Propriedades básicas da esperança condicional
Nessa seção justificaremos, em certa medida, a nomenclatura “esperança condicional”.
Faremos isso mostrando que ela satisfaz várias propriedades que já conhecemos para a esperança tradicional.
Mas como podemos mostrar propriedades simples tais como a linearidade da esperança condicional?
Vamos começar com um exemplo
{proposition}
Se , então
(4.7)
Note que a igualdade acima é uma igualdade entre variáveis aleatórias.
Demonstração.
Sabemos que é uma variável aleatória bem definida.
Mais do que isso, sabemos que ela é uma candidata muito boa a .
Logo, por unicidade da esperança condicional, basta verificar que satisfaz as condições da Definição 4.1 com respeito a .
De fato
-
a)
é -mensurável, por ser uma soma de duas variáveis -mensuráveis e
-
b)
por linearidade da esperança (não da esperança condicional), temos
(4.8)
Isso termina a prova do proposição.
∎
{exercise}
Dados e , mostre que .
Uma outra propriedade bem simples da esperança condicional é a monotonicidade.
{lemma}
Se em , então
(4.9)
Em particular, se , então quase certamente.
Demonstração.
Seja , que pertence a .
Então
(4.10)
o que implica que .
∎
{proposition}
Se , com , temos
(4.11)
Em particular, , para todo .
Uma outra consequência interessante é que estará automaticamente em .
De maneira bastante informal, vamos dar uma intuição para o resultado acima.
Ao considerarmos a esperança condicional dada , nós já conhecemos as variáveis aleatórias -mensuráveis, portanto elas se comportam como constantes.
Demonstração.
Mais uma vez, basta verificar que satisfaz as condições que definem a esperança condicional.
A primeira é trivial, pois é -mensurável por ser um produto de funções -mensuráveis.
Para provar a segunda condição, começamos com o caso , implicando que , donde
Por linearidade, já sabemos que o resultado vale para funções simples e gostaríamos de extender para quaisquer positivas via Teorema da Convergência Monótona.
Um problema aqui é que mesmo que seja positiva, não sabemos se também será positiva.
Portanto, trataremos primeiramente do caso .
Para tais , sabemos pelo Lema 4.2 que quase certamente.
Daí, podemos concluir que para toda , podemos aproximá-la por baixo por simples e, pelo Teorema da Convergência Monótona,
(4.12)
O que mostra o resultado sempre que .
Além disso, pela Proposição 4.1, sabemos que .
Podemos finalmente concluir a prova por linearidade decompondo .
∎
O próximo resultado tenta corroborar nossa afirmação que a esperança condicional é uma boa maneira de aproximar uma variável aleatória.
{lemma}
Se e , então é a projeção ortogonal de no espaço vetorial .
Onde .
Demonstração.
Temos que verificar que é ortogonal a .
Ou seja, mostrar que para todo , temos
(4.13)
Note que não é claro que essa esperança faz sentido, pois não sabemos que .
Mas isso segue facilmente da Proposição 4.2.
Mas , provando o resultado.
66todo:
6
Adicionar footnote.
∎
Vimos acima uma metodologia que se repete frequentemente.
Digamos que queremos provar que uma determinada expressão nos dá a esperança condicional de algo.
Podemos começar provando esse resultado para funções indicadoras, depois para funções simples usando a linearidade provada acima.
Porém ainda falta um ingrediente bastante importante para construir ou verificar que determinadas variáveis são esperanças condicionais.
{theorem}
[Convergência Monótona para Esperanças Condicionais]
Se as variáveis satisfazem e estão todas em , então
(4.14)
Demonstração do Teorema 4.2.
Sabemos que , donde concluímos que .
Vamos demosntrar que .
-
a)
Por ser um limite de funções mensuráveis, é -mensurável.
-
b)
Dado , temos
(4.15)
O que termina a prova do teorema.
∎
No que segue, muitas vezes escreveremos para representar a esperança condicional .
