東大数理の院試(2025年度専門B問13)の解答です.
自分が作った解答は
ここ
に置いてあります.
$\NN = \{ 1, 2, \dots\}$とし,$p$を$0 < p < 1$を満たす定数とする.確率空間$(\Omega, \mathcal{F}, P)$上で定義された確率変数列
$$
X_1, X_2, X_3, \dots, Y_1, Y_2, Y_3, \dots
$$
は独立であるとする.$X_i \, (i \in \NN)$は実数に値をとり,平均$0,$分散$1$を持つとする.$Y_r \, (r \in \NN)$は$\NN$に値をとり,
$$
P(Y_r = k) = p(1 - p)^{k - 1} \qquad (k \in \NN)
$$
を満たすとする.各$r \in \NN$に対して
$$
U_r = \sum_{i = 1}^{Y_r} X_i
$$
とおく.以下の問に答えよ.
(1)
$$
E[Y_r]
= \sum_{k \geq 1} kp(1 - p)^{k - 1}
= \frac{p}{(1 - (1 - p))^2}
= \frac{1}{p}
$$
である.また
$$
E\bigg[ \bigg( \sum_{i = 1}^k X_i \bigg)^2 \bigg]
= \sum_{1 \leq i, j \leq k} E[X_i X_j]
= \sum_{i = 1}^k E[X_i^2]
= k
$$
より
$$
E[U_r^2]
= \sum_{k \geq 1} E\bigg[ \bigg( \sum_{i = 1}^k X_i \bigg)^2 \bigg] P(Y_r = k)
= \sum_{k \geq 1} kP(Y_r = k)
= E[Y_r]
= \frac{1}{p}.
$$
(2)
$$
\sum_{\substack{1 \leq i \leq n \\ 1 \leq j \leq m}} E[X_i X_j]
= \sum_{i = 1}^{\min\{ n, m\}} E[X_i^2]
= \min\{ n, m\}
$$
より
\begin{align*}
E[U_r U_s]
&= \sum_{n, m \geq 1} \min\{ n, m\} P(Y_r = n)P(Y_s = m) \\
&= \sum_{n \geq 1} nP(Y_r = n)^2 + 2\sum_{n < m} nP(Y_r = n)P(Y_s = m).
\end{align*}
ここで右辺第$2$項は
$$
2\sum_{n \geq 1} nP(Y_r = n)P(Y_s > n)
= 2\sum_{n \geq 1} np(1 - p)^{n - 1} (1 - p)^n
= 2p(1 - p)\sum_{n \geq 1} n(1 - p)^{2(n - 1)}
$$
だから,
\begin{align*}
E[U_r U_s]
&= \sum_{n \geq 1} np^2 (1 - p)^{2(n - 1)} + 2p(1 - p)\sum_{n \geq 1} n(1 - p)^{2(n - 1)} \\
&= p(2 - p)\sum_{n \geq 1} n(1 - p)^{2(n - 1)}
= \frac{p(2 - p)}{(1 - (1 - p)^2)^2}
= \frac{1}{p(2 - p)}.
\end{align*}
(3)
$$
S_n
= \frac{1}{n} \sum_{r = 1}^n \sum_{i = 1}^{Y_r} X_i
= \frac{1}{n} \sum_{i \geq 1} \# \{ r \in [1, n] \, ; \, Y_r \geq i\} X_i
= \frac{1}{n} \sum_{i \geq 1} \sum_{r = 1}^n 1_{\{ Y_r \geq i\}} X_i
$$
である.$\dis{T_{n, i} = \frac{1}{n} \sum_{r = 1}^n 1_{\{ Y_r \geq i\}}}$とおく.
$$
E[T_{n, i}] = E[1_{\{ Y_r \geq i\}}] = P(Y_r \geq i) = (1 - p)^{i - 1}
$$
より
\begin{align*}
E[|T_{n, i} - (1 - p)^{i - 1}|^2]
&= V[T_{n, i}]
= \frac{1}{n^2} \sum_{r = 1}^n V[1_{\{ Y_r \geq i\}}]
\leq \frac{1}{n} E[1_{\{ Y_r \geq i\}}^2] \\
&= \frac{1}{n} E[1_{\{ Y_r \geq i\}}]
= \frac{1}{n} P(Y_r \geq i)
= \frac{1}{n} (1 - p)^{i - 1}
\end{align*}
であるから,
\begin{align*}
E\bigg[ \bigg| S_n - \sum_{i \geq 1} (1 - p)^{i - 1} X_i \bigg|^2 \bigg]
&= \sum_{i \geq 1} E[|T_{n, i} - (1 - p)^{i - 1}|^2] \\
&\leq \sum_{i \geq 1} \frac{1}{n} (1 - p)^{i - 1}
= \frac{1}{np}
\to 0 \quad (n \to \infty).
