2.5 Independência

Nossa intuição nos diz que quando jogamos duas moedas, o resultado de cada uma delas não deve depender um do outro. Dessa forma, a probabilidade de obtermos um determinado resultado (como por exemplo duas caras) deve ser um quarto, ou seja, meio vezes meio.

Em geral, definimos dois eventos como independentes da seguinte forma.

{definition}

Dizemos que dois eventos A,B∈ℱA,B\in\mathcal{F} são independentes se

P⁢(A∩B)=P⁢(A)⁢P⁢(B).P(A\cap B)=P(A)P(B). (2.15)
{example}

Se Ω={1,…⁢,6}\Omega=\{1,\dots,6\} é dotada da σ\sigma-álgebra das partes e P⁢(A)=#⁢A/6P(A)=\#A/6, então os eventos A=[ω⁢ é impar]A=[\omega\text{ \'{e} impar}] e B=[ω≥5]B=[\omega\geq 5] satisfazem

P⁢(A∩B)=P⁢({5})=1/6=(1/2)⁢(1/3)=P⁢(A)⁢P⁢(B).P(A\cap B)=P(\{5\})=1/6=(1/2)(1/3)=P(A)P(B). (2.16)

Logo tais eventos são independentes.

{exercise}

Seja Ω={0,1}n\Omega=\{0,1\}^{n} com P⁢(A)=#⁢A/2nP(A)=\#A/2^{n} e Xi⁢(ω1,…,ωn)=ωiX_{i}(\omega_{1},\dots,\omega_{n})=\omega_{i} para i=1,…,ni=1,\dots,n. Mostre que

P⁢[Xi=a,Xj=b]=P⁢[Xi=a]⁢P⁢[Xj=b],P[X_{i}=a,X_{j}=b]=P[X_{i}=a]P[X_{j}=b], (2.17)

onde [A,B][A,B] denota a interseção A∩BA\cap B.

2.5.1 Coleções de eventos

22todo: 2 discutir a alternativa I={1,…,k}I=\{1,\dots,k\} que é ruim (basta adicionar ∅\varnothing que qq coisa fica indep).
{definition}

Sejam A1,A2,…,AkA_{1},A_{2},\dots,A_{k} eventos. Dizemos que eles formam uma coleção independente se para todo I⊆{1,…,k}I\subseteq\{1,\dots,k\} não vazio

P⁢(\mcapi∈I⁢Ai)=∏i∈IP⁢(Ai).P\big{(}\mcap\nolimits_{i\in I}A_{i}\big{)}=\prod\limits_{i\in I}P(A_{i}). (2.18)

Vale observar que independência dois a dois não implica independência. Mais precisamente {example} Seja Ω={1,2,3,4}\Omega=\{1,2,3,4\} com P⁢(A)=#⁢A/4P(A)=\#A/4 e sejam os seguintes eventos: A1={1,2}A_{1}=\{1,2\}, A2={2,3}A_{2}=\{2,3\} e A3={1,3}A_{3}=\{1,3\}. Nesse caso,

  1.  a)
    ​

    P⁢(Ai)=1/2P(A_{i})=1/2 para i=1,2,3i=1,2,3,

  2.  b)
    ​

    P⁢(Ai∩Aj)=1/4P(A_{i}\cap A_{j})=1/4 para todo i≠ji\neq j mas

  3.  c)
    ​

    P⁢(A1∩A2∩A3)=0≠1/8=P⁢(A1)⁢P⁢(A2)⁢P⁢(A3)P(A_{1}\cap A_{2}\cap A_{3})=0\neq 1/8=P(A_{1})P(A_{2})P(A_{3}).

{definition}

Dizemos que uma coleção infinita de eventos (An)n≥1(A_{n})_{n\geq 1} é independente se toda sub-coleção finita de tais eventos forem independentes.

{lemma}

Se (An)n≥1(A_{n})_{n\geq 1} forma uma sequencia de eventos independentes, então

P⁢(\mcapi=1∞⁢Ai)=∏i=1∞P⁢(Ai).P\Big{(}\mcap_{i=1}^{\infty}A_{i}\Big{)}=\prod\limits_{i=1}^{\infty}P(A_{i}). (2.19)
Demonstração.

De fato,

P⁢(\mcapi=1∞⁢Ai)=limn→∞P⁢(\mcapi=1n⁢Ai)=limn→∞∏i=1nP⁢(Ai)=∏i=1∞P⁢(Ai).∎P\Big{(}\mcap_{i=1}^{\infty}A_{i}\Big{)}=\lim_{n\to\infty}P\Big{(}\mcap_{i=1}^% {n}A_{i}\Big{)}=\lim_{n\to\infty}\prod\limits_{i=1}^{n}P(A_{i})=\prod\limits_{% i=1}^{\infty}P(A_{i}).\qed
{exercise}

Mostre que se A∈ℱA\in\mathcal{F}, então {B∈ℱ:B⁢ é independente de ⁢A}\{B\in\mathcal{F}\,:\,B\text{ \'{e} independente de }A\} é um λ\lambda-sistema.

