" qui converge vers $0$ en loi.
  • @skyffer3: désolé, j'avais mal lu.
  • La démonstration est faite dans le livre de Revuz, Probabilités, p.156. L’idée est effectivement (cf message de Skyffer) de travailler avec la fonction caractéristique pour prouver que $(S_n)$ est de Cauchy en probabilité.
  • Merci rebellin. Ne disposant pas de cette référence, te serait-il possible de mettre ici la preuve, ou bien d'indiquer comment ils contournent la difficulté que j'évoque dans mon message pour prouver la convergence de $\phi_{T_n}(t)$ vers $1$ pour tout $t$ ?
  • Salut, en cherchant j'ai trouvé sur le courriel suivant une méthode pour résoudre le problème:
    https://www.math.nyu.edu/~varadhan/course/PROB.ch3.pdf

    (exercice 10)

    En fait j'ai trouvé plusieurs façon pour vérifier la convergence en probabilité :
    1) Soit par l'absurde comme vous avez fait :
    https://www.lama.univ-savoie.fr/pagesmembres/briand/MATH703/M1_cours.pdf

    (page 64) où il utilise le resultat de l'exercice 10 précédent (je n'ai pas réussi à le résoudre, i.e. le passage du voisinage de 0 à tout réel).

    2) Soit directement
    http://matheron.perso.math.cnrs.fr/enseignement_fichiers/16-17/Probas/Feuille6.pdf

    exercice 43, qui utilise le résultat de l'exercice 42 et qui est prouvé d'une autre façon en utilisant l'inégalité de l'exercice 41.

    On pourra aussi consulter

    https://www.lama.univ-savoie.fr/pagesmembres/lecot/data/M1_Proba.pdf

    page 63

    Pour moi je préfère de vérifier le résultat en utilisant l'exercice 10:
    https://www.math.nyu.edu/~varadhan/course/PROB.ch3.pdf

    J'attends vos indications!!
  • L'exercice 10 est effectivement exactement le passage qui résout mon problème ! Je ne connaissais pas du tout ce résultat, et l'approche de ton lien 1) suit donc exactement mon approche en montrant bien la convergence pour tout $t$ vers $1$ de la fonction caractéristique, ils résolvent l'exercice 10 justement (ils doublent l'intervalle de convergence, et on peut itérer indéfiniment). Quel est donc ton souci exactement ?

    En tout cas merci pour ces liens (tu)

    Edit : $1-\cos(2x) \leq 4(1-\cos(x))$ ce qu'on remarque en remplaçant $\cos(2x) = 2\cos(x)^2-1$ puis trinôme du second degré.
  • La preuve de Revuz ressemble beaucoup à celle de l'ex 43 cité par matheuxpro. La voici :

    Soit $S$ la limite en loi de $S_n=\sum\limits_{1}^n X_k$ et choisissons $a>0$ tel que $\left|\phi_S\right|\geq b>0$ sur $\left[-a;a\right].$ Du fait que $\phi_{S_n}$ tend simplement vers $\phi_S,$ il résulte que $\phi_{S_n-S_m}$ tend vers 1 sur $\left[-a;a\right]$ lorsque $n$ et $m$ tendent vers l'infini.

    Soit $h$ la fonction définie sur $\mathbb{R}$ par $h(0)=0$ et $h(x)=1-(\sin ax/ax)$ pour $x\not=0.$ Cette fonction est paire, strictement positive en dehors de 0 et tend vers 1 à l'infini. On a
    \begin{align*}\mathrm{E}\left[h\left(\left|S_n-S_m\right|\right)\right]&=\int_{\mathbb{R}}\left(1-(\sin ax/ax)\right)\mathrm{dP}_{\left(S_n-S_m\right)}(x)\\
    &=(2a)^{-1}\int_{-a}^a \mathrm{d}z\int \left(1-\text{e}^{\text{i}zx}\right)\mathrm{dP}_{\left(S_n-S_m\right)}(x)\\
    &=(2a)^{-1}\int_{-a}^a \left(1-\phi_{S_n-S_m}(z)\right)\mathrm{d}z,\end{align*}

    expression qui tend vers $0$ lorsque $n$ et $m$ tendent vers l'infini, d'après ce qui a été dit plus haut.

    Pour $\delta>0,$ si on pose $\alpha(\delta)=\inf\left\{h(x),~x\geq \delta\right\},$ il en découle que
    $$\mathrm{P}\left[\left|S_n-S_m\right|\geq \delta\right]\leq \alpha(\delta)^{-1}\mathrm{E}\left[h\left(\left|S_n-S_m\right|\right)\right],$$ et la suite $\left(S_n\right)$ est donc de Cauchy en probabilité.
  • Merci rebellin !

    Il évite certes de démontrer la convergence de la fonction caractéristique vers $1$ sur tout $\mathbb R$, mais en échange ça complexifie pas mal le reste de la démo par rapport à "mon" approche.
  • @skyffer3, pouvez-vous s'il vous plait détailler cette itération??
  • Regarde l'inégalité page 65 (https://www.lama.univ-savoie.fr/pagesmembres/briand/MATH703/M1_cours.pdf), elle montre que si on a la convergence de $\mathcal{Re}(\phi_{T_n}(t))$ vers $1$ sur $]-c,c[$, on l'a aussi sur $]-2c,2c[$ (remplace $t$ par $t/2$). Et ainsi de suite (par récurrence si tu préfères), on a la convergence sur $]-4c,4c[$, $]-8c,8c[$, etc., donc sur tout $\R$.

    Mais bien sûr, la fonction caractéristique est bornée par $1$, donc si la partie réelle converge vers $1$ cela prouve que c'est la fonction caractéristique elle-même qui converge vers $1$.
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