Условное математическое ожидание

Дата публикации

18 октября 2026

ПредупреждениеЧерновик

Этот конспект ещё находится в процессе редактуры: в тексте могут встречаться опечатки, неточности и локально не проработанные места. Если что-то нашли — сообщите, пожалуйста, автору (контакты на странице курса).

Условное математическое ожидание — главная конструкция современной теории вероятностей и, пожалуй, самая полезная её экспортная технология. Вопрос, на который оно отвечает, — вопрос любого прогноза: какова наилучшая оценка величины \(\xi\), если доступна лишь часть информации? Прогноз завтрашней цены по сегодняшним данным, оценка положения объекта по зашумлённым измерениям (фильтр Калмана), резерв страховщика по текущей истории убытков — всё это условные матожидания. Ключевая идея Колмогорова: информация — это \(\sigma\)-алгебра (набор событий, о которых мы знаем, произошли они или нет), а УМО — проекция величины на доступную информацию. На этой конструкции стоит вся теория мартингалов (курс СП: «мартингал — игра, в которой УМО завтрашнего капитала равно сегодняшнему») и вся теория регрессии (курс статистики).

План — от простого к общему, по Ширяеву [@shiryaev2016probability] (гл. 2,  7) и Кленке [@klenke2020probability] (гл. 8): элементарные условные вероятности \(\to\) УМО относительно разбиения \(\to\) общее определение через Радона–Никодима \(\to\) полный набор свойств \(\to\) геометрия проекции \(\to\) игла Бюффона как демонстрация силы метода.

1 Элементарные условные конструкции

Напомним конструкции первого курса. Для событий \(A\), \(B\) с \(\mathbb {P}\left(B\right) > 0\) условная вероятность \(\mathbb {P}\left(A \mid B\right) = \frac{\mathbb {P}\left(A \cap B\right)}{\mathbb {P}\left(B\right)}\); отображение \(A \mapsto \mathbb {P}\left(A \mid B\right)\) — полноценная вероятностная мера. Для не более чем счётного разбиения \(\Omega = \bigsqcup_i B_i\) работают формула полной вероятности \(\mathbb {P}\left(A\right) = \sum_i \mathbb {P}\left(A \mid B_i\right)\mathbb {P}\left(B_i\right)\) и формула Байеса

\[ \mathbb {P}\left(B_k \mid A\right) = \frac{\mathbb {P}\left(A \mid B_k\right)\, \mathbb {P}\left(B_k\right)}{\sum _i \mathbb {P}\left(A \mid B_i\right)\, \mathbb {P}\left(B_i\right)}. \]

ExampleПример 1 - Тест на дефект

На производстве \(2\%\) устройств дефектны. Экспресс-тест обнаруживает дефект с вероятностью \(95\%\), но с вероятностью \(10\%\) даёт ложную тревогу на исправном устройстве. Тест сработал. Какова вероятность, что устройство действительно дефектно? А какова вероятность дефекта, если тест промолчал?

SolutionРешение

Пусть \(B\) — «дефект», \(A\) — «тест сработал». По формуле Байеса \[ \mathbb {P}\left(B \mid A\right) = \frac{0{,}95 \cdot 0{,}02}{0{,}95 \cdot 0{,}02 + 0{,}1 \cdot 0{,}98} = \frac{19}{117} \approx 16{,}2\% . \] Итак, после «тревоги» дефект — всё ещё скорее исключение: ложные срабатывания на массивном классе исправных устройств задавили редкий истинный сигнал (та же «байесова ловушка», что и в медицинских тестах). Зато молчание теста почти гарантирует исправность: \[ \mathbb {P}\left(B \mid A^\complement \right) = \frac{0{,}05 \cdot 0{,}02}{0{,}05 \cdot 0{,}02 + 0{,}9 \cdot 0{,}98} = \frac{1}{883} \approx 0{,}11\% . \] Асимметрия ответов — норма: скрининговые тесты проектируют так, чтобы не пропускать (высокая чувствительность), мирясь с ложными тревогами, которые затем отфильтрует более точный тест.

