3.1 Esperança

{definition}

Se XX é uma variável aleatória com ∫Ω|X|⁢ω⋅<∞\int_{\Omega}|X|\d{\omega}<\infty, dizemos que XX é integrável e definimos

E⁢(X)=∫ΩX⁢(ω)⁢P⁢(ω⋅),E(X)=\int_{\Omega}X(\omega)P(\d{\omega}), (3.1)

a chamada esperança de XX. Nesse caso também dizemos que X∈ℒ1X\in\mathcal{L}^{1}.

Quando X≥0X\geq 0, também podemos supor que E⁢(X)E(X) está bem definida, mesmo que possivelmente tomando valor infinito.

Não demonstraremos algumas propriedades conhecidas da integração de Lebesgue, tais como

  1.  a)
    ​

    E⁢(X+α⁢Y)=E⁢(X)+α⁢E⁢(Y)E(X+\alpha Y)=E(X)+\alpha E(Y) (se estiverem bem definidas),

  2.  b)
    ​

    Valem os Teoremas de Convergência (Monótona e Limitada).

{exercise}

Mostre que se X∈ℒ1X\in\mathcal{L}^{1} e P⁢[X>x]=0P[X>x]=0, então E⁢(X)≤xE(X)\leq x.

{lemma}

A esperança de uma variável aleatória X∈ℒ1X\in\mathcal{L}^{1} depende somente de sua distribuição. Mais precisamente

E⁢(X)=∫x⁢PX⁢(x⋅).E(X)=\int x\;P_{X}(\d{x}). (3.2)
Demonstração.

Vamos mostrar que

E⁢(f⁢(X))=∫f⁢(x)⁢(X∘P)⁢(x⋅),E\big{(}f(X)\big{)}=\int f(x)(X\circ P)(\d{x}), (3.3)

para toda f:ℝ→ℝf:\mathbb{R}\to\mathbb{R} mensurável tal que f⁢(X)∈ℒ1f(X)\in\mathcal{L}^{1}.

Para f=\1Af=\1_{A}, temos

E⁢(f⁢(X))=P⁢[X∈A]=(X∘P)⁢(A),E\big{(}f(X)\big{)}=P[X\in A]=(X\circ P)(A), (3.4)

por definição de X∘PX\circ P.

Agora podemos extender o teorema para funções ff simples por linearidade, depois para funções positivas usando o Teorema da Convergência Monótona e finalmente escrevemos x=x⁢\1[0,∞)−(−x)⁢\1(−∞⁢,0)x=x\1_{[0,\infty)}-(-x)\1_{(-\infty,0)}. ∎

Vamos mostrar uma fórmula bastante simples de integração de variáveis tomando valores em um conjunto enumerável. Se X∈{x1,x2,…}X\in\{x_{1},x_{2},\dots\} PP-quase certamente, então

E⁢(X)=∫ΩX⁢P⁢(ω⋅)=∫∑i\1[X=xi]⁢X⁢P⁢(ω⋅)+∫{x1,x2,…}cX⁢P⁢(ω⋅)=∑i∫[X=xi]xi⁢P⁢(ω⋅)+0=∑ixi⁢P⁢[X=xi].\begin{split}E(X)&=\int_{\Omega}XP(\d{\omega})=\int\sum_{i}\1_{[X=x_{i}]}XP(\d% {\omega})+\int_{\{x_{1},x_{2},\dots\}^{c}}XP(\d{\omega})\\ &=\sum_{i}\int_{[X=x_{i}]}x_{i}P(\d{\omega})+0=\sum_{i}x_{i}P[X=x_{i}].\end{split} (3.5)

Para nos acostumar à notação de probabilidade, vamos agora mostrar o mesmo resultado da seguinte forma

E⁢(X)=E⁢(∑iX⁢\1[X=xi])+E⁢(X⁢\1{x1,x2,…}c)=∑iE⁢[X;X=xi]+0=∑ixi⁢P⁢[X=xi].\begin{split}E(X)&=E\Big{(}\sum_{i}X\1_{[X=x_{i}]}\Big{)}+E(X\1_{\{x_{1},x_{2}% ,\dots\}^{c}})\\ &=\sum_{i}E[X;X=x_{i}]+0=\sum_{i}x_{i}P[X=x_{i}].\end{split} (3.6)

Que é certamente muito útil quando nos habituamos a ela.

