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Academic Year/course: 2023/24

453 - Degree in Mathematics

27032 - Probability Theory


Syllabus Information

Academic year:
2023/24
Subject:
27032 - Probability Theory
Faculty / School:
100 - Facultad de Ciencias
Degree:
453 - Degree in Mathematics
ECTS:
6.0
Year:
4
Semester:
Second semester
Subject type:
Optional
Module:
---

1. General information

In contrast to the probability matters seen in previous courses, an approach to probability theory based on measure theory is introduced in this course. The different concepts are rigorously studied, paying special attention to the convergence in law and the central limit theorem. The theoretical character of the subject is compensated by means of various specific assignments to the students throughout the course.

The approaches and objectives of this module are aligned with the Sustainable Development Goals (SDGs) of the United Nations 2030 Agenda; the learning activities could contribute to some extent to the achievement of the goals 4 (quality education), 5 (gender equality), 8 (decent work and economic growth), and 10 (reducing inequality).

2. Learning results

  • To understand and handle the fundamental notions of probability theory (probability spaces, random variables, expected values, types of convergence of random variables,...) in a rigorous way, based on measure theory.
  • To understand the notions and results on conditional calculus, namely, conditional probabilities and expectations, and their applications, particularly to mixtures of random variables.
  • To know, handle and apply the notions of independence of random variables and the different types of convergence of random variables, in particular, the strong and weak law of large numbers.
  • To understand and handle the notion of characteristic function, as a fundamental tool in different areas of probability theory.
  • To understand the meaning of central limit theorems, their proof based on characteristic functions, and their various applications to statistics and other sciences.

3. Syllabus

Topic 1. Probability, random variables, and expected values. Events and sigma-algebras: Dynkin`s theorem. Probability spaces: Carathéodory`s extension theorem. Random variables: distribution function and image probability. Expected values: definition and limit theorems. Moments and inequalities. Discrete and absolutely continuous random variables: Radon-Nikodym`s theorem. Independent random variables.

Topic 2. Conditional probabilities and expectations. Stochastic kernels and examples: the discrete and absolutely continuous cases. Construction of product probabilities. Inverse problem: probability disintegration theorem. Independence and Fubini`s theorem: applications. Mixtures of random variables and examples.

Topic 3. Convergence of random variables. Convergence in law. Convergence of random variables: almost sure, in probability, in mean of order p, and in law. Skorohod`s theorem and its consequences: coupling methods. Helly-Bray`s theorem. Slutsky`s theorem. Applications: probabilistic methods in approximation theory. 

Topic 4. Characteristic functions. Definition and examples. Derivatives of characteristic functions and moments. Uniqueness theorem. Inversion theorem: the discrete and absolutely continuous cases. Kolmogorov and total variation distances: Sheffé`s lemma. Lévy`s continuity theorem.

Topic 5. Central limit theorems and Poisson approximation. Classical version of the central limit theorem and examples. Moment convergence. Poisson approximation: classical approach and coupling methods. Lévy-Lindeberg`s theorem for triangular arrays. Necessary conditions: Feller`s theorem. Rates of convergence: Berry-Esseen bounds and Edgeworth expansions.

4. Academic activities

Master classes: 30 hours.
Problem solving: 30 hours.
Project: 24 hours.
Study: 60 hours.
Assessment tests: 6 hours.

5. Assessment system

There will be a mid-term exam between weeks 8 and 9 on topics 1 and 2 of the course. This mid-term exam will count for 40% of the final grade. There will also be a final exam on the date indicated by the Faculty, which will include the rest of the material covered, if the student has passed the previous exam, or all the material if this is not the case. The student may choose to take the exam with the whole subject, even if he/she has passed the intermediate exam, if he/she wishes to improve his/her mark.

However, students may substitute the type of assesment described above for the completion of 4 (optionally 5) assignments throughout the course, either individually or in a group of two. The final mark will be the average mark of these assignments.

Such assignments may include connections of probability theory with other disciplines, such as mathematical analysis, combinatorics or number theory, among others.


Curso Académico: 2023/24

453 - Graduado en Matemáticas

27032 - Teoría de la probabilidad


Información del Plan Docente

Año académico:
2023/24
Asignatura:
27032 - Teoría de la probabilidad
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
453 - Graduado en Matemáticas
Créditos:
6.0
Curso:
4
Periodo de impartición:
Segundo semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1. Información básica de la asignatura

En contraposición al cálculo de probabilidades visto en cursos anteriores, se introduce en este un enfoque de la teoría de la probabilidad basado en la teoría de la medida. Se estudian rigurosamente los diferentes conceptos, prestando especial atención a la convergencia en ley y al teorema central del límite. El carácter teórico de la asignatura se compensa con la realización de pequeños trabajos específicos a lo largo del curso.

