En teoría de la probabilidad , la esperanza condicional , el valor esperado condicional o la media condicional de una variable aleatoria es su valor esperado evaluado con respecto a la distribución de probabilidad condicional . Si la variable aleatoria solo puede tomar un número finito de valores, las "condiciones" establecen que la variable solo puede tomar un subconjunto de esos valores. De manera más formal, cuando la variable aleatoria se define sobre un espacio de probabilidad discreto , las "condiciones" constituyen una partición de dicho espacio.
Dependiendo del contexto, la esperanza condicional puede ser una variable aleatoria o una función. La variable aleatoria se denotade forma análoga a la probabilidad condicional . La forma de la función se denota comoo un símbolo de función independiente como por ejemplose introduce con el significado.
Ejemplos
Ejemplo 1: Lanzamiento de dados
Consideremos el lanzamiento de un dado justo y sea A = 1 si el número es par (es decir, 2, 4 o 6) y A = 0 en caso contrario. Además, sea B = 1 si el número es primo (es decir, 2, 3 o 5) y B = 0 en caso contrario.
La expectativa incondicional de A es, pero la esperanza de A condicionada a B = 1 (es decir, condicionada a que el lanzamiento del dado sea 2, 3 o 5) esy la esperanza de A condicionada a B = 0 (es decir, condicionada a que el lanzamiento del dado sea 1, 4 o 6) es. Asimismo, la esperanza de B condicionada a A = 1 esy la esperanza de B condicionada a A = 0 es.
Ejemplo 2: Datos de precipitación
Supongamos que tenemos datos de precipitación diaria (mm de lluvia por día) recopilados por una estación meteorológica durante un período de diez años (3652 días) desde el 1 de enero de 1990 hasta el 31 de diciembre de 1999. La expectativa incondicional de precipitación para un día no especificado es el promedio de las cantidades de precipitación de esos 3652 días. La expectativa condicional de precipitación para un día no especificado que se sabe que es (condicionado a ser) en el mes de marzo, es el promedio de la precipitación diaria durante los 310 días del período de diez años que caen en marzo. De manera similar, la expectativa condicional de precipitación condicionada a los días con fecha del 2 de marzo es el promedio de las cantidades de precipitación que ocurrieron en los diez días con esa fecha específica.
Historia
El concepto relacionado de probabilidad condicional se remonta al menos a Laplace , quien calculó distribuciones condicionales. Fue Andrey Kolmogorov quien, en 1933, lo formalizó utilizando el teorema de Radon-Nikodym . [ 1 ] En los trabajos de Paul Halmos [ 2 ] y Joseph L. Doob [ 3 ] de 1953, la esperanza condicional se generalizó a su definición moderna utilizando sub -σ -álgebras . [ 4 ]
Definiciones
Condicionamiento en un evento
Si A es un evento encon probabilidad distinta de cero, y X es una variable aleatoria discreta , la esperanza condicional de X dado A es
donde la suma se toma sobre todos los resultados posibles de X.
Si, la esperanza condicional no está definida debido a la división por cero .
Variables aleatorias discretas
Si X e Y son variables aleatorias discretas , la esperanza condicional de X dado Y es
dóndees la función de masa de probabilidad conjunta de X e Y. La suma se toma sobre todos los resultados posibles de X.
Como se indicó anteriormente, la expresión no está definida si.
Condicionar una variable aleatoria discreta es lo mismo que condicionar el evento correspondiente:
donde A es el conjunto.
variables aleatorias continuas
Dejarysean variables aleatorias continuas con densidad conjunta densidad y densidad condicionaldedado el evento La expectativa condicional dedadoes
Cuando el denominador es cero, la expresión no está definida.
Condicionar sobre una variable aleatoria continua no es lo mismo que condicionar sobre el evento.como en el caso discreto. Para más información, véase Condicionamiento a un evento de probabilidad cero . No respetar esta distinción puede llevar a conclusiones contradictorias, como ilustra la paradoja de Borel-Kolmogorov .
Variables aleatorias L 2
Se supone que todas las variables aleatorias en esta sección están en, es decir, integrable al cuadrado . En su máxima generalidad, la esperanza condicional se desarrolla sin esta suposición, véase más adelante en Esperanza condicional con respecto a una sub- σ -álgebra . ElSin embargo, la teoría se considera más intuitiva [ 5 ] y admite generalizaciones importantes . En el contexto deVariables aleatorias, la esperanza condicional también se denomina regresión .
En lo que sigue, dejemossea un espacio de probabilidad, yen con significay varianza. La expectativaminimiza el error cuadrático medio :
La esperanza condicional de X se define de forma análoga, excepto que en lugar de un solo número , el resultado será una función. Dejarsea un vector aleatorio . La esperanza condicionales una función medible tal que
Tenga en cuenta que, a diferencia de, la expectativa condicionalGeneralmente no es único: puede haber múltiples minimizadores del error cuadrático medio.
Unicidad
Ejemplo 1 : Consideremos el caso en que Y es la variable aleatoria constante que siempre es 1. Entonces, el error cuadrático medio se minimiza mediante cualquier función de la forma
Ejemplo 2 : Consideremos el caso en que Y es un vector aleatorio bidimensional.Entonces claramente
pero en términos de funciones se puede expresar comooo de infinitas otras maneras. En el contexto de la regresión lineal , esta falta de unicidad se denomina multicolinealidad .
La expectativa condicional es única salvo un conjunto de medida cero en. La medida utilizada es la medida de avance inducida por Y .
En el primer ejemplo, la medida pushforward es una distribución de Dirac en 1. En el segundo se concentra en la "diagonal"., de modo que cualquier conjunto que no lo interseque tiene medida 0.
Existencia