Convergence L2 d'une variable aléatoire

Bonjour,

J'ai une suite i.i.d. de variables aléatoires $X_i$ qui prennent les valeurs $1$ ou $-1$ avec probabilité $\dfrac{1}{2}$. On pose $S_n = \sum \limits_{k=1}^n \dfrac{X_k}{k}$. On montre d'abord que $S_n$ est bornée dans $L_2$. En l'occurrence, on peut même prouver (je crois) que la norme $L_2$ de $S_n$ tend vers $\dfrac{\pi^2}{6}$.

On me demande de montrer que $S_n$ converge dans $L_2$. J'ai l'intuition que $S_n$ converge vers une loi normale centrée de variance $\dfrac{\pi^2}{6}$ (ce vers quoi converge $S_n$ est d'espérance nulle ou tendant vers $0$, on a une parfaite symmétrie de la variable vers laquelle tend $S_n$ et quand $n\to\infty$ $S_n$ peut prendre n'importe quelle valeur théoriquement). J'aimerais utiliser le fait que $S_n$ est "presque" une espérance empirique (très grossièrement puisque chaque nouveau terme contribue moins à la variance que le précédent, mais lorsque $n$ devient grand ils contribuent presque autant à l'espérance empirique) et sans doute des équivalents avec la loi des grands nombres ou le TLC pour conclure.

Est-ce que je dis n'importe quoi ? Et si ça se tient, comment aller plus loin ? Peut-être que l'intuition est bonne mais qu'il y a beaucoup plus simple ou une autre direction plus viable ?

Toute suggestion est la bienvenue (si possible je ne veux pas la réponse svp c'est pour un DM et j'ai envie de le faire par moi-même !) !

Réponses

  • Bonjour,
    Tu as l'air de t'être trompé en écrivant la définition de $S_n$.
  • Merci, je corrige tout de suite. Il s'agissait de $S_n = \sum \limits_{k=1}^n \dfrac{X_k}{k}$.
  • Est-ce que tu connais la propriété de sommabilité classique dans les espaces de Hilbert, ou au moins la complétude de $L^2$ ? On peut s'en sortir avec ça.
  • La suite $(S_n)$ converge en effet au sens $L^2 $ puisque $\sum_{k=n}^{\infty}\frac{1}{k^2}\to _{n\to \infty} 0$, elle converge en loi vers $S$ de transformee de Fourier $\prod_{k=1}^{\infty}\cos (t/k)$ mais ton intuition te trompe en pensant que $S$ suit une loi normale, puisque sa TF de Fourier a beaucoup trop de zeros.


    Il y a en probabilites une loi des types purs due je crois a Paul Levy et rarement decrite (elle l'est dans le livre de Leo Breiman' Probability publie dans les annees1970 chez Addison Wesley). Elle dit que si on somme une infinite de va discretes independantes, alors la loi de la somme est ou purement atomique, ou purement absolument continue, ou purement singuliere. Il se pourrait bien qu'on soit ici dans le dernier cas, mais je n'y ai pas reflechi.
  • Merci pour vos réponses. La question étant après relecture : "justifier que la variable converge dans $L_2$ vers une variable $S$ dont il faut donner variance et espérance", j'imagine qu'il suffit de trouver un argument théorique pour justifier la convergence de $S_n$ dans $L_2$ (je n'ai pas compris pourquoi il suffisait de justifier que $\sum \limits_{k=n}^{\infty} \dfrac{1}{k^2}$ tendait vers 0 ?) puis utiliser des méthodes "indirectes" pour déterminer la variance et l'espérance de $S$, sans pour autant déterminer exactement la variable vers laquelle $S_n$ converge.
  • Edit : J'ai raconté n'importe quoi, désolé ...
  • Edit : Je répondais à Chalk, mais il a effacé son message.
  • Ah oui désolé, par principe je n'efface mes bêtises que si personne n'a répondu, sinon je les laisse et je les raye :D

    En gros je disais que la série des normes $L^2$ convergeait ce qui est faux (et au passage ça aurait prouvé que la suite des v.a. $1/k$ converge dans $L^2$ ce qui est faux aussi).
  • @LewisK as-tu remarqué que la famille $(X_i)_{\N}$ est orthonormée ?
  • Merci raoul, du coup j'ai saisi l'argument de P, le reste de la série $S_n$ converge vers $0$ dans $L^2$, car la norme du reste converge vers $0$ en vertu de Pythagore (la norme au carré du reste vaut la somme des carrés des normes qui est le reste de la série des $1/k^2$).

