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极值理论的研究在人类生活中具有非常重要的地位和作用,常用于预测一些极端随机现象和小概率事件.如今,由于极值理论的应用日益成熟、理论本身的发展以及经济金融领域频繁发生危机,对人类的生活和社会造成了重大影响,使得极值理论的价值和优越性进一步得以体现,逐步走向了金融风险管理领域.而且,极值统计量和它们的位置关系的研究作为极值理论研究的一部分,在极值分析中有着非常重要的作用,主要被应用在对环境和财经的数据处理分析中,当我们所研究的数据部分丢失时,应怎样选取数据确保这组数据达到我们预期的概率.类似的问题促使研究者们对极值顺序统计量位置的渐进分布进行深入研究.
对于平稳序列,文献[1]已经证明了最大值和其首次出现的位置在独立同分布的情况下渐近独立以及最大值的位置渐近服从均匀分布;文献[2]得到了在弱混合条件下,平稳序列的最大值与最小值位置的联合渐近分布;文献[3]讨论了平稳高斯向量序列最大值与最小值联合的几乎处处收敛;文献[4]讨论了高斯三角阵的最大值与最小值的密度函数的渐近性质.到目前为止,对于次最大值与次最小值的渐近性质尚未研究,因此,本文在已有研究的基础上对平稳序列的次最大值和它的位置的渐近性质以及次最大值和次最小值位置的渐近性质作进一步研究.
设{Xn}n≥1是严格的平稳序列,且存在实数列{an>0}n≥1和{bn},使得对于任意的x∈
$\mathbb{R}$ 有其中G表示非退化的分布函数.如果对每个τ>0,存在{un(τ)}n≥1使得
和
成立,那么就说{Xn}有极值指标θ,0<θ≤1,因此(1)式成立当且仅当
用Mn(k)(I)和mn(r)(I)分别表示该序列的第k个最大值和第r个最小值,
$\bar L_n^{\left( k \right)}$ 和$\underline L _n^{\left( r \right)}$ 分别表示第k个最大值的位置和第r个最小值的位置,即:
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下面先定义平稳序列超过水平un(x)=anx+bn所构成的点过程Nn
其中
$\mathbb{B}$ 是(0,1]上的Borel集.根据上述定义显然有如果对于任意的τ,n(1-F(un))=np{xi>un}→τ,文献[1]中的条件D(un(τ))和D′(un(τ))成立,那么点过程Nn收敛到参数为τ的泊松过程N.
文献[1]中对平稳序列在相依条件下的最大值分布做了研究,文献[5-6]证明了平稳序列在相依条件下最大值和最小值是渐近独立的.下面将对文献[1, 5-6]的条件进行推广,使得{Mn(1)(I)≤un(1),Mn(2)(I)≤un(2)}和{Mn(1)(J)≤un(3),Mn(2)(J)≤un(4)}渐近独立.对于{1,2,…,n}中的子集I,J,E,F且有I∪J={1,2,…,n},E∪F={1,2,…,n}和I∩J=E∩F=∅,使得{{Mn(1)(I)≤un(1),Mn(2)(I)≤un(2),Mn(1)(J)≤un(3),Mn(2)(J)}≤un(4)}和{mn(1)(E)>vn(1),mn(2)(E)>vn(2),mn(1)(F)>vn(3),mn(2)(F)>vn(4)}渐近独立,其中un(k),vn(k),k=1,2,3,4满足
定义1 如果对于给定的实数序列{(un(1),un(2),un(3),un(4))},且un(i)*∈{(un(1),un(2),un(3),un(4))}使得
其中ln=o(n).那么就说序列{Xn}n≥1满足条件D4(un(1),un(2),un(3),un(4)).
定义2 假设{un(k)}n≥1,{vn(k)}n≥1,k=1,2,3,4是两个实数序列,如果
其中ln=o(n),un(i)*∈{un(1),un(2),un(3),un(4)},vn(j)*∈{vn(1),vn(2),vn(3),vn(4)}.那么我们就说序列{Xn}n≥1满足条件D((un(1),un(2),un(3),un(4)),(vn(1),vn(2),vn(3),vn(4))).
定义3 如果
其中un(i)*∈{un(1),un(2),un(3),un(4)},vn(j)*∈{vn(1),vn(2),vn(3),vn(4)}. {kn}n≥1是一个整数序列,且当n→∞时,kn→∞,那么序列{Xn}n≥1满足条件C2((un(1),un(2),un(3),un(4)),(vn(1),vn(2),vn(3),vn(4))).
对任意的I⊂Rn={1,…,n},J⊂Rn={1,…,n},I∪J=Rn,I∩J=∅,下面的引理说明了在条件D4(un(1),un(2),un(3),un(4))下{Mn(1)(I)≤un(1),Mn(2)(I)≤un(2)}和{Mn(1)(J)≤un(3),Mn(2)(J)≤un(4)}渐近独立,这是得到次最大值和它的位置的渐近性质的关键.
