Условное математическое ожидание
Среднее при доступной информации: случайная величина, а не всегда одно число.
Чему научимся
Понятие формализует обновление среднего после получения информации, лежит в основе прогнозирования и позволяет последовательно усреднять через башенное свойство.
Главная идея. Условное ожидание E[X|G] — не обязательно число, а лучший прогноз X при информации G. Оно должно быть G-измеримым и сохранять интеграл X на каждом событии из G.
План рассуждения и проверка понимания
- Опишите доступную информацию сигма-алгеброй G и найдите её атомы, если пространство конечно; прогноз должен быть постоянным на каждом атоме.
- На атоме положительной вероятности вычислите условно взвешенное среднее X и назначьте это значение всем исходам данного атома.
- Проверьте два требования: результат G-измерим и его интеграл по каждому A из G совпадает с интегралом исходной X.
- Используйте специальные случаи: известная G-измеримая X остаётся собой, а независимая от G величина усредняется до константы E[X].
Частая ошибка. Всегда воспринимать E[X|G] как одно число или требовать единственного точного значения условного ожидания на событии вероятности ноль.
Как проверить себя. До раскрытия информации условный прогноз сам является случайной величиной. Разные версии могут отличаться на нулевом множестве и считаться одинаковыми почти наверное.
Наглядная модель: Условное математическое ожидание
Среднее при доступной информации: случайная величина, а не всегда одно число.
- Условное математическое ожидание → Условное математическое ожидание
- Условное математическое ожидание → sigma-algebras
- Условное математическое ожидание → expectation-integral
Проверка пониманияОбъясните тему своими словами
Для честного кубика при известной только чётности постройте E[X|G] и объясните, почему оно принимает значения 3 и 4, а обычное ожидание равно 3,5.
В хорошем объяснении есть:
- Нечётный и чётный атомы выделены явно.
- Средние внутри атомов вычислены отдельно.
- Башенное усреднение возвращает 3,5.
Среднее меняется с информацией
Если известна чётность кубика, естественный прогноз его очков — среднее внутри соответствующей группы. До наблюдения группы этот прогноз сам является случайной величиной. После сообщения чётности он принимает конкретное значение.
Строгое определение
Пусть X интегрируема, а — сигма-алгебра известной информации. Условным ожиданием называют интегрируемую -измеримую Y, сохраняющую интегралы X по каждому событию из . Такое Y существует и единственно с точностью до множества вероятности ноль; это следует из теоремы Радона–Никодима. Значения на нулевых атомах могут быть выбраны произвольно, не меняя этого класса.
Конечное разбиение
Если информация задана атомами положительной вероятности, на каждом атоме берём среднее X с условными весами. Указанные два свойства проверяются непосредственно: результат постоянен на атомах, а умножение среднего на вероятность атома восстанавливает сумму исходных вкладов.
Свойства с условиями
Если X уже измерима относительно G, то условное ожидание равно X почти наверное. Если X независима от G, результат равен обычному ожиданию. Для вложенных сигма-алгебр действует башенное свойство: сначала усреднить с большей информацией, затем с меньшей — то же самое, что сразу с меньшей.
Для квадратично интегрируемой X условное ожидание является наилучшим G-измеримым прогнозом по среднеквадратичной ошибке. Это не утверждение, что среднее минимизирует любую функцию потерь: при абсолютной ошибке нужен условный медианный прогноз.
Три примера
- У честного кубика среднее при нечётном результате равно (1+3+5)/3=3, а при чётном — (2+4+6)/3=4. Общее среднее (3+4)/2=3,5.
- Для X, уже известной из G, дальнейшее усреднение ничего не скрывает: E[X|G]=X.
- Если X и Y независимы и X интегрируема, знание Y не меняет среднего X. Обратное утверждение для всех зависимостей не следует только из постоянства условного среднего одной X.
Формула, смысл и ограничения
Главные формулы с расшифровкой
Формула словами: X интегрируема; Y должна быть G-измеримой и интегрируемой. Версия Y единственна почти наверное.
От простого к сложному
Проверьте себя
Сначала запишите решение самостоятельно. Затем можно открыть намёк, сравнить каждый переход с пошаговым разбором и только после этого посмотреть ответ. Прогресс сохраняется в этом браузере.
Открываем задание…
Открываем задание…
Открываем задание…
Что пригодится
Источники и соглашения
Объяснения и задачи — авторские. Источники помогают проверить определения, условия и школьную привязку. Обозначения и параметризация указаны в статье.