Теперь — условное матожидание при элементарной информации. Для \(\xi\) с \(\mathbb {E}\left[\left|\xi \right|\right] < \infty\) и события \(A\) с \(\mathbb {P}\left(A\right) > 0\) положим

\[ \mathbb {E}\left[\xi \mid A\right] := \frac{\mathbb {E}\left[\xi \; \mathbb {1}_{A}\right]}{\mathbb {P}\left(A\right)} \]

— среднее значение \(\xi\) «внутри» события \(A\) (матожидание по мере \(\mathbb {P}\left(\cdot \mid A\right)\)).

Определение 1 Пусть \(D = \left\{ D_1, D_2, \ldots \right\}\) — не более чем счётное разбиение \(\Omega\) на события положительной вероятности. УМО относительно разбиения \(D\) — случайная величина \[ \mathbb {E}\left[\xi \mid D\right](\omega ) = \sum _i \mathbb {E}\left[\xi \mid D_i\right] \cdot \; \mathbb {1}_{D_i}(\omega ). \]

Прочитайте определение внимательно: УМО — случайная величина, а не число. На каждой ячейке она постоянна и равна среднему значению \(\xi\) по ячейке: мы «размыли» величину до уровня доступной информации.

УведомлениеЗдесь будет интерактивная иллюстрация

Интерактивная иллюстрация ещё не создана. См. исходник: /home/nedosh/Documents/online_math_notes/math-notes_FPMI_2/courses/nedosh_courses/courses/04-probability/02_PT/contents/specials/110/01_conditional_step_fig.tex.

Два свойства этой конструкции — ключ ко всему дальнейшему (Кленке, лемма 8.10):

Утверждение 1 Пусть \(\mathcal{G} = \sigma (D)\) — \(\sigma\)-алгебра, порождённая разбиением (объединения ячеек). Тогда:

  1. \(\mathbb {E}\left[\xi \mid D\right]\) измерима относительно \(\mathcal{G}\);

  2. для любого \(A \in \mathcal{G}\) выполнено \(\mathbb {E}\left[\mathbb {E}\left[\xi \mid D\right] \cdot \; \mathbb {1}_{A}\right] = \mathbb {E}\left[\xi \, \; \mathbb {1}_{A}\right]\).

  1. — функция постоянна на ячейках. (2) — для \(A = \bigsqcup_{j \in J} D_j\) имеем \[ \mathbb {E}\left[\mathbb {E}\left[\xi \mid D\right]\; \mathbb {1}_{A}\right] = \sum _{j \in J} \mathbb {P}\left(D_j\right) \, \mathbb {E}\left[\xi \mid D_j\right] = \sum _{j \in J} \mathbb {E}\left[\xi \; \mathbb {1}_{D_j}\right] = \mathbb {E}\left[\xi \; \mathbb {1}_{A}\right]. \]

Свойство 2 — «на каждом информационном событии средние совпадают». Замечательно, что эти два свойства не упоминают ячеек — и потому переносятся на любую \(\sigma\)-алгебру.

2 УМО относительно -алгебры

Для непрерывной информации (известно точное значение непрерывной величины \(\eta\)) ячейки \(\left\{ \eta = y\right\}\) имеют нулевую вероятность, и дробь из определения Определение 1 теряет смысл. Выход Колмогорова — определить УМО не формулой, а свойствами, подсмотренными в утверждении Утверждение 1.

Определение 2 Пусть \(\mathbb {E}\left[\left|\xi \right|\right] < \infty\) и \(\mathcal{G} \subseteq \mathcal{F}\) — \(\sigma\)-алгебра. Условным математическим ожиданием \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\) называется случайная величина \(\zeta\) такая, что:

  1. \(\zeta\) измерима относительно \(\mathcal{G}\);

  2. для любого \(A \in \mathcal{G}\): \(\mathbb {E}\left[\zeta \, \; \mathbb {1}_{A}\right] = \mathbb {E}\left[\xi \, \; \mathbb {1}_{A}\right]\). Условная вероятность события \(B\): \(\mathbb {P}\left(B \mid \mathcal{G}\right) := \mathbb {E}\left[ \; \mathbb {1}_{B} \mid \mathcal{G} \right]\). УМО относительно случайной величины (или вектора): \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \eta \right] := \mathbb {E}\left[ \xi \mid \sigma (\eta ) \right]\).

Теорема 1 (существование и единственность) УМО существует и единственно с точностью до равенства почти наверное.