Observe que acima usamos a notação E⁢[X;𝒬]=E⁢(X⁢\1[𝒬])E[X;\mathcal{Q}]=E(X\1_{[\mathcal{Q}]}). Também utilizaremos E⁢[X;𝒬1,𝒬2,…]=E⁢(X⁢\1[𝒬1,𝒬2,…])E[X;\mathcal{Q}_{1},\mathcal{Q}_{2},\dots]=E(X\1_{[\mathcal{Q}_{1},\mathcal{Q}% _{2},\dots]})

{example}

Se X⁢∼𝑑⁢\Ber⁢(p)X\overset{d}{\sim}\Ber(p), então E⁢(X)=0⋅P⁢[X=0]+1⁢P⁢[X=1]=0+p=pE(X)=0\cdot P[X=0]+1P[X=1]=0+p=p.

{example}

Seja X⁢∼𝑑⁢\Bin⁢(n,p)X\overset{d}{\sim}\Bin(n,p), então, para calcular E⁢(X)E(X), basta calcular E⁢(Y)E(Y) onde X⁢∼𝑑⁢YX\overset{d}{\sim}Y. Como vimos anteriormente, se Z1,Z2,…,ZnZ_{1},Z_{2},\dots,Z_{n} são variáveis \iid(relembrando: independentes e identicamente distribuídos) com Z1⁢∼𝑑⁢\Ber⁢(p)Z_{1}\overset{d}{\sim}\Ber(p), então Y=∑iZi⁢∼𝑑⁢\Bin⁢(n,p)Y=\sum_{i}Z_{i}\overset{d}{\sim}\Bin(n,p). Logo

E⁢(X)=E⁢(Y)=∑iE⁢(Zi)=n⁢p.E(X)=E(Y)=\sum_{i}E(Z_{i})=np. (3.7)

Se d⁢(X∘P)=ρ⁢(x)⁢x⋅d(X\circ P)=\rho(x)\d{x} (com ρ≥0\rho\geq 0 e ∫ρ⁢(x)⁢x⋅=1\int\rho(x)\d{x}=1), então

E⁢(X)=∫x⁢(X∘P)⁢(x⋅)=∫x⁢ρ⁢(x)⁢x⋅.E(X)=\int x(X\circ P)(\d{x})=\int x\rho(x)\d{x}. (3.8)
{example}

Se X⁢∼𝑑⁢U[0,1]X\overset{d}{\sim}U_{[0,1]}, então sua densidade com respeito a Lebesgue é dada por d⁢(X∘P)=\1[0,1]⁢x⋅d(X\circ P)=\1_{[0,1]}\d{x}, donde E⁢(X)=∫01x⁢x⋅=1/2E(X)=\int_{0}^{1}x\d{x}=1/2.

{proposition}

Se X≥0X\geq 0 PP-q.c., então

E(X)=∫0∞P[X>x]x⋅)=∫0∞1−F(x)x⋅.E(X)=\int_{0}^{\infty}P[X>x]\d{x})=\int_{0}^{\infty}1-F(x)\d{x}. (3.9)
Demonstração.
E⁢(X)=E⁢(∫0X1⁢x⋅)=E⁢(∫0∞\1[x<X]⁢x⋅)=Fubini⁢∫0∞E⁢(\1[x<X])⁢x⋅=∫0∞P⁢[x<X]⁢x⋅.\begin{split}E(X)&=E\Big{(}\int_{0}^{X}1\d{x}\Big{)}=E\Big{(}\int_{0}^{\infty}% \1_{[x<X]}\d{x}\Big{)}\\ &\overset{\text{Fubini}}{=}\int_{0}^{\infty}E(\1_{[x<X]})\d{x}=\int_{0}^{% \infty}P[x<X]\d{x}.\end{split} (3.10)

