1.2 Espaços de probabilidade

Agora estamos prontos para introduzir o conceito moderno do que é uma probabilidade.

{definition}

Dado (Ω,)(\Omega,\mathcal{F}) espaço mensurável, dizemos que P:[0,1]P:\mathcal{F}\to[0,1] é uma probabilidade se

  1.  a)

    P(Ω)=1P(\Omega)=1 e

  2.  b)

    Seja uma seqüência (Ai)iI(A_{i})_{i\in I} finita ou enumerável de eventos disjuntos (AiAj=A_{i}\cap A_{j}=\varnothing se iji\neq j), então

    P(\mcupiIAi)=iIP(Ai).P\big{(}{\mcup\nolimits_{i\in I}}A_{i}\big{)}=\sum_{i\in I}P(A_{i}). (1.1)

Obviamente, isso nada mais é que uma medida que associa massa um ao espaço todo.

{example}

Probabilidades nos espaços do Exemplo 1.1

  1.  a)

    P1(A)=(#A)/6P_{1}(A)=(\#A)/6 em (Ω1,1)(\Omega_{1},\mathcal{F}_{1}). Ou mais geralmente P1(A)=iApiP_{1}^{\prime}(A)=\sum_{i\in A}p_{i}, onde pi0p_{i}\geq 0 e ipi=1\sum_{i}p_{i}=1.

  2.  b)

    P2P_{2} pode ser a medida de Lebesgue em ([0,1],([0,1]))([0,1],\mathcal{B}([0,1])). Mais geralmente também podemos ter P2(A)=Aρ(x)xP_{2}^{\prime}(A)=\int_{A}\rho(x)\d{x}, onde ρ:[0,1]+\rho:[0,1]\to\mathbb{R}_{+} é uma função mensurável, chamada densidade, tal que [0,1]ρ(x)x=1\int_{[0,1]}\rho(x)\d{x}=1.

  3.  c)

    P3=δ0P_{3}=\delta_{0}, que atribui o valor um se o evento contém a função identicamente nula (f0f\equiv 0) e zero caso contrário.

Obviamente o terceiro exemplo é bastante artificial (e inútil). Mas, futuramente, estaremos prontos para introduzir medidas bem interessantes no espaço (Ω3,3)(\Omega_{3},\mathcal{F}_{3}).

{proposition}

Valem as afirmativas seguintes

  1.  a)

    Se ABA\subseteq B então P(A)P(B)P(A)\leq P(B).

  2.  b)

    A cota da união: para II finito ou enumerável

    P(\mcupiIAi)iIP(Ai).P\big{(}\mcup\nolimits_{i\in I}A_{i}\big{)}\leq\smash{\sum\limits_{i\in I}}P(A% _{i}). (1.2)
  3.  c)

    O que chamamos de princípio da inclusão e exclusão

    P(\mcupi=1nAi)=k=1n(1)k11i1<<iknP(Ai1Aik).P\big{(}\mcup\nolimits_{i=1}^{n}A_{i}\big{)}=\smash{\sum\limits_{k=1}^{n}}(-1)% ^{k-1}\sum\limits_{1\leq i_{1}<\dots<i_{k}\leq n}P(A_{i_{1}}\cap\dots\cap A_{i% _{k}}). (1.3)
Demonstração.

a)a) Como A(BA)=A\cap(B\setminus A)=\varnothing, então

P(B)=P(A(BA))=P(A)+P(BA)P(A).P(B)=P(A\cup(B\setminus A))=P(A)+P(B\setminus A)\geq P(A). (1.4)

b)b) P(AB)=P(A(BA))=P(A)+P(BA)P(A)+P(B)P(A\cup B)=P(A\cup(B\setminus A))=P(A)+P(B\setminus A)\leq P(A)+P(B).
Deixamos o caso enumerável como exercício abaixo.

c)c) Chamamos de AA a união dos AiA_{i}. Basta mostrar a validade da equação abaixo e depois integrar com respeito a PP.