引理1 假设平稳序列{Xn}n≥1满足条件D4(un(1),un(2),un(3),un(4)),且存在整数序列{kn}n≥1和{ln}n≥1使得
其中αn,l是条件D4(un(1),un(2),un(3),un(4))的系数,则有
引理2 假设{un(k)}n≥1,{vn(k)}n≥1,k=1,2,3,4是实数序列,如果对于k∈{1,2,3,4},有
其中τk,ηk<∞.且平稳序列{Xn}n≥1满足条件αn,ln*=o(1),整数序列{kn}n≥1满足
其中J1,J2,…,J{kn}为{1,2,…,n}中不相交的子集,则有
其中un(i)*∈{un(1),un(2),un(3),un(4)},vn(j)*∈{vn(1),vn(2),vn(3),vn(4)}.
引理3 假设序列{Xn}n≥1和{-Xn}n≥1分别有极值指标θ1和θ2,且平稳序列{Xn}n≥1满足条件D((un(1),un(2),un(3),un(4)),(vn(1),vn(2),vn(3),vn(4)))和C2((un(1),un(2),un(3),un(4)),(vn(1),vn(2),vn(3),vn(4)))其中un(k),vn(k)满足(2)式,{kn}n≥1满足(3)式,则
证 不妨设t1<t2,取I1={1,…,[nt1]},I2={[nt1]+1,…,[nt2]}和I3={[nt2]+1,…,n},则利用引理2,
由题设条件易知,对于任意的k∈{1,2,3,4},C2(un(k),vn(k))和D(un(k),vn(k))成立,则(4)式等于
因此,利用平稳性以及序列{Xn}n≥1和{-Xn}n≥1分别有极值指标θ1和θ2,得到(5)式等于
另一方面,由于{Xn}n≥1和{-Xn}n≥1分别满足条件D4(un(1),un(2),un(3),un(4))和D4(-vn(1),-vn(2),-vn(3),-vn(4)),利用引理1,
因此(7)式也收敛到(6)式,从而结论成立.
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下面将给出
${\overline {{L_n}} ^{\left( 2 \right)}}/n$ 和an-1(Mn(2)-bn)的渐近性质以及次最大值和次最小值与其位置的渐近性质.定理1 假设{Xn}n≥1是一平稳序列,有极值指标θ,且存在常数序列{an}n≥1和{bn}n≥1使得
其中G是非退化的分布函数.如果对于每个xk∈
$\mathbb{R}$ ,un(k)=an-1xk+bn,k=1,2,3,4,且{Xn}n≥1满足条件D4(un(1),un(2),un(3),un(4))和D′(un(k)),则其中x是实数,0<t≤1.
也就是说,次最大值和其位置是渐近独立的,且位置是渐近地服从均匀分布.
证 由于
所以
令I={1,2,…,[nt]},J={[nt]+1,…,n},0<t≤1;令M(1)(I),M(2)(I)分别表示区间I上的最大值和第二最大值;令M(1)(J),M(2)(J)分别表示区间J上的最大值和第二最大值.设
的联合分布函数为Hn(x1,x2,x3,x4),则对于任意的x1>x2,x3>x4
其中un(k)=an-1xk+bn.易知
其中I′=(0,t],J′=(t,1].利用引理1和文献[1]中的推论5.5.2,取B1=I′,B2=J′,则
其中
由(9)式知(Xn(1),Xn(2),Yn(1),Yn(2))依分布收敛到(X1,X2,Y1,Y2),其联合分布函数H是绝对连续的.因此
定理2 假设平稳序列{Xn}n≥1和{-Xn}n≥1的极值指标分别为θ1和θ2.且存在常数序列{an>0}n≥1,{bn}n≥1,{cn>0}n≥1和{dn}n≥1使得
和
成立,其中G和H为非退化的分布函数.如果对于每个x1,x2,y1,y2∈
$\mathbb{R}$ ,u{(k)}n=anxk+bn,v{(k)}n=cnxk+dn,k∈{1,2,3,4},{Xn}n≥1满足条件D((un(1),un(2),un(3),un(4)),(vn(1),vn(2),vn(3),vn(4)))和C2((un(1),un(2),un(3),un(4)),(vn(1),vn(2),vn(3),vn(4))),且整数序列{kn}n≥1满足(3)式,那么证 由于n(1-F(un(k)))→τk,n(F(vn(k)))→ηk,所以
用I,J,E,F分别表示区间{1,2,…,[nt1]},{[nt1]+1,…,n},{1,2,…,[nt2]}和{[nt2]+1,…,n};M(1)(I),M(2)(I),M(1)(J),M(2)(J)分别表示Xi中在区间I,J上的最大值和第二最大值;m(1)(E),m(2)(E),m(1)(F),m(2)(F)表示Xi中在区间E,F上的最小值和第二最小值.设随机变量
的分布函数为Hn′(x1,x2,x3,x4,y1,y2,y3,y4),则对任意的x1>x2,x3>x4,y1>y2,y3>y4有
其中un(k)=an-1xk+bn,vn(k)=cn-1xk+dn.易知
其中:I′=(0,t1],J′=(t1,1],E′=(0,t2],F′=(t2,1].由文献[1]中的推论5.5.2和引理3,
其中
由于
利用点过程的性质(Xn(1),Xn(2),Yn(1),Yn(2),Xn′(1),Xn′(2),Yn′(1),Yn′(2))依分布收敛到(X1,X2,Y1,Y2,X1′,X2′,Y1′,Y2′),其分布函数H绝对连续.因此,