独立同分布随机变量上极限证明求助
各位大佬好!我现在被一道概率题难住了,想请大家帮忙指点一下!题目和我目前的推导思路如下:
题目背景
设$X_1,X_2,...$是独立同分布(iid)的随机变量,其概率密度函数(PDF)为:
$$f_{X_n}(t)=\frac{1}{t^2}\mathbb 1_{t\geq1}$$
其中$\mathbb 1_{t\geq1}$是指示函数,当$t\geq1$时取1,否则取0。
问题A:计算$\mathbb E(X_n)$和$\mathbb P(X_n>s)$
我自己先算了这部分,过程和结果如下:
- 期望计算:
$$\mathbb E(X)=\int_1\infty\frac{t}{t2}dt=\int_1^\infty\frac{1}{t}dt=\infty$$
也就是期望是发散到无穷大的。 - 概率$\mathbb P(X_n>s)$:
$$\mathbb P(X>s)=1-\int_1s\frac{1}{t2}dt=1 - \left(-\frac{1}{t}\bigg|_1^s\right)=1-(1-\frac{1}{s})=\frac{1}{s}$$
这部分应该没问题吧?
问题B:证明$\lim_{n\rightarrow\infty}\sup\frac{X_n}{n}=\infty$
这部分我推导到一半卡住了,目前的思路是:
首先计算事件${\frac{X_n}{n}>s}$的概率:
$$\mathbb P(\frac{X_n}{n}>s)=\mathbb P(X_n>ns)=\frac{1}{ns}$$
把这个事件记为$A_n={X_n>ns}$。因为$X_n$是独立同分布的,所以$A_n$也是独立事件,我想着用Borel-Cantelli引理第二部分来做,先算级数和:
$$\sum_{n=1}^\infty\mathbb P(A_n)=\sum_{n=1}\infty\frac{1}{ns}=\frac{1}{s}\sum_{n=1}\infty\frac{1}{n}$$
这个调和级数是发散的,对吧?那根据Borel-Cantelli引理2,独立事件的概率和发散的话,事件发生无穷多次的概率是1,也就是$\mathbb P(A_n \text{ 无穷多次发生})=1$。
如果这个结论成立,那对于任意给定的$s>0$,总有无穷多个n使得$\frac{X_n}{n}>s$,这不就意味着$\sup_{n\rightarrow\infty}\frac{X_n}{n}$可以大于任意大的s,所以上极限就是无穷大?
不过我有点不确定,是不是哪里考虑漏了?比如引理的应用条件有没有完全满足?或者推导过程中有没有逻辑漏洞?麻烦各位大佬帮我看看!
备注:内容来源于stack exchange,提问作者LostInProbabilities

