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iff

Pregunta: $X_n$'s son i.yo.dentonces $$E\Bigl(\sup_{n\geq 1} \frac{|X_n|}{n}\Bigr)<\infty \iff E\Bigl(|X_1|\log ({1+|X_1|)}\Bigr)<\infty$$

Mi intento: para $\Rightarrow$ parte, debido a $\limsup \frac{|X_n|}{n} \leq \sup_{n\geq 1} \frac{|X_n|}{n}$.s. desde que llego $\limsup \frac{|X_n|}{n} < \infty$.s. lo que implica $X_1 \in L_1$. Pero la pregunta dice algo más fuerte.

Motivación:

(1) $$0<p<1 \hspace{10pt} \text{then}\hspace{10pt} E\Bigl(\sup_{n\geq 1} \frac{|X_n|}{n^{1/p}}\Bigr)<\infty \iff X_1 \in L_1$$

(2)

$$1<p<\infty \hspace{10pt} \text{then}\hspace{10pt} E\Bigl(\sup_{n\geq 1} \frac{|X_n|}{n^{1/p}}\Bigr)<\infty \iff X_1 \in L_p$$

Estos dos problemas que he sido capaz de resolver, pero luego vi un comentario diciendo "qué pasa con el caso de $p=1$? Aunque es muy complicada para mostrar, resulta que...". He intentado mucho pero no podía descifrarlo. Cualquier idea/sugerencia/ayuda? Gracias,

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d.k.o. Puntos 4022

$(\Leftarrow)$ Deje $S_n=\sum_{k\le n}X_k$. A continuación, $n^{-1}S_n$ es una inversión de la MTG y el uso de la Doob máxima desigualdad

$$\mathbb{E}\sup_{n}\frac{|X_n|}{n}\le 2\mathbb{E}\sup_{n}\frac{|S_n|}{n}$$ $$\le \frac{2e}{e-1}(1+\mathbb{E}|X_1|\ln^+|X_1|)\le \frac{2e}{e-1}(1+\mathbb{E}|X_1|\ln(1+|X_1|))<\infty$$

donde $\ln^+(\cdot)=\ln(\cdot)\vee 0$.

($\Rightarrow$) Deje $Y_n=1+|X_n|$. A continuación,$Y_n\ge 1$.s., $\mathbb{E}\sup_n\frac{Y_n}{n}<\infty$ y

$$\mathbb{E}|X_1|\ln(1+|X_1|)=\mathbb{E}Y_1\ln(Y_1)-\mathbb{E}\ln(Y_1)$$

El segundo término es finito porque $\mathbb{E}Y_1<\infty$ y

$$(*)\text{ }\mathbb{E}Y_1\ln(Y_1)=\int_1^\infty(\ln(y)+1)P\{Y_1>y\}dy$$ $$=\int_1^{\infty}\ln(y)P\{Y_1>y\}dy+[\mathbb{E}Y_1-1]$$

El segundo término de $(*)$ es finito. Deje $K\in\mathbb{N}$ ser tal que $Y_1\ge K-1$.s. y $P\{Y_1<K\}>0$. A continuación,$\sup_n \frac{Y_n}{n}\ge K-1$.s. y el primer término es también finito porque

$$\infty>\mathbb{E}\sup_n\frac{Y_n}{n}\ge \sum_{k=1}^\infty P\left\{\sup_n\frac{Y_n}{n}\ge k\right\}$$ $$=(K-1)+\sum_{k=K}^\infty P\left\{\sup_n\frac{Y_n}{n}\ge k\right\}\ge^1 (K-1)+C_K\sum_{k=K}^\infty\sum_{n=1}^\infty P\{Y_1\ge nk\}$$

(donde $C_K=\prod_{k=K}^\infty P\{Y_1\le k\}>0$)

y

$$(**)\text{ }\sum_{k=1}^\infty\sum_{n=1}^\infty P\{Y_1\ge nk\}<^2\infty \Leftrightarrow \int_1^{\infty}\ln(y)P\{Y_1>y\}dy <\infty$$

La RHS de $(**)$ converge iff

$$\int_1^\infty\int_1^\infty P\{Y_1>xy\}dxdy <\infty$$

Mediante el cambio de variables $u=x$, $v=xy$ el último se convierte en

$$\int_1^\infty\int_1^v\frac{1}{u}P\{Y_1>v\}dudv=\int_1^\infty \ln(v)P\{Y_1>v\}dv $$

que es el lado izquierdo de $(**)$.


$^1$ $k\ge K$

$$P\left\{\sup_n\frac{Y_n}{n}>k\right\}=\sum_{n=1}^\infty P\left\{\left\{\bigcap_{1\le i<n}Y_i\le ik\right\} \cap Y_{n}>nk\right\}$$ $$=\sum_{n=1}^\infty \prod_{i=1}^{n-1}P\{Y_1\le ik\}P\{Y_1> nk\}\ge C_K\sum_{n=1}^\infty P\{Y_1>nk\}$$


$^2$

$$\sum_{k=1}^\infty\sum_{n=1}^\infty P\{Y_1\ge nk\}\le (K-1)\sum_{n=1}^\infty P\{Y_1\ge n\}+\sum_{k=K}^\infty\sum_{n=1}^\infty P\{Y_1\ge nk\}$$

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