    @Calli : comment tu t'en sors sans Pythagore, juste avec la complétude ? (c'est là que je m'étais raté).
  • C'est bizarre ce que tu dis Chalk ; on ne peut pas justifier la convergence d'une série en disant que son reste tend vers 0 puisqu'il faut déjà avoir la convergence pour que le reste soit bien défini. Ou alors j'ai mal compris.

    Moi aussi j'utilise Pythagore (ou l'additivité de la variance dans le cas de variables indépendantes, ce qui revient au même).
  • Pour rebondir sur le message de P., une simulation de $10^5$ valeurs de $S_n$ avec $n=10^5$ donne l'histogramme suivant. Cela suggère une loi diffuse (peut-être même absolument continue?)

    Edit: amélioration de l'image115388
  • Notons $S$ la limite de $(S_n)$ dans $L^2$. Soient $a,b>0$ tels que : $\forall x\in{]-b,b[}, 0<\cos(x) \leqslant 1-ax^2$. Alors on a : $\forall \xi\in\Bbb R,$ $$|\varphi_S(\xi)|
    = \left|\, \prod_{k=1}^{\infty}\cos \Big({\frac\xi k}\Big)\right|
    \leqslant \prod_{k\in\Bbb N, |\xi/k|<b}\Big(1-a\frac{\xi^2}{k^2}\Big)
    \leqslant \exp\Big( - \sum_{k>|\xi|/b}a \frac{\xi^2}{k^2}\Big)
    \leqslant \exp\Big(-C\xi^2 \Big({\frac{|\xi|}{b}}\Big)^{-1} \Big)
    = \exp(-C'|\xi|)$$
    avec $C,C'>0$ des constantes indépendantes de $\xi$. Donc $\varphi_S\in L^1$. Et comme la transformée de Fourier inverse d'une fonction intégrable est une fonction continue, $S$ possède une densité continue par rapport à la mesure de Lebesgue. Et cette densité est même ${\cal C}^\infty$ puisque $\varphi_S$ est à décroissance rapide.
  • @Calli: Super!! (tu)
  • Calli a écrit:
    C'est bizarre ce que tu dis Chalk ; on ne peut pas justifier la convergence d'une série en disant que son reste tend vers 0 puisqu'il faut déjà avoir la convergence pour que le reste soit bien défini. Ou alors j'ai mal compris.

    J'ai en effet abusé, décidément ... Mais on peut appliquer le critère de Cauchy, et ça revient au même argument.
  • Voici une approximation de la densité de $S$ basée sur un calcul de la répartition de $S_{26}$.115408
  • Bravo pour la densite, Calli.
  • En pièce jointe un article de Byron Schmuland qui étudie la variable aléatoire limite $\displaystyle \sum_{n=1}^{+\infty} \dfrac{X_n}{n}$ avec pas mal de choses intéressantes. Il y montre notamment que c'est une variable aléatoire à densité et que si on note $f$ une densité, on a quasiment (mais pas tout à fait !) $f(0) = \dfrac{1}{4}$ et $f(2) = \dfrac{1}{8}$.
  • Merci Guego. Un moyen immediat qu'il donne pour montrer que la densite de $S$ existe est le fait que $$U=\sum_{k=0}^{\infty}\frac{X_{2^k}}{2^k}$$ est uniforme sur $[-2,2].$ Comme $S=U+V$ avec $U$ et $V$ independantes et que $U$ a une densite alors $S$ a une densite.
  • Merci à tous pour vos réponses. Elles dépassent largement ce qui est attendu dans mon exercice, et aussi (et surtout) largement mes connaissances et le cadre de mon cours, mais elles m'aident à mieux comprendre.

    Cependant quelque chose m'intrigue : certains d'entre vous (ou alors j'ai mal compris) ont commencé à justifier que la variable $S_n$ convergeait dans $L_2$ avant même de trouver la variable "limite" $S$ vers laquelle tend $S_n$. J'ai du mal à me représenter comment on peut justifier qu'une suite de variable aléatoire converge dans $L_2$ par des arguments "théoriques" : par exemple, a-t-on un argument comparable à "une suite de variable aléatoire est bornée + croissante donc elle converge" (il faudrait définir la croissance d'une suite de VA..) ?

    C'est peut-être là qu'intervient le fait que l'espace $L_2$ est complet ? (ce à quoi tu faisais référence @Calli)
  • Oui, on utilise le théorème de Pythagore pour montrer que la suite $(S_n)$ est de Cauchy (aucune limite n'intervient là car on compare juste des $S_n$ et $S_m$ entre eux). Donc par complétude $(S_n)$ possède une limite, mais on ne la connais pas explicitement.
  • Entendu, je vais creuser de ce côté là. Merci aussi à @raoul.S pour m'avoir signalé que les variables étaient orthonormées ! Merci à tous les autres pour votre réactivité une fois de plus !
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