Единственность. Пусть \(\zeta\) и \(\zeta '\) удовлетворяют обоим условиям. Событие \(A = \left\{ \zeta > \zeta '\right\}\) лежит в \(\mathcal{G}\), и по условию 2

\[ \mathbb {E}\left[(\zeta - \zeta ')\, \; \mathbb {1}_{A}\right] = \mathbb {E}\left[\xi \; \mathbb {1}_{A}\right] - \mathbb {E}\left[\xi \; \mathbb {1}_{A}\right] = 0. \]

Под матожиданием стоит неотрицательная величина, значит, \(\mathbb {P}\left(A\right) = 0\); симметрично \(\mathbb {P}\left(\zeta < \zeta '\right) = 0\).

Существование. Пусть сначала \(\xi \geq 0\). Функция множеств

\[ Q(A) = \mathbb {E}\left[\xi \, \; \mathbb {1}_{A}\right], \qquad A \in \mathcal{G}, \]

— конечная мера на \((\Omega , \mathcal{G})\), абсолютно непрерывная относительно \(\mathbb {P}\) (сужённой на \(\mathcal{G}\)): из \(\mathbb {P}\left(A\right) = 0\) следует \(Q(A) = 0\). По теореме Радона–Никодима (ОВиТМ) существует \(\mathcal{G}\)-измеримая плотность

\[ \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right] := \frac{dQ}{d\mathbb {P}}\bigg|_{\mathcal{G}}, \]

и определяющее свойство 2 — это в точности \(Q(A) = \int_A \frac{dQ}{d\mathbb {P}}\, d\mathbb {P}\). Общий случай — разность \(\xi = \xi^+ - \xi^-\).

Итак, УМО — производная Радона–Никодима: весь аппарат теории меры, построенный в ОВиТМ «про запас», выстрелил именно здесь. Два замечания к определению:

Mn-remarkЗамечание

2.1 версии

УМО определено с точностью до множества нулевой вероятности; каждая конкретная \(\mathcal{G}\)-измеримая функция с этими свойствами называется версией УМО. Все равенства с УМО — равенства п.н., даже когда мы не пишем этого явно.

Mn-remarkЗамечание

2.2 {УМО в точке: \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \eta = y \right]\)}

По лемме Дуба о факторизации \(\sigma (\eta )\)-измеримость означает \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \eta \right] = m(\eta )\) для некоторой борелевской функции \(m\). Функция \(m(y) =: \mathbb {E}\left[ \xi \mid \eta = y \right]\) определяется (Ширяев, определение 4) требованием \[ \mathbb {E}\left[\xi \, \; \mathbb {1}_{\eta \in B}\right] = \int _B m(y)\, \mathbb {P}_\eta (dy) \qquad \text{для всех } B \in \mathscr {B}\left(\mathbb {R}\right) \] — это снова Радон–Никодим, но уже на прямой, относительно распределения \(\mathbb {P}_\eta\). Зная \(m\), восстанавливаем \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \eta \right] = m(\eta )\), и наоборот. Функцию \(m\) мы будем называть регрессионной — в теме 12 она станет главным героем.

3 Свойства

Утверждение 2 (свойства УМО) Пусть \(\xi , \eta\) интегрируемы, \(\mathcal{G}, \mathcal{G}_1, \mathcal{G}_2 \subseteq \mathcal{F}\) — \(\sigma\)-алгебры. Все равенства — п.н.

  1. (линейность) \(\mathbb {E}\left[ a\xi + b\eta \mid \mathcal{G} \right] = a\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right] + b\mathbb {E}\left[ \eta \mid \mathcal{G} \right]\); (монотонность) \(\xi \leq \eta \Rightarrow \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right] \leq \mathbb {E}\left[ \eta \mid \mathcal{G} \right]\);

  2. (неравенство треугольника) \(\left|\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\right| \leq \mathbb {E}\left[ \left|\xi \right| \mid \mathcal{G} \right]\);

  3. (крайние случаи) \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \left\{ \varnothing , \Omega \right\} \right] = \mathbb {E}\left[\xi \right]\); \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{F} \right] = \xi\); вообще, если \(\mathbb {P}\left(A\right) \in \left\{ 0,1\right\}\) для всех \(A \in \mathcal{G}\), то \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right] = \mathbb {E}\left[\xi \right]\);