{exercise}
Sejam e as coordenadas canônicas em e definimos a probabilidade , onde é uma densidade.
Dê sentido à expressão abaixo e mostre que elá é :
(4.16)
{exercise}
Seja enumerável com uma -álgebra .
Mostre que
(4.17)
Suponha que todos conjuntos tem probabilidade positiva e mostre que
(4.18)
onde é a esperança com respeito à probabilidade .
Em breve extenderemos esse tipo de resultado a espaços quaisquer.
Uma outra propriedade que a esperança condicional herda da integral é a
{proposition}
[Desigualdade de Jensen]
Se é convexa, , então
(4.19)
Demonstração.
Se for uma função linear, o resultado segue da linearidade que já provamos para a esperança condicional.
Além disso, se temos uma função linear e tal que para todo , então
(4.20)
Tomamos finalmente o supremo em todas as lineares com dos dois lados da desigualdade acima, obtendo
(4.21)
terminando a prova da proposição.
∎
{corollary}
Se , então .
Uma outra propriedade interessante da esperança condicional diz respeito a sua relação com independência.
{proposition}
Se é independente de , então
(4.22)
Demonstração.
Funções constantes são sempre mensuráveis. Além disso, se , então
(4.23)
concluindo a prova.
∎
Terminamos essa seção com o que chamamos da propriedade de torre da esperança condicional.
{proposition}
Se são ambas sub--álgebras de , então para , temos
(4.24)
ou em outras palavras, independentemente da ordem, prevalece a condição na menor -álgebra.
Consequentemente, .
Demonstração.
Como é -mensurável, a Proposição 4.2, aplicada com , mostra a primeira igualdade em (4.24).
Falta mostrar que é a esperança condicional de dada .
Obviamente ela é -mensurável, e nos resta verificar a segunda condição.
Mas para todo , lembrando que também pertence a e usando a definição de esperança condicional duas vezes,
(4.25)
O que termina a prova da proposição.
∎
{lemma}
Se é um elemento aleatório e é -mensurável, então existe uma mensurável tal que .
Demonstração.
Como de costume, consideramos primeiramente o caso
Claramente tem que pertencer a , ou seja para algum .
Neste caso colocamos , donde obtemos .
No caso em que é simples, temos .
Se é positiva, então ela é um limite crescente de funções do tipo , além disso podemos tomar crescentes, pois
(4.26)
Finalmente usamos a linearidade da composição novamente para resolver o caso geral .
∎
Se é elemento aleatório, então é obviamente -mensurável.
Pelo lema anterior, para alguma .
Nesse caso denotamos
(4.27)
{exercise}
Mostre que é única -quase certamente.
Gostaríamos de dizer que satisfaz alguma propriedade que justifique essa notação.
Apesar de que apenas na próxima seção poderemos justificar completamente essa nomenclatura, nesse momento já podemos mostrar a seguinte relação
Em outras palavras, para integrar , basta conhecermos a distribuição de e a esperança condicional de , dado que .
{exercise}
Sejam e as coordenadas canônicas em , com a probabilidade e seja em .
Mostre que
(4.28)
{exercise}
Se é um núcleo de transição entre e e é uma probabilidade em , mostre que em temos
(4.29)
Um outro resultado bastante importante é o seguinte
{theorem}
[Teorema da Convergência Dominada para Esperanças Condicionais]
Se e existe tal que para todo , então
(4.30)
Demonstração.
Seja o erro máximo à partir de .
Claramente, quase certamente e além disso
(4.31)
donde , quase certamente pelo Teorema da Convergência Dominada.
Obviamente é uma sequência positiva e não-crescente, logo decresce quase certamtente para algum .
Daí,
(4.32)
Mas .
Como vai a zero pelo Teorema da Convergência Dominada, temos que quase certamente como gostaríamos.
∎
{exercise}
Sejam variáveis aleatórias \iidem com .
-
a)
Defina e
(4.33)
Mostre que .
-
b)
Supondo agora que e , defina e
(4.34)
Mostre que .
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