4.3 Probabilidade Condicional Regular

Já sabemos definir por exemplo E⁢(\1A|X=x)E(\1_{A}|X=x). Gostaríamos porém de garantir que essa expressão definisse uma probabilidade em AA, e chamaríamos essa probabilidade de P⁢(A|X=x)P(A|X=x). Mas certamente gostaríamos que P(⋅|X=x)P(\cdot|X=x) fosse uma função σ\sigma-aditiva. Essa especulação parece promissora, por exemplo se AA e BB são disjuntos,

P⁢(A∪B|ℱ′)=E⁢(\1A∪B|ℱ′)=E⁢(\1A|ℱ′)+E⁢(\1B|ℱ′)=P⁢(A|ℱ′)+P⁢(B|ℱ′).P(A\cup B|\mathcal{F}^{\prime})=E(\1_{A\cup B}|\mathcal{F}^{\prime})=E(\1_{A}|% \mathcal{F}^{\prime})+E(\1_{B}|\mathcal{F}^{\prime})=P(A|\mathcal{F}^{\prime})% +P(B|\mathcal{F}^{\prime}).

Ótimo, mas ainda temos o seguinte problema.

Lembramos que a equação acima está bem definida apenas quase certamente. Poderíamos portanto garantir que para uma classe enumerável de conjuntos A∈ℱA\in\mathcal{F}, essa aditividade fosse satisfeita. Porém, a σ\sigma-álgebra ℱ\mathcal{F} é frequentemente não enumerável, portanto não conseguimos a σ\sigma-aditividade plena. Isso pode ser contornado se o espaço for canônico, como afirma o nosso próximo resultado.

Ele nos ajudará bastante ao fazermos cálculos usando condicionais, de maneira semelhante à Lei da Probabilidade Total. Esse é o conteúdo do seguinte resultado.

{theorem}

[Teorema da Desintegração] Sejam espaços mensuráveis (Ω,ℱ)(\Omega,\mathcal{F}) e (E,𝒜)(E,\mathcal{A}), com EE canônico. Se PP é uma probabilidade no espaço produto (Ω×E,ℱ⊗𝒜)(\Omega\times E,\mathcal{F}\otimes\mathcal{A}) e denotamos por PΩ=P∘X1P_{\Omega}=P\circ X_{1} a primeira distribuição marginal de PP, então existe um núcleo de transição K:Ω×𝒜→[0,1]K:\Omega\times\mathcal{A}\to[0,1] satisfazendo

P=PΩ⋆K,P=P_{\Omega}\star K, (4.35)

Em particular,

P⁢(A×B)=∫AK⁢(ω,B)⁢PΩ⁢(ω⋅)⁢ para todo A∈ℱ, B∈𝒜.P(A\times B)=\int_{A}K(\omega,B)P_{\Omega}(\d{\omega})\text{ para todo $A\in% \mathcal{F}$, $B\in\mathcal{A}$}. (4.36)

Nesse caso denotamos K⁢(ω,B)K(\omega,B) por P⁢[X2∈B|X1=ω]P[X_{2}\in B|X_{1}=\omega] (como de costume XiX_{i} denota a ii-ésima coordenada canônica).

Demonstração.

Como de costume, basta resolver o caso (E,𝒜)=(ℝ,ℬ⁢(ℝ))(E,\mathcal{A})=(\mathbb{R},\mathcal{B}(\mathbb{R})). De fato, se assumimos a validade do teorema para a reta, podemos usar a função bi-mensurável ϕ:E→B∈ℬ⁢(ℝ)\phi:E\to B\in\mathcal{B}(\mathbb{R}) para concluir o caso geral.