  4. (полное усреднение) \(\mathbb {E}\left[\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\right] = \mathbb {E}\left[\xi \right]\);

  5. (телескопичность, tower property) если \(\mathcal{G}_1 \subseteq \mathcal{G}_2\), то

    \[ \mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_2] \mid \mathcal{G}_1 \right] = \mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_1] \mid \mathcal{G}_2 \right] = \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G}_1 \right] \]

    («выживает меньшая информация» — в обоих порядках усреднения);

  6. (вынос известного) если \(\eta\) измерима относительно \(\mathcal{G}\) и \(\xi \eta\) интегрируема, то \(\mathbb {E}\left[ \xi \eta \mid \mathcal{G} \right] = \eta \, \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\);

  7. (независимость) если \(\sigma (\xi )\) и \(\mathcal{G}\) независимы, то \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right] = \mathbb {E}\left[\xi \right]\).

Доказательства (Ширяев, свойства A–K; Кленке, теорема 8.14) устроены по одному шаблону: правая часть очевидно \(\mathcal{G}\)-измерима, и остаётся проверить определяющее равенство \(\mathbb {E}\left[\cdot \, \; \mathbb {1}_{A}\right] = \mathbb {E}\left[\xi \eta \, \; \mathbb {1}_{A}\right]\) на \(A \in \mathcal{G}\) — затем сослаться на единственность. Например, вынос известного: для \(\eta = \; \mathbb {1}_{B}\), \(B \in \mathcal{G}\), равенство \(\mathbb {E}\left[\; \mathbb {1}_{B}\, \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\, \; \mathbb {1}_{A}\right] = \mathbb {E}\left[\xi \; \mathbb {1}_{B}\; \mathbb {1}_{A}\right]\) — это определяющее свойство на событии \(A \cap B \in \mathcal{G}\); дальше линейность (простые \(\eta\)) и предельный переход по монотонности. Телескопичность разберём в задачах. Свойства 4–6 — ежедневный рабочий набор; выучите их до автоматизма: весь курс СП — виртуозное жонглирование ими.

Mn-remarkЗамечание

3.1 осторожно: проекции не коммутируют

В свойстве 5 вложенность \(\mathcal{G}_1 \subseteq \mathcal{G}_2\) существенна. Для произвольных \(\sigma\)-алгебр, вообще говоря, \[ \mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_1] \mid \mathcal{G}_2 \right] \neq \mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_2] \mid \mathcal{G}_1 \right] \] — последовательное проецирование на два невложенных подпространства зависит от порядка (контрпример — в задачах). Это классическая ошибка в выкладках с УМО.

Следующая группа свойств — «анализ» условных ожиданий: предельные переходы и неравенства.

Теорема 2 (о предельных переходах под знаком УМО) Пусть \(\xi_n \to \xi\) п.н.

  1. (условная монотонная сходимость) если \(0 \leq \xi_n \uparrow \xi\) и \(\xi\) интегрируема, то \(\mathbb {E}\left[ \xi_n \mid \mathcal{G} \right] \uparrow \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\);

  2. (условная лемма Фату) если \(\xi_n \geq 0\), то \(\mathbb {E}\left[ \liminf_n \xi_n \mid \mathcal{G} \right] \leq \liminf_n \mathbb {E}\left[ \xi_n \mid \mathcal{G} \right]\);

  3. (условная мажорируемая сходимость) если \(\left|\xi_n\right| \leq \eta\) п.н.с интегрируемой \(\eta\), то

    \[ \mathbb {E}\left[ \xi _n \mid \mathcal{G} \right] \xrightarrow [n \to \infty ]{} \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right] \quad \text{п.н.\ и в } L^1. \]

Теорема 3 (условное неравенство Йенсена) Пусть \(g\) выпукла на интервале \(I\), \(\xi\) принимает значения в \(I\) и интегрируема. Тогда \[ g\left(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\right) \leq \mathbb {E}\left[ g(\xi ) \mid \mathcal{G} \right] \quad \text{п.н.} \]

Следствие 1 (сжатие в \(L^p\)) Для \(p \geq 1\) оператор \(\xi \mapsto \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\) — сжатие \(L^p \to L^p\): \(\left\| \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\right\|_{p} \leq \left\| \xi \right\|_{p}\). В частности, он непрерывен: из \(\xi_n \xrightarrow {L^p} \xi\) следует \(\mathbb {E}\left[ \xi_n \mid \mathcal{G} \right] \xrightarrow {L^p} \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\).