∎

{example}

Se X⁢∼𝑑⁢\Exp⁢(λ)X\overset{d}{\sim}\Exp(\lambda), então

P⁢[X≥x]=∫x∞λ⁢e−λ⁢t⁢t⋅=e−λ⁢x,P[X\geq x]=\int_{x}^{\infty}\lambda e^{-\lambda t}\d{t}=e^{-\lambda x}, (3.11)

donde

E⁢(X)=∫0∞e−λ⁢x⁢x⋅=1λ.E(X)=\int_{0}^{\infty}e^{-\lambda x}\d{x}=\frac{1}{\lambda}. (3.12)
{exercise}

Se X∈ℒ1X\in\mathcal{L}^{1} e P⁢[X≥x]=P⁢[X≤−x]P[X\geq x]=P[X\leq-x] para todo x≥0x\geq 0, então E⁢(X)=0E(X)=0.

{exercise}

Marcelo coleciona figurinhas de futebol. O álbum completo conterá NN figurinhas. No ii-ésimo dia, ele compra uma nova carta Xi∈{1,…,N}X_{i}\in\{1,\dots,N\}. A coleção (Xi)i≥0(X_{i})_{i\geq 0} é distribuida de maneira \iide uniforme nas figurinhas.

  1.  a)
    ​

    Para j=1,…,Nj=1,\dots,N, seja TjT_{j} o tempo passado até a aquisição da jj-ésima nova figurinha, i.e.

    T1=1 e Tj=inf{i,Xi∉{XTj′;j′<j}}.T_{1}=1\quad\text{ e }\quad T_{j}=\inf\{i,X_{i}\not\in\{X_{T_{j^{\prime}}};j^{% \prime}<j\}\}. (3.13)

    Mostre que TjT_{j} é finito quase certamente, para todo j≤Nj\leq N.

  2.  b)
    ​

    Calcule a distribuição conjunta de (T1,T2−T1,…,TN−TN−1)(T_{1},T_{2}-T_{1},\dots,T_{N}-T_{N-1}).

  3.  c)
    ​

    Calcule a esperança de TNT_{N} (o dia em que Marcelo completa seu álbum).

{exercise}

Sejam X1,X2,…X_{1},X_{2},\dots variáveis aleatórias \iide defina o primeiro tempo de récorde como

R=inf{i≥2;Xi≥X1}.R=\inf\{i\geq 2;X_{i}\geq X_{1}\}. (3.14)

Supondo que X1X_{1} é absolutamente contínua com respeito à medida de Lebesgue, encontre E⁢(R)E(R).

3.1.1 Desigualdade de Markov

{theorem}

Se X≥0X\geq 0 PP-q.c., então para todo x>0x>0,

P⁢[X≥x]≤E⁢(X)x.P[X\geq x]\leq\frac{E(X)}{x}. (3.15)
Demonstração.

Sabemos que X≥x⁢\1[X≥x]X\geq x\1_{[X\geq x]}, logo

E⁢(X)≥x⁢E⁢(\1[X≥x])=x⁢P⁢[X≥x],E(X)\geq xE(\1_{[X\geq x]})=xP[X\geq x], (3.16)

que termina a prova. ∎

O próximo exemplo serve muito bem para mostrar porque estamos interessados em desigualdades como a do Teorema 3.1.1 acima.

Em vários exemplos importantes, podemos ter dificuldade de calcular probabilidades explicitamente. Nesses casos, poderíamos gastar nossas energias tentando calculá-las a qualquer custo, ou podemos nos contentar em obter cotas superiores e inferiores para as probabilidades nas quais estamos interessados.

