O Teorema 4.3 é bastante poderoso e nos permite definir e calcular diversas probabilidades, como faremos à seguir.
Nessa seção construiremos nossa última versão de probabilidade condicional regular que não se restringe a espaços produtos e nos fornecerá o que chamamos de Princípio da Substituição.
{theorem}
Sejam e espaços mensuráveis canônicos.
Considere também um elemento aleatório, então existe um núcleo de transição de a tal que
(4.42)
Também denotamos esse núcleo como , que é único no sentido que se também satisfaz (4.42), então para -quase todo .
Além disso vale o que chamamos de Princípio da Substituição:
(4.43)
Que pode ser dito de maneira estranha: , quase certamente.
Figura 4.1: O gráfico do elemento aleatório representado horizontalmente.
Os pontos marcados no eixo vertical representam o conjunto que possui medida um segundo de acordo com o Teorema 4.4
Demonstração.
Defina o elemento aleatório , dado por , que percorre o gráfico de (representado horizontalmente).
Observe que a medida possui marginais e .
Como satisfaz as condições do Teorema 4.3, existe um núcleo tal que para todo , ,
(4.44)
Fixado , é obviamente mensurável, por ser uma composição de uma função mensurável em com .
Logo, para provar (4.42), basta mostrar a segunda propriedade de esperanças condicionais.
Se , podemos escrever para algum , donde
Para mostrarmos o Princípio da Substituição, vamos usar o seguinte lema.
{lemma}
Se é um elemento aleatódio tomando valores em um espaço canônico, então seu gráfico é mensurável na -álgebra produto .
Demonstração.
Primeiramente, consideramos o caso .
Neste caso, vemos que
(4.46)
que é mensurável.
Caso seja outro espaço canônico qualquer, existe bi-mensurável e , onde é o gráfico de e .
Logo também é mensurável nesse caso.
∎
Retornando à prova de (4.43), já sabemos que é mensurável.
Além disso, por definição , ou seja a medida tem suporte em .
Logo podemos escrever
(4.47)
Mas como o integrado acima pertence a , essa integral só pode ser um se , -quase certamente, como desejado.
∎
{exercise}
Sejam e elementos aleatórios com canônico.
Então existe um núcleo de transição entre e tal que
(4.48)
Poderíamos chamar esse núcleo de .
{exercise}
Mostre que se , então
(4.49)
{exercise}
Se é variável aleatória e é um elemento aleatório canônico, mostre que
(4.50)
Vamos agora mostrar uma aplicação do que foi feito acima, tentando justificar o nome Princípio da Substituição.
{lemma}
Se são variáveis aleatórias independentes, então a função de distribuição acumulada de é dada por
(4.51)
onde .
Esse lema pode ser visto como uma generalização do Exercício 2.5.2 para o caso não absolutamente contínuo.
Vale a pena tentar diferenciar (não rigorosamente) a equação acima em .
Demonstração.
Vamos calcular
(4.52)
onde representa a função .
Agora vamos usar a hipótese que e são independentes.
Isso equivale a dizer que a distribuição conjunta desse par é igual a e pela unicidade da probabilidade condicional regular temos que , -quase certamente, veja Exercício 4.3.
Portanto,
(4.53)
terminando a prova do lema.
∎
{exercise}
Considere as medidas
(4.54)
e dada por
(4.55)
Mostre que
a)
define um núcleo de transição entre em .
b)
Se for uma cadeia de Markov em com núcleo de transição , então calcule