林德伯格-費勒中央極限定理(the Lindeberg-Feller CLT)
/ LIN-de-berg FEL-er /
經典中央極限定理假設被加項同分布——每一項都從同一個律抽出。但真實的和常常混合不同的片段:大小不一的誤差、來自不同來源的貢獻。這樣一個由獨立但「非」同分布片段組成的和,何時仍能在極限上呈常態?林德伯格-費勒定理給出決定性的答案,用一個對被加項的彈性條件,取代僵硬的「同分布」假設。
用三角陣列來設定:對每個 n,你有獨立的項 X_{n,1}, ..., X_{n,n},均值為 0,變異數加起來為 s_n^2。林德伯格條件要求:標準化後,沒有任何單一項從其大值貢獻出總變異數中不消失的份額:對每個 epsilon,當 n 增大時,對 k 求和 E[ X_{n,k}^2 * (|X_{n,k}| > epsilon*s_n 的指示) ] / s_n^2 趨近 0。白話說:每一片相對於整體都必須一致地小,於是鐘形是從許多旗鼓相當的貢獻中浮現,而非來自單一的主宰尖峰。若此條件成立,標準化的和依分布收斂到標準常態——不需要同分布假設。
費勒的貢獻讓它變得緊,這正是漂亮之處:在一個溫和的「無主宰項」一致小假設下,林德伯格條件不僅充分,更是常態極限的「必要」條件。所以這實質上是「獨立被加項何時聚合成鐘形」的完整刻畫。誠實的結論:常態恰好是極限,當且僅當沒有任何單一項獨佔變異數。若有一項主宰——它的變異數相對於總和不縮小——極限就可能非常態,CLT 的故事便破了。
把來自不同精度儀器的獨立量測相加:第 k 項是 Normal(0, sigma_k^2),各 sigma_k 不同。只要沒有任何單一 sigma_k^2 一直佔著總和 s_n^2 的固定比例(沒有儀器主宰),林德伯格條件就成立,標準化的總和仍漸近於標準常態——片段大小不一,鐘形依舊。
非同分布的獨立片段仍給出常態極限——前提是沒有任何單一片段主宰變異數。
常態極限成立的充要情形是:沒有任何單一項主宰總變異數(林德伯格條件)。若有一項獨佔變異數,極限不必是常態。