Los planteamientos y objetivos de la asignatura están alineados con los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) de la Agenda 2030 de Naciones Unidas; en concreto, las actividades de aprendizaje previstas en esta asignatura contribuirán en alguna medida al logro de los objetivos 4 (educación de calidad), 5 (igualdad de género), 8 (trabajo decente y crecimiento económico) y 10 (reducción de las desigualdades).

2. Resultados de aprendizaje

  • Comprender y manejar las nociones y resultados fundamentales de la teoría de la probabilidad (espacios de probabilidad, variables aleatorias, esperanzas, modos de convergencia de variables aleatorias...) de una forma rigurosa, basada en la teoría de la medida.
  • Comprender y manejar las nociones y resultados relativos al cálculo condicional: probabilidades y esperanzas condicionales y sus aplicaciones, particularmente a mixturas de variables aleatorias.
  • Conocer, manejar y utilizar las nociones de independencia de variables aleatorias, así como sus distintos modos de convergencia, en particular, las leyes fuertes y débiles de grandes números.
  • Comprender y manejar las funciones características, como herramienta fundamental en diferentes áreas de la teoría de la probabilidad.
  • Comprender el significado de los distintos teoremas centrales del límite, su fundamentación y demostración a través de las funciones características, y sus diversas aplicaciones a la estadística y otras ciencias.

3. Programa de la asignatura

Tema 1. Probabilidad, variables aleatorias y esperanzas. Sucesos y tribus: teorema de Dynkin. Espacios de probabilidad: teorema de construcción de Caratheodory. Variables aleatorias: función de distribución y probabilidad imagen. Esperanzas: definición y teoremas límite. Momentos y desigualdades. Variables discretas y absolutamente continuas: teorema de Radon-Nikodym. Variables aleatorias independientes.

Tema 2. Probabilidades y esperanzas condicionales. Núcleos estocásticos y ejemplos: caso discreto y absolutamente continuo. Construcción de probabilidades en el producto. Problema inverso: teorema de desintegración. Independencia y teorema de Fubini: aplicaciones. Mixturas de variables aleatorias y ejemplos.

Tema 3. Modos de convergencia. Convergencia en ley. Convergencia de variables aleatorias: casi segura, en probabilidad, en media de orden p y en ley. Teorema de Skorohod y consecuencias: métodos de "coupling". Teorema de Helly-Bray. Teorema de Slutsky. Aplicaciones: métodos probabilísticos en teoría de aproximación.

Tema 4. Funciones características. Definición y ejemplos. Derivación de funciones características y momentos. Teorema de unicidad. Teorema de inversión: casos discreto y absolutamente continuo. Distancias de Kolmogorov y en variación total: lema de Scheffé. Teorema de continuidad de Lévy.

Tema 5. Teoremas centrales del límite y aproximación de Poisson. Teorema central del límite clásico y ejemplos. Convergencia de momentos. Aproximación de Poisson: enfoque clásico y métodos de "coupling". Teorema de Lévy-Lindeberg para arreglos triangulares. Condiciones necesarias: teorema de Feller. Velocidades de convergencia: cotas de Berry-Esseen y desarrollos de Edgeworth.

4. Actividades académicas

Clases magistrales: 30 horas.
Resolución de problemas y casos: 30 horas.
Trabajos docentes: 24 horas.
Estudio: 60 horas.
Pruebas de evaluación: 6 horas.

5. Sistema de evaluación

Se realizará un examen intermedio eliminatorio de materia entre las semanas 8 y 9 del curso. Dicho examen incluirá la materia de los temas 1 y 2. Este examen intermedio contará un 40% de la nota final. Habrá también un examen final en la fecha indicada por el centro, que incluirá el resto de la materia desarrollada, si se hubiese superado el examen previo, o toda la materia si no fuera así. El alumno podrá optar por realizar el examen con toda la materia, aun habiendo superado el examen intermedio, si desea mejorar su calificación.

No obstante, los alumnos podrán sustituir el tipo de evaluación anteriormente descrito por la realización de 4 (opcionalmente 5) trabajos a lo largo del curso, bien de forma individual o en grupo de dos. La nota final será la nota media de dichos trabajos.

Tales trabajos pueden incluir conexiones de la teoría de la probabilidad con otras disciplinas, como el análisis matemático, combinatoria o teoría de números, entre otras.