{exercise}

Mostre que se BB é independente de AA para todo B∈ℬB\in\mathcal{B}, com ℬ\mathcal{B} um π\pi-sistema, então BB é independente de AA para todo B∈σ⁢(ℬ)B\in\sigma(\mathcal{B}).

2.5.2 Independência de σ\sigma-álgebras

{definition}

Dado um espaço de probabilidade (Ω,P,ℱ)(\Omega,P,\mathcal{F}) Dizemos que as σ\sigma-álgebra ℱ1,…,ℱn⊂ℱ\mathcal{F}_{1},\dots,\mathcal{F}_{n}\subset\mathcal{F} são independentes se

∀𝒜1∈ℱ1,…,𝒜n∈ℱn,P⁢(∩i=1nAi)=∏i=1nP⁢(Ai).\forall\mathcal{A}_{1}\in\mathcal{F}_{1},\dots,\mathcal{A}_{n}\in\mathcal{F}_{% n},\ P(\cap_{i=1}^{n}A_{i})=\prod_{i=1}^{n}P(A_{i}). (2.20)

Nessa definição podemos tomar uma coleção infinita.

{exercise}

Em um espaço produto (Ω1×Ω2,ℱ1⊗ℱ2,P1⊗P2)(\Omega_{1}\times\Omega_{2},\mathcal{F}_{1}\otimes\mathcal{F}_{2},P_{1}\otimes P% _{2}), podemos definir

\widebar⁢ℱ1={A×Ω2:A∈ℱ1},\widebar⁢ℱ2={Ω1×B:B∈ℱ2}.\begin{split}\widebar{\mathcal{F}}_{1}&=\{A\times\Omega_{2}\,:\,A\in\mathcal{F% }_{1}\},\\ \widebar{\mathcal{F}}_{2}&=\{\Omega_{1}\times B\,:\,B\in\mathcal{F}_{2}\}.\end% {split} (2.21)

Mostre que essas σ\sigma-álgebras são independentes.

Podemos extender esse conceito a elementos aleatórios, ou seja: {definition} Dizemos que X1,…,XkX_{1},\dots,X_{k} são elementos aleatórios independentes se as respectivas σ\sigma-álgebras σ⁢(X1),…,σ⁢(Xk)\sigma(X_{1}),\dots,\sigma(X_{k}) o forem.

Quando X1,…,XkX_{1},\dots,X_{k} são elementos aleatórios independentes e com a mesma distribuição, escrevemos que XiX_{i} são \iid(independentes e identicamente distribuídos).

{exercise}

Com a notação do exercício anterior, mostre que as funções Xi:Ω1×Ω2→ΩiX_{i}:\Omega_{1}\times\Omega_{2}\to\Omega_{i} dadas por

X1⁢(x,y)=x⁢ e ⁢X2⁢(x,y)=y,X_{1}(x,y)=x\text{ e }X_{2}(x,y)=y, (2.22)

são elementos aleatórios e são independentes.

{exercise}

Mostre que as coordenadas canônicas do exercício anterior no caso Xi:ℝ2→ℝX_{i}:\mathbb{R}^{2}\to\mathbb{R} não são independentes segundo a medida U𝕊1U_{\mathbb{S}^{1}}. Mas o são segundo U[0,1]2U_{[0,1]^{2}} (que é a medida de Lebesgue em ℝ2\mathbb{R}^{2} restrita a [0,1]2[0,1]^{2}).

{exercise}

Seja Ω={0,1}n\Omega=\{0,1\}^{n} com P⁢(A)=#⁢A/2nP(A)=\#A/2^{n} e Xi⁢(ω1,…,ωn)=ωiX_{i}(\omega_{1},\dots,\omega_{n})=\omega_{i} para i=1,…,ni=1,\dots,n. Mostre que os XiX_{i} são independentes.

{exercise}

Sejam (Xi)i≥1(X_{i})_{i\geq 1} elementos aleatórios independentes tomando valores em espaços (Ei)i≥1(E_{i})_{i\geq 1}, respectivamente. Mostre que para funções mensuráveis (fi)i≥1(f_{i})_{i\geq 1} temos que (fi⁢(Xi))i≥1(f_{i}(X_{i}))_{i\geq 1} são independentes.

{exercise}

Mostre que se X,YX,Y são elementos aleatórios e se XX é constante quase certamente então XX e YY são independentes.

{exercise}

Sejam XX e YY variáveis aleatórias independentes com distribuição \Exp⁢(1)\Exp(1), calcule a distribuição de

  1.  a)
    ​

    min⁡{X,Y}\min\{X,Y\} e

  2.  b)
    ​

    X+YX+Y.