Nos restringiremos agora ao espaço (Ω×ℝ,ℱ⊗ℬ⁢(ℝ),P)(\Omega\times\mathbb{R},\mathcal{F}\otimes\mathcal{B}(\mathbb{R}),P). Para cada q∈ℚq\in\mathbb{Q}, definimos PΩq:ℱ→[0,1]P^{q}_{\Omega}:\mathcal{F}\to[0,1] por

PΩq⁢(A)=P⁢((−∞,q]×A).P^{q}_{\Omega}(A)=P\big{(}(-\infty,q]\times A\big{)}. (4.37)

Observando que PΩqP^{q}_{\Omega} é absolutamente contínua com respeito a PΩP_{\Omega}, podemos definir

F⁢(ω,q)=P⋅ΩqP⋅Ω⁢(ω).F(\omega,q)=\frac{\d{P}^{q}_{\Omega}}{\d{P}_{\Omega}}(\omega). (4.38)

Observamos as seguintes propriedades de FF:

  1.  a)
    ​

    para cada q∈ℚq\in\mathbb{Q}, F⁢(⋅,q)∈[0,1]F(\cdot,q)\in[0,1], PΩP_{\Omega}-quase certamente, pois PΩq⁢(A)≤PΩ⁢(A)P^{q}_{\Omega}(A)\leq P_{\Omega}(A) para todo A∈ℱA\in\mathcal{F},

  2.  b)
    ​

    para q<q′∈ℚq<q^{\prime}\in\mathbb{Q}, F⁢(⋅,q)≤F⁢(⋅,q′)F(\cdot,q)\leq F(\cdot,q^{\prime}), PΩP_{\Omega}-quase certamente, pois PΩq⁢(A)≤PΩq′⁢(A)P^{q}_{\Omega}(A)\leq P^{q^{\prime}}_{\Omega}(A) para todo A∈ℱA\in\mathcal{F} e

  3.  c)
    ​

    F⁢(⋅,n)→1F(\cdot,n)\to 1 (analogamente F⁢(⋅,−n)→0F(\cdot,-n)\to 0) quando nn tende a infinito, PΩP_{\Omega}-quase certamente. Para ver isso, note que a sequência de variáveis aleatórias F⁢(⋅,n)F(\cdot,n) é quase certamente monótona não decrescente, logo converge PΩP_{\Omega}-quase certamente. Sendo limitada, converge em ℒ1\mathcal{L}^{1} e como sua integral em PΩP_{\Omega} converge para um, F⁢(⋅,n)→1F(\cdot,n)\to 1, quase certamente (analogamente para F⁢(⋅,−n)F(\cdot,-n)).

Existe pois um conjunto Ω′∈ℱ\Omega^{\prime}\in\mathcal{F} com PΩ⁢(Ω′)=1P_{\Omega}(\Omega^{\prime})=1 no qual as três hipóteses acima são satisfeitas. Definimos F^⁢(ω,q)\hat{F}(\omega,q) como sendo igual a F⁢(ω,q)F(\omega,q) em Ω′\Omega^{\prime} e igual a F0⁢(q)F_{0}(q) (uma função de distribuição fixa) caso contrário (que claramente será mensurável). Finalmente podemos definir F~⁢(ω,x)=infq∈ℚ;q↓xF^⁢(ω,q)\tilde{F}(\omega,x)=\inf_{q\in\mathbb{Q};q\downarrow x}\hat{F}(\omega,q), que satisfaz para todo ω\omega as hipóteses do Teorema 2.3. Logo, existe para cada ω∈Ω\omega\in\Omega uma medida K⁢(ω,⋅)K(\omega,\cdot) em (ℝ,ℬ⁢(ℝ))(\mathbb{R},\mathcal{B}(\mathbb{R})) satisfazendo K⁢(ω,(−∞,q])=F⁢(ω,q)K(\omega,(-\infty,q])=F(\omega,q) PΩP_{\Omega}-quase certamente.

Precisamos mostrar que KK é um núcleo, e para isso basta observar que F⁢(ω,q)F(\omega,q) são mensuráveis e a família {(−∞,q];q∈ℚ}\{(-\infty,q];q\in\mathbb{Q}\} forma um π\pi-sistema que gera ℬ⁢(ℝ)\mathcal{B}(\mathbb{R}).

