Beweisarchiv: Stochastik: Wahrscheinlichkeitstheorie: Satz von Moivre-Laplace

Beweisarchiv: Stochastik

Statistik: Arithmetisches Mittel zweier Zahlen · Eindeutigkeit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate
Wahrscheinlichkeitstheorie: Bernstein-Ungleichung · Satz von Moivre-Laplace · Approximationssatz von Stone-Weierstrass
Kombinatorik: Kombinatorische Eigenschaft des Binomialkoeffizienten


Satz von Moivre-Laplace

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Sei   eine Folge bernoulli-verteilter Zufallsvariablen und deren Summe   binomialverteilt mit Parametern  ,   und  . Dann gilt:

(1)  


(2)   für alle   mit  

Korollar

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Sei   definiert durch

  für alle  

und sei   und   zweimal stetig differenzierbar. Dann gilt

  •     (Trapez-Regel)
  •    

Hinweise:

  bezeichnet die Abrundungsfunktion, mit der Eigenschaft   für alle  .
Es ist   für alle  .
  • Die Aussage folgt durch zweimaliges partielles Integrieren, wobei   und   sowie  .


 


  • Da   periodisch ist, übertragen sich die obigen Eigenschaften von   auf  .
 
 

Stirlingformel

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Definition

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Nach Gauß lässt sich die Gammafunktion   für alle   und alle   durch eine Produktdarstellung definieren

 .

Bemerkungen:

  • Es gilt  .
  • Die Stirlingformel lautet  
  • Nachfolgend wird das Näherungszeichen " " verwendet, wenn eine Approximation durchgeführt wird. Ein Gleichheitszeichen " " wird gesetzt, wenn eine Umformung erfolgt.

Satz (Stirling-Formel und Gammafunktion)

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In der Halbebene   gilt

 .

Dabei ist   der Hauptzweig des Logarithmus (der reell ist für positive reelle  ) und ebenso ist   reell für positive reelle  .

Nach Gauß ist

 

also

 


Die Anwendung des Korollars ergibt für ein festes und beliebiges   mit   und nach Umformung   und somit


 


Wegen   ergibt sich   und wegen   ist die Näherung   zulässig. Unter Auslassung des Fehlerterms   der Approximation folgt


 


Partielle Integration liefert  . Da die Integrationskonstante o.B.d.A. gewählt werden kann, sei   und damit


 


Es wird ein indirekter Beweis mit der Stirling-Formel  ,   und   durchgeführt, wobei   ist und damit


 


Nun ist   und für festes   und grosses   gilt  . Unter Auslassung des Fehlerterms   erhalten wir mit  


 
 

An dieser Stelle sei erwähnt, dass diese Näherung für   mit einem relativen Fehler von kleiner als   behaftet ist.

Für die weitere Beweisführung seien folgende Umformungen angegeben:

 


und wegen   folgt


 

Beweis (1)

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Der Beweis wird in zwei Schritten durchgeführt.

Schritt 1

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Zunächst wird gezeigt:

 

Dazu werden mit Hilfe der Stirlingformel die Fakultäten ersetzt, also folgende Näherungen vorgenommen:

  •  
  •  
  •  

Damit lässt sich die Binomialverteilung wie folgt ausdrücken:

 

Schritt 2

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Mit der Näherung   und der Taylorapproximation wird gezeigt:

 


Für hinreichend großes   kann die Näherung   verwendet werden, woraus unmittelbar folgt  .


Damit erhalten wir die gewünschte Darstellung und formen die beiden Potenzen in exponentielle Faktoren um, so dass:


 


Um die Asymptotik der beiden exponentiellen Faktoren zu erhalten, bilden wir die Taylorapproximation in der Annäherung durch die Schmiegparabel. Wir erhalten mit   für die Funktionen   und  , um den Entwicklungspunkt  , folgende Schmiegparabeln:

 

und

 

Bemerkungen: zu beachten ist   und der Fehler dieser Näherung wird durch das Integralrestglied   bzw.   repräsentiert.

Die Zusammenfassung beider Taylorapproximationen liefert dann mit   und unter Auslassung der Restglieder:  


Insgesamt ergibt sich mit den unterschiedlichen Näherungen die Eingangs zitierte Aussage:

 
 

Beweis (2)

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Gezeigt wird, dass aus dem lokalen Grenzwertsatz im Limes   und der Riemann-Summe folgt:

  für alle   mit  

Schritt 1

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Zunächst folgt mit dem lokalen Grenzwertsatz:

 

wobei  .

Setzen wir nun   so ergibt sich:

 

und im Limes   folgt:

 

Und daher gilt im Limes  :

 

Schritt 2

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Im Folgenden wird für die Riemann-Summe die Integraldarstellung gezeigt:

 

Wir bilden ein äquidistantes Gitter   der Maschenweite   und können somit die Riemann-Summe in ein Riemannintegral überführen:

 

Unter Verwendung der Ergebnisse aus Schritt 1 und Schritt 2 folgt die eingangs formulierte Behauptung:

  für alle   mit  
 

Wikipedia-Verweis

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