\1A(ω)=k=1n(1)k1I{1,,n}|I|=kiI\1Ai(ω).\1_{A}(\omega)=\sum_{k=1}^{n}(-1)^{k-1}\sum_{\begin{subarray}{c}I\subseteq\{1,% \dots,n\}\\ |I|=k\end{subarray}}\prod_{i\in I}\1_{A_{i}}(\omega). (1.5)

Para tanto, observe que para todo ωΩ\omega\in\Omega,

(\1A\1A1)(\1A\1An)(ω)=0.(\1_{A}-\1_{A_{1}})\cdot\dots\cdot(\1_{A}-\1_{A_{n}})(\omega)=0. (1.6)

Logo, expandindo o produto acima obtemos

\1A+k=1nI{1,,n}|I|=k(1)kiI\1Ai(ω)=0,\1_{A}+\sum_{k=1}^{n}\sum_{\begin{subarray}{c}I\subseteq\{1,\dots,n\}\\ |I|=k\end{subarray}}(-1)^{k}\prod_{i\in I}\1_{A_{i}}(\omega)=0, (1.7)

que equivale a (1.5). ∎

{exercise}

Mostre que P(\mcupiAi)iP(Ai)P\big{(}\mcup\nolimits_{i}A_{i}\big{)}\leq\sum_{i}P(A_{i}) no caso enumerável.

{exercise}

Mostre que

P(\mcupi=1nAi)k=1m(1)k11i1<<iknP(Ai1Aik) se m é ímpar eP(\mcupi=1nAi)k=1m(1)k11i1<<iknP(Ai1Aik) se m é par.\begin{split}P\big{(}\mcup\nolimits_{i=1}^{n}A_{i}\big{)}&\leq\sum\limits_{k=1% }^{m}(-1)^{k-1}\sum\limits_{1\leq i_{1}<\dots<i_{k}\leq n}P(A_{i_{1}}\cap\dots% \cap A_{i_{k}})\text{ se $m$ \'{e} \'{\i}mpar e}\\ P\big{(}\mcup\nolimits_{i=1}^{n}A_{i}\big{)}&\geq\sum\limits_{k=1}^{m}(-1)^{k-% 1}\sum\limits_{1\leq i_{1}<\dots<i_{k}\leq n}P(A_{i_{1}}\cap\dots\cap A_{i_{k}% })\text{ se $m$ \'{e} par.}\end{split}
{exercise}

Seja n1n\geq 1 um número inteiro e considere Ω={0,1}n\Omega=\{0,1\}^{n}, o hipercubo de dimensão nn (cada ωΩ\omega\in\Omega pode ser visto como uma função ω:{1,,n}{0,1}\omega:\{1,\dots,n\}\to\{0,1\}). Para cada i{1,,n}i\in\{1,\dots,n\}, definimos o evento Ai={ωΩ;ω(i)=1}A_{i}=\{\omega\in\Omega;\omega(i)=1\}. Dadas duas probabilidades PP e PP^{\prime} em (Ω,𝒫(Ω))(\Omega,\mathcal{P}(\Omega)), mostre que se P(B)=P(B)P(B)=P^{\prime}(B) para todos conjuntos BB dados por interseções de AiA_{i}’s, então P=PP=P^{\prime}.

{proposition}

Toda probabilidade PP é contínua, isto é:

  1.  a)

    Se A1A2A_{1}\subseteq A_{2}\subseteq\dots\in\mathcal{F} for uma sequência crescente de eventos, então
    limnP(An)=P(\mcupn=1An)\lim_{n\to\infty}P(A_{n})=P(\mcup\nolimits_{n=1}^{\infty}A_{n}).

  2.  b)

    Também, se A1A2A_{1}\supseteq A_{2}\supseteq\dots\in\mathcal{F}, temos limnP(An)=P(\mcapn=1An)\lim\limits_{n\to\infty}P(A_{n})=P(\mcap\nolimits_{n=1}^{\infty}A_{n}).