Em vários casos, a segunda estratégia tem uma grande vantagem sobre a primeira, por possibilitar que estudemos problemas mais complexos (e consequentemente mais importantes/interessantes) e muitas vezes sem nos afastarmos da realidade (em vários exemplos as cotas superiores e inferiores são próximas o suficiente para que não nos preocupemos).

{example}

Sejam nn patos e mm caçadores. Cada caçador escolhe um pato aleatorea e uniformemente e atira (abatendo-o com probabilidade pp). Seja X=#⁢{patos vivos}X=\#\{\text{patos vivos}\}, que pode ter uma distribuição complicada de calcular, mas

E⁢(X)=E⁢(∑i=1n\1[pato i vive])=∑i=1nP⁢[pato i vive]=n⁢P⁢[pato 1 vive]=P⁢(\mcapj=1m⁢[caçador j não mata pato 1])=n⁢P⁢[caçador j não mata pato 1]m=n⁢(1−pn).\begin{split}E(X)&=E\Big{(}\sum_{i=1}^{n}\1_{[\text{pato $i$ vive}]}\Big{)}=% \sum_{i=1}^{n}P[\text{pato $i$ vive}]\\ &=nP[\text{pato $1$ vive}]=P\Big{(}\mcap_{j=1}^{m}[\text{ca\c{c}ador $j$ n\~{a% }o mata pato $1$}]\Big{)}\\ &=nP[\text{ca\c{c}ador $j$ n\~{a}o mata pato $1$}]^{m}=n\Big{(}1-\frac{p}{n}% \Big{)}.\end{split} (3.17)

Observe que

  1.  a)
    ​

    acima obtivemos uma igualdade e

  2.  b)
    ​

    [pato i vive][\text{pato $i$ vive}], i=1,…,ni=1,\dots,n não são independentes.

Finalmente estimamos (digamos para nn par)

P⁢[patos para o jantar≤n/2]=P⁢[X≥n/2]≤E⁢(X)n/2=2⁢nn⁢(1−pn)m≤2⁢exp⁡{−p⁢mn}.\begin{split}&P[\text{patos para o jantar}\leq n/2]=P[X\geq n/2]\leq\frac{E(X)% }{n/2}\\ &\qquad=2\frac{n}{n}\Big{(}1-\frac{p}{n}\Big{)}^{m}\leq 2\exp\{-\frac{pm}{n}\}% .\end{split} (3.18)
\todosec

Tópico: Grafos Aleatóriosfazer erdos renyi…

\todosec

Tópico: Currie Weissfazer…

3.1.2 Esperança e independência

{proposition}

Sejam XX e YY variáveis aleatórias independentes e em ℒ2\mathcal{L}^{2}, então

E⁢(X⁢Y)=E⁢(X)⁢E⁢(Y).E(XY)=E(X)E(Y). (3.19)
Demonstração.

Obviamente o resultado acima é válido para funções indicadoras, pois \1A⁢\1B=\1A∩B\1_{A}\1_{B}=\1_{A\cap B}. Por linearidade, o resultado também vale para funções simples e usando o Teorema da Convergência Monótona podemos extendê-lo para funções positivas. Finalmente, decompomos X=X+−X−X=X_{+}-X_{-} e Y=Y+−Y−Y=Y_{+}-Y_{-} e lembramos que ambas estão em ℒ2\mathcal{L}^{2} para concluir a prova. ∎

{exercise}

Mostre que E⁢(X⁢Y)E(XY), E⁢(X/Y)E(X/Y), E⁢(X+Y)E(X+Y)… dependem apenas da distribuição de (X,Y)∈ℝ2(X,Y)\in\mathbb{R}^{2}.

{exercise}

Mostre que se X,Y∈ℒ1X,Y\in\mathcal{L}^{1}, então também vale E⁢(X⁢Y)=E⁢(X)⁢E⁢(Y)E(XY)=E(X)E(Y).