{exercise}

Seja um espaço produto de medidas (Ω1×Ω2,ℱ1⊗ℱ2,μ1⊗μ2)(\Omega_{1}\times\Omega_{2},\mathcal{F}_{1}\otimes\mathcal{F}_{2},\mu_{1}% \otimes\mu_{2}) e defina a probabilidade PP através de

P⋅=ρ(x,y)(⋅μ1⊗μ2).\d{P}=\rho(x,y)\d{(}\mu_{1}\otimes\mu_{2}). (2.23)

Mostre nesse caso que as coordenadas canônicas X1X_{1} e X2X_{2} são independentes se e somente se existem ρ1\rho_{1} e ρ2\rho_{2} em Ω1\Omega_{1} e Ω2\Omega_{2} respectivamente, tais que ρ⁢(x,y)=ρ1⁢(x)⁢ρ2⁢(y)\rho(x,y)=\rho_{1}(x)\rho_{2}(y) quase certamente com respeito a μ1⊗μ2\mu_{1}\otimes\mu_{2}.

{exercise}

Sejam X,YX,Y variáveis aleatórias tais que

P⁢[X≤x,Y≤y]={0if x<0,(1−e−x)⁢(12+1π⁢tan−1⁡y),if x≥0.P[X\leq x,Y\leq y]=\begin{cases}0&\quad\text{if $x<0$,}\\ (1-e^{-x})\Big{(}\frac{1}{2}+\frac{1}{\pi}\tan^{-1}y\Big{)},&\quad\text{if $x% \geq 0$}.\end{cases} (2.24)
  1.  a)
    ​

    Mostre que a distribuição conjunta μ(X,Y)\mu_{(X,Y)} é absolutamente contínua com relação à medida de Lebesgue em ℝ2\mathbb{R}^{2}.

  2.  b)
    ​

    Mostre que XX e YY são independentes.

{exercise}

Mostre que se X,YX,Y são variáveis aleatórias independentes com distribuições X⁢\distr⁢fX⁢(x)⁢x⋅X\distr f_{X}(x)\d{x} e Y⁢\distr⁢fY⁢(y)⁢y⋅Y\distr f_{Y}(y)\d{y}, então X+YX+Y tem distribuição absolutamente contínua com respeito a Lebesgue e

fX+Y⁢(z)=∫−∞∞fY⁢(z−x)⁢fX⁢(x)⁢x⋅.f_{X+Y}(z)=\int_{-\infty}^{\infty}f_{Y}(z-x)f_{X}(x)\d{x}. (2.25)
33todo: 3 mandar para depois de produtos infinitos?
{lemma}

[Borel-Cantelli - segunda parte] Se A1,A2,⋯∈ℱA_{1},A_{2},\dots\in\mathcal{F} são independentes e pi=P⁢(Ai)p_{i}=P(A_{i}) satisfazem ∑ipi=∞\sum_{i}p_{i}=\infty, então

P⁢[Ai⁢ infinitas vezes]=1.P[A_{i}\text{ infinitas vezes}]=1. (2.26)
Demonstração.

Queremos mostrar que

P⁢((\mcapn⁢\mcupi=n∞⁢Ai)c)=0,P\Big{(}\big{(}\mcap_{n}\mcup_{i=n}^{\infty}A_{i}\big{)}^{c}\Big{)}=0, (2.27)

mas

P⁢((\mcapn⁢\mcupi=n∞⁢Ai)c)=P⁢(\mcupn⁢\mcapi=n∞⁢Aic)≤∑nP⁢(\mcapi=n∞⁢Aic).P\Big{(}\big{(}\mcap_{n}\mcup_{i=n}^{\infty}A_{i}\big{)}^{c}\Big{)}=P\Big{(}% \mcup_{n}\mcap_{i=n}^{\infty}A_{i}^{c}\Big{)}\leq\sum\limits_{n}P\Big{(}\mcap_% {i=n}^{\infty}A_{i}^{c}\Big{)}. (2.28)

Logo basta mostrar que a probabilidade à direita é zero para todo nn. Mas

P⁢(\mcapi=n∞⁢Aic)=∏i=n∞P⁢(Aic)=∏i=n∞(1−pi)≤∏i=n∞exp⁡{−pi}=exp⁡{−∑i=n∞pi}=0.\begin{split}P\Big{(}\mcap_{i=n}^{\infty}A_{i}^{c}\Big{)}&=\prod\limits_{i=n}^% {\infty}P(A_{i}^{c})=\prod\limits_{i=n}^{\infty}(1-p_{i})\\ &\leq\prod\limits_{i=n}^{\infty}\exp\{-p_{i}\}=\exp\big{\{}-\sum_{i=n}^{\infty% }p_{i}\big{\}}=0.\end{split} (2.29)

Terminando a prova do lema. ∎

\todosec

Tópico: Uma dinâmica em [0,1][0,1]fazer dinâmica 2x mod 1 e relações Lebesgue[0,1] com produtos de bernoulli