\end{align*}
(4)
確率変数$X$の特性関数を$\phi_X(t)$と書く.また$\phi(t) = \phi_{X_1}(t)$とする.
$$
\phi_{V_1 + V_r}(t)
= E[e^{i(V_1 + V_r)t} | Y_r]P(Y_r < r) + E[e^{i(V_1 + V_r)t} | Y_r]P(Y_r \geq r)
$$
の右辺第$2$項の絶対値は$\leq P(Y_r \geq r) = (1 - p)^{r - 1} \to 0 \, (r \to \infty)$であり,第$1$項は
\begin{align*}
&\sum_{n < r, m \geq 1} E[e^{i(Y_1 + Y_r)t} | Y_1 = n, Y_r = m]P(Y_1 = n)P(Y_r = m) \\
=& \, \sum_{n < r, m \geq 1} \phi(t)^{n + m} p^2 (1 - p)^{n + m - 2}
\to \sum_{n, m \geq 1} \phi(t)^{n + m} p^2 (1 - p)^{n + m - 2} \quad (r \to \infty) \\
=& \, \bigg( \sum_{n \geq 1} \phi(t)^n p(1 - p)^{n - 1} \bigg)^2
= \bigg( \frac{p\phi(t)}{1 - (1 - p)\phi(t)}\bigg)^2
\tag{$\ast$}
\end{align*}
となる.
一方
\begin{align*}
\phi_{U_1 + U_r}(t)
&= \sum_{n, m \geq 1} E[e^{i(U_1 + U_r)t} | Y_1 = n, Y_r = m]P(Y_1 = n)P(Y_r = m) \\
&= \sum_{n, m \geq 1} \phi(2t)^{\min\{ n, m\}} \phi(t)^{\max\{n, m\} - \min\{ n, m\}} p^2 (1 - p)^{n + m - 2} \\
&= p^2 (1 - p)^{-2} \frac{(1 - p)^2 \phi(2t)}{1 - (1 - p)^2 \phi(2t)} \frac{1 + (1 - p)\phi(t)}{1 - (1 - p)\phi(t)} \\
&= \frac{p^2 \phi(2t)}{1 - (1 - p)^2 \phi(2t)} \frac{1 + (1 - p)\phi(t)}{1 - (1 - p)\phi(t)}
\tag{$\ast'$}
\end{align*}
である.ただし$a, b, c \in \CC \, (|a|, |b|, |c| < 1)$に対し
\begin{align*}
&\sum_{n, m \geq 1} a^{\min\{ n, m\}} b^{\max\{ n, m\} - \min\{ n, m\}} c^{n + m} \\
=& \, \sum_{n \geq 1} (ac^2)^n + 2\sum_{n \geq 1} \sum_{m > n} a^n b^{m - n} c^{n + m}
= \frac{ac^2}{1 - ac^2} + 2\sum_{n \geq 1} \frac{(bc)^{n + 1}}{1 - bc} (ab^{-1}c)^n \\
=& \, \frac{ac^2}{1 - ac^2} + \frac{2bc}{1 - bc} \frac{ac^2}{1 - ac^2}
= \frac{ac^2}{1 - ac^2} \frac{1 + bc}{1 - bc}
\end{align*}
となることを用いた.
今十分大きな任意の$r$に対し$V_1 + V_r$の分布と$U_1 + U_r$の分布が等しいとすると,任意の$t \in \RR$に対し$(\ast)$と$(\ast')$が等しいから
$$
\frac{\phi(t)^2}{1 - (1 - p)^2 \phi(t)^2}
= \frac{\phi(2t)}{1 - (1 - p)^2 \phi(2t)}
$$
となる.
ここで$\dis{\frac{x}{1 - (1 - p)^2 x}}$は一次分数変換ゆえ単射なので,$\phi(2t) = \phi(t)^2$を得る.これより
$$
\phi(t)
= \phi(t / 2)^2
= \cdots
= \phi(t / 2^n)^{2^n}
= \bigg( 1 + \phi'(\theta_n)\frac{t}{2^n} \bigg)^{2^n}
\to e^{\phi'(0)t}
= 1 \quad (n \to \infty)
$$
となる.ここで$|\theta_n| < |t| / 2^n.$よって$X_1 = 0$ a.s. となるが,これは$V[X_1] = 1$に矛盾.