On suppose tout d'abord que les variables
et
Dans cette section on démontre que
Proposition 1. — Soit une suite
Posons
Alors
la 3ème égalité car
satisfait, pour
Ainsi
En vertu du lemme de Borel-Cantelli, il suit que
On note
et on remarque que si
est une série convergente, puisque, en dehors d'un nombre fini d'entre eux, tous ses termes sont nuls. Ainsi la suite des sommes partielles,
est une suite convergente, donc bornée, ce qui entraîne que
Autrement dit, en vertu de la première partie de cette démonstration,
Les quelques lignes qui précèdent montrent que
il suit donc que
Par ailleurs, il est clair que
On a donc bien
Dans les sections suivantes on va donc démontrer que
L'idée est que plus les variables concernées sont intégrables, i.e. plus la queue de distribution
Les
et
Alors
Proposition 2. — Soit une suite
Un calcul simple donne que
la différence ne dépendant pas de
En effet
On peut donc appliquer le Théorème de convergence dominée de Lebesgue, et obtenir
Finalement, on sait, en vertu du lemme de Cesàro, que la convergence d'une suite (
La Proposition 2 est donc démontrée.
C'est l'étape où Kolmogorov utilise l'hypothèse d'indépendance (et, sans le dire, la notion de temps d'arrêt). Par contre, l'Inégalité de Kolmogorov ne requiert pas des variables de même loi.
Inégalité de Kolmogorov. — Soit une suite
Alors, pour tout ,
Si
On pose
On remarque alors que, pour
En effet
Ainsi pour deux boréliens quelconques
appartiennent aux tribus
où la troisième inégalité s'obtient en développant le carré en deux termes carrés (dont l'un est supprimé pour minorer l'expression précédente) et un double produit (de deux variables indépendantes, en vertu de
. En faisant tendre
C.Q.F.D.
Voir aussi l'article en anglais sur le même sujet.
L'inégalité de Kolmogorov est, avec le lemme de Borel-Cantelli, l'ingrédient essentiel de la preuve de la proposition suivante :
Proposition 3. — Soit une suite
alors la suite
On pose
En vertu de la convergence de la série de terme général
Avec les notations de l'inégalité de Kolmogorov, on a
Donc l'inégalité de Kolmogorov nous donne, pour tout et
Notons que la suite de variables aléatoires
est décroissante, puisque la suite d'ensembles
est décroissante. De plus
On en déduit que, pour tout
La suite
tel que
Ainsi
et le lemme de Borel-Cantelli entraîne que, presque sûrement, à partir d'un certain rang,
C.Q.F.D.
Lemme de Kronecker. — Soit une suite
La démonstration ci-dessous vaut seulement pour
, mais la démonstration de la loi forte utilise le lemme de Kronecker pour
Alors
Comme la suite
Donc la suite de fonctions
est une suite de fonctions uniformément bornées par
Ainsi le théorème de convergence dominée de Lebesgue donne
Comme on a
démontrée plus haut, on en déduit que
C.Q.F.D.
Cette démonstration est empruntée à Sydney Resnik, A probability path.
Pour conclure sa démonstration, Kolmogorov utilise le lemme de Kronecker avec
Lemme 1. — Avec les notations de l'étape "recentrage", on a
Les calculs s'arrangent mieux si on remplace
Comme
et la convergence de la série
est équivalente à la convergence de la série
Or
par hypothèse.
Du Lemme 1 et de la Proposition 3, on déduit que, presque sûrement,
puis, grâce au lemme de Kronecker, on déduit que, presque sûrement,
ce qui est équivalent à la loi forte des grands nombres (pour des variables centrées), comme on l'a vu aux étapes "troncature" et "recentrage".
Si on ne suppose plus les
et, les étant centrées, i.i.d. et intégrables, la conclusion des étapes précédentes est que
Mais
Donc
C.Q.F.D.
Supposons que l'ensemble Ωc défini par
est de probabilité 1. Notons l(ω) la limite de la suite ci-dessus, lorsqu'elle est définie, i.e. lorsqu' ω appartient à Ωc . L'ensemble Ωc est inclus dans l'ensemble suivant
puisque, lorsqu' ω appartient à Ωc , on a
Ainsi, l'ensemble Ω0 lui aussi est de probabilité 1. Posons
La limite supérieure des An est disjointe de l'ensemble Ω0 , donc elle est de probabilité nulle. En vertu de la loi du zéro-un de Borel, on en déduit, puisque les événements An sont indépendants, que
Par ailleurs, en toute généralité, comme on l'a vu lors de la ,