Finalmente, vamos verificar (4.36), notando que se A∈ℱA\in\mathcal{F} e B=(−∞,q]B=(-\infty,q],

∫AK⁢(ω,B)⁢PΩ⁢(ω⋅)=∫AF⁢(ω,q)⁢PΩ⁢(ω⋅)=PΩq⁢(A)=P⁢(A×B).\int_{A}K(\omega,B)P_{\Omega}(\d{\omega})=\int_{A}F(\omega,q)P_{\Omega}(\d{% \omega})=P^{q}_{\Omega}(A)=P(A\times B). (4.39)

Como a classe BB é um π\pi-sistema gerando ℬ⁢(ℝ)\mathcal{B}(\mathbb{R}) terminamos a prova. ∎

Interpretamos P⁢[X2∈B|X1=ω]P[X_{2}\in B|X_{1}=\omega] da seguinte forma. Se alguém tiver acesso à σ\sigma-álgebra σ⁢(X1)\sigma(X_{1}), ou seja, essa pessoa é capaz de observar o valor de ω\omega, ela pode não saber o valor de X2X_{2}, mas já pode atualizar sua distribuição para P(X2∈⋅|X1=ω)P(X_{2}\in\cdot|X_{1}=\omega).

Uma das grandes vantagens de ter um núcleo de transição a determinar uma distribuição conjunta, como foi feito acima, é que podemos usar a versão generalizada de Fubini. Antes, nós somente podiamos usar Fubini para espaços construídos através de um núcleo.

{exercise}

Se Ω=E1×E2\Omega=E_{1}\times E_{2} com E2E_{2} canônico é dotado da probabilidade P⋅=ρ⁢(x1,x2)⁢μ1⊗μ2⁢(x⋅1⁢x⋅2)\d{P}=\rho(x_{1},x_{2})\mu_{1}\otimes\mu_{2}(\d{x}_{1}\d{x}_{2}), mostre que

P⁢(X2∈A|X1=x1)=∫Aρ⁢(x1,x2)⁢μ2⁢(x⋅2)∫ρ⁢(x1,x2)⁢μ2⁢(x⋅2),P(X_{2}\in A|X_{1}=x_{1})=\frac{\int_{A}\rho(x_{1},x_{2})\mu_{2}(\d{x}_{2})}{% \int\rho(x_{1},x_{2})\mu_{2}(\d{x}_{2})}, (4.40)

(X1∘P)(X_{1}\circ P)-quase certamtente.

{exercise}

Sejam X1X_{1} e X2X_{2} as projeções canônicas em um espaço produto Ω×E\Omega\times E, com EE canônico. Então, se X1X_{1} e X2X_{2} são independentes com respeito a PP, vale

P⁢[X2∈B|X1=ω]=P⁢[X2∈B]⁢ para (X1∘P)-quase todo ω.P[X_{2}\in B|X_{1}=\omega]=P[X_{2}\in B]\text{ para $(X_{1}\circ P)$-quase % todo $\omega$}. (4.41)
{exercise}

Considere em (ℝ2,ℬ⁢(ℝ2))(\mathbb{R}^{2},\mathcal{B}(\mathbb{R}^{2})) as projeções canônicas X1X_{1} e X2X_{2}. Calcule, em cada um dos exemplos abaixo, a probabilidade condicional regular P[X1∈⋅|X2=x2]P[X_{1}\in\cdot|X_{2}=x_{2}], justificando sua resposta,

  1.  a)
    ​

    Quando PP é a medida uniforme em T={(x,y)∈[0,1]2;x≤y}T=\{(x,y)\in[0,1]^{2};x\leq y\} (ou seja, a medida de Lebesgue em ℝ2\mathbb{R}^{2} restrita a TT e normalizada para ser uma probabilidade).

  2.  b)
    ​

    Quando PP é a medida US1U_{S^{1}} (uniforme em S1S^{1}).