(Йенсен с \(g(x) = \left|x\right|^p\) плюс полное усреднение.) Ещё одно следствие Йенсена пригодится в мартингальной теории: для интегрируемой \(\xi\) семейство \(\left\{ \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right] \colon \mathcal{G} \subseteq \mathcal{F}\right\}\) по всем под-\(\sigma\)-алгебрам равномерно интегрируемо (Кленке, следствие 8.22) — усреднение не может «разогнать» хвосты.

4 УМО как проекция

Теорема 4 (наилучший прогноз) Пусть \(\mathbb {E}\left[\xi^2\right] < \infty\). Тогда для любой \(\mathcal{G}\)-измеримой \(Z\) с \(\mathbb {E}\left[Z^2\right] < \infty\) \[ \mathbb {E}\left[\left(\xi - \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\right)^2\right] \leq \mathbb {E}\left[(\xi - Z)^2\right], \] т.е.\(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\) — ортогональная проекция \(\xi\) на подпространство \(L^2(\mathcal{G}) \subseteq L^2(\mathcal{F})\): наилучшее среднеквадратичное приближение \(\xi\) величинами, вычислимыми по доступной информации.

УведомлениеЗдесь будет интерактивная иллюстрация

Интерактивная иллюстрация ещё не создана. См. исходник: /home/nedosh/Documents/online_math_notes/math-notes_FPMI_2/courses/nedosh_courses/courses/04-probability/02_PT/contents/specials/110/02_projection_fig.tex.

Геометрическая точка зрения — самая продуктивная: \(L^2\) — гильбертово пространство (ОВиТМ), УМО — оператор проекции, ошибка прогноза \(\xi - \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G} \right]\) ортогональна всему, что мы знаем. Интуиция свойств из этой картинки бесплатна: телескопичность — «проекция на меньшее подпространство поглощает проекцию на большее»; сжатие — «проекция не удлиняет вектор»; независимость — «перпендикулярную информацию проекция игнорирует». Машинное обучение в терминах этой теоремы: обучение регрессии — попытка приблизить проекцию \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \eta \right]\) по конечной выборке; она — теоретический потолок качества любого алгоритма.

5 Пример: игла Бюффона

Закончим теорию демонстрацией силы схемы «обусловься — усредни» на задаче, с которой в 1777 году началась геометрическая вероятность.

ExampleПример 2 - Игла Бюффона

На плоскость, разлинованную параллельными прямыми на единичном расстоянии, «наудачу» бросают иглу единичной длины. Какова вероятность, что игла пересечёт какую-нибудь прямую?

SolutionРешение

Формализуем «наудачу»: пусть \(\xi\) — расстояние от середины иглы до левой прямой, \(\theta\) — угол иглы к направлению прямых; считаем \(\xi \sim \operatorname {U}[0,1]\), \(\theta \sim \operatorname {U}\left[-\frac{\pi }{2}, \frac{\pi }{2}\right]\) независимыми. Игла пересекает прямую, когда проекция полудлины на перпендикуляр накрывает расстояние до прямой: \[ A = \left\{ \xi \leq \tfrac 12\cos \theta \right\} \cup \left\{ \xi \geq 1 - \tfrac 12\cos \theta \right\} . \] Обусловимся по углу (полное усреднение + независимость: при известном \(\theta = a\) величина \(\xi\) остаётся равномерной): \[ \mathbb {P}\left(A\right) = \mathbb {E}\left[\mathbb {P}\left(A \mid \theta \right)\right] = \frac{1}{\pi }\int _{-\pi /2}^{\pi /2} \mathbb {P}\left(\xi \in \left[0, \tfrac 12\cos a\right] \cup \left[1 - \tfrac 12\cos a, 1\right]\right)\, da = \frac{1}{\pi }\int _{-\pi /2}^{\pi /2} \cos a \, da = \frac{2}{\pi }. \] Ответ \(\frac{2}{\pi } \approx 0{,}637\) примечателен дважды. Во-первых, методологически: двумерная геометрическая задача распалась на семейство одномерных — фиксируем угол, считаем элементарную вероятность, усредняем по углу; так работает вся вычислительная машинерия условных конструкций. Во-вторых, исторически: бросая иглу \(n\) раз и считая частоту пересечений, можно статистически измерить \(\pi\) — эксперимент Бюффона был первым методом Монте-Карло в истории, за два века до появления термина.