Demonstração.

a)a) Observe que

\mcupn=1An=\mcupn=1(An(\mcupi=1n1Ai)),\mcup_{n=1}^{\infty}A_{n}=\mcup_{n=1}^{\infty}\Big{(}A_{n}\setminus\big{(}% \mcup_{i=1}^{n-1}A_{i}\big{)}\Big{)}, (1.8)

que são disjuntos. Logo

P(\mcupn=1An)=n=1P(An(\mcupi=1n1Ai))=limnP(\mcupi=1nAi)=limnP(An).\begin{split}P\big{(}\mcup\nolimits_{n=1}^{\infty}A_{n}\big{)}&=\sum_{n=1}^{% \infty}P\Big{(}A_{n}\setminus\big{(}\mcup\nolimits_{i=1}^{n-1}A_{i}\big{)}\Big% {)}\\ &=\lim_{n\to\infty}P({\mcup\nolimits_{i=1}^{n}}A_{i})=\lim_{n\to\infty}P(A_{n}% ).\end{split} (1.9)

b)b) A prova é análoga à de (a)(a). ∎

{lemma}

[Borel-Cantelli - primeira parte] Sejam A1,A2,A_{1},A_{2},\dots\in\mathcal{F} satisfazendo i=1P(Ai)<\sum_{i=1}^{\infty}P(A_{i})<\infty. Então

P[Ai para infinitos i]:=P(\mcapn=1(\mcupinAi))=0.P[\text{$A_{i}$ para infinitos $i$}]:=P\big{(}{\mcap\nolimits_{n=1}^{\infty}}(% {\mcup\nolimits_{i\geq n}}A_{i})\big{)}=0. (1.10)
Demonstração.

Estimamos

P(\mcapn=1(\mcupinAi))=limnP(\mcupinAi)limninP(Ai)=0.P\Big{(}{\mcap_{n=1}^{\infty}}\big{(}{\mcup\nolimits_{i\geq n}}A_{i}\big{)}% \Big{)}=\lim_{n\to\infty}P\big{(}{\mcup\nolimits_{i\geq n}}A_{i}\big{)}\leq% \lim_{n\to\infty}{\textstyle\sum\limits_{i\geq n}}P(A_{i})=0. (1.11)

O que termina a prova do lemma. ∎

Demonstração.

Sejam A1,A2,A_{1},A_{2},\dots\in\mathcal{F} satisfazendo i=1P(Ai)<\sum_{i=1}^{\infty}P(A_{i})<\infty, e defina, para n1n\geq 1,

fn=k=1n1Ak,f_{n}=\sum_{k=1}^{n}\textbf{1}_{A_{k}}, (1.12)

de modo que

[Ai para infinitos i]=[limnfn=].\big{[}\text{$A_{i}$ para infinitos $i$}\big{]}=\big{[}\lim_{n}f_{n}=\infty% \big{]}. (1.13)

Note agora que (fn)n1(f_{n})_{n\geq 1} forma uma sequência monótona de funções com limnfn=k=11Ak\lim_{n}f_{n}=\sum_{k=1}^{\infty}\textbf{1}_{A_{k}}. Em particular, o Teorema da convergência monótona implica que

k=11Ak=limnfnP=limnk=1nP(Ai)=i=1P(Ai)<.\int\sum_{k=1}^{\infty}\textbf{1}_{A_{k}}=\lim_{n}\int f_{n}\d{P}=\lim_{n}\sum% _{k=1}^{n}P(A_{i})=\sum_{i=1}^{\infty}P(A_{i})<\infty. (1.14)

Isto nos dá que

P(limnfn=)=0,P\big{(}\lim_{n}f_{n}=\infty)=0, (1.15)

e completa a demonstração. ∎

Imagine que jogamos todos os dias em uma loteria e que nossa probabilidade de ganhar no dia ii é pip_{i}. Então se ipi<\sum_{i}p_{i}<\infty, sabemos que certamente não ganharemos infinitas vezes.