УведомлениеЗдесь будет интерактивная иллюстрация

Интерактивная иллюстрация ещё не создана. См. исходник: /home/nedosh/Documents/online_math_notes/math-notes_FPMI_2/courses/nedosh_courses/courses/04-probability/02_PT/contents/specials/110/03_buffon_fig.tex.

6 Задачи

ProblemЗадача 1

Бросаются два правильных кубика; \(\eta\) — очки на первом, \(\xi\) — сумма очков. Найдите \(\mathbb {E}\left[ \xi \mid \eta \right]\) и \(\mathbb {E}\left[ \eta \mid \xi \right]\). Убедитесь, что это разные случайные величины, и проверьте для обеих свойство полного усреднения.

ProblemЗадача 2

(Отсутствие памяти.) Время работы прибора \(\eta\) имеет плотность \(f_\eta\); известно, что прибор уже проработал время \(a\).

  1. Выпишите общую формулу для среднего остаточного времени работы \(\mathbb {E}\left[\eta - a \mid \eta \geq a\right]\).

  2. Вычислите её для \(\eta \sim \operatorname {Exp}(\lambda )\) и покажите, что условное распределение остатка \(\mathbb {P}\left(\eta - a \leq x \mid \eta \geq a\right)\) совпадает с безусловным распределением \(\eta\).

  3. Докажите обратное: если \(\mathbb {P}\left(\eta > t + s \mid \eta > s\right) = \mathbb {P}\left(\eta > t\right)\) для всех \(s, t \geq 0\), то \(\eta\) экспоненциальна.

ProblemЗадача 3

Докажите свойство телескопичности: если \(\mathcal{G}_1 \subseteq \mathcal{G}_2\), то \(\mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_2] \mid \mathcal{G}_1 \right] = \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G}_1 \right]\) и \(\mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_1] \mid \mathcal{G}_2 \right] = \mathbb {E}\left[ \xi \mid \mathcal{G}_1 \right]\).

ProblemЗадача 4

Пусть \(\xi_1, \ldots , \xi_n\) независимы, одинаково распределены и интегрируемы, \(S_k = \xi_1 + \ldots + \xi_k\).

  1. Найдите \(\mathbb {E}\left[ \xi_1 \mid S_n \right]\).

  2. Пусть \(\mathbb {E}\left[\xi_i\right] = 0\) и \(m \leq n\). Покажите, что \(\mathbb {E}\left[ S_n \mid \xi_1, \ldots , \xi_m \right] = S_m\) и \(\mathbb {E}\left[ S_n \mid S_m \right] = S_m\).

ProblemЗадача 5

Докажите теорему Теорема 4 о наилучшем прогнозе.

ProblemЗадача 6

(Условное неравенство Коши–Буняковского–Шварца.) Докажите: для \(\xi , \eta \in L^2\) \[ \left(\mathbb {E}\left[ \xi \eta \mid \mathcal{G} \right]\right)^2 \leq \mathbb {E}\left[ \xi ^2 \mid \mathcal{G} \right] \cdot \mathbb {E}\left[ \eta ^2 \mid \mathcal{G} \right] \quad \text{п.н.} \]

ProblemЗадача 7*

6.1 Проекции не коммутируют

Постройте пример, в котором \(\mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_1] \mid \mathcal{G}_2 \right] \neq \mathbb {E}\left[ \mathbb {E}\left[\xi \right][\mathcal{G}_2] \mid \mathcal{G}_1 \right]\).

ProblemЗадача 8

(Формула Вальда.) Страховая компания за год получает случайное число исков \(N\), независимое от их размеров; размеры \(\xi_1, \xi_2, \ldots\) независимы, одинаково распределены, \(\mathbb {E}\left[\xi_1\right] = m\). Для суммарного убытка \(S = \xi_1 + \ldots + \xi_N\) (при \(N = 0\) сумма пуста) докажите \(\mathbb {E}\left[S\right] = m\, \mathbb {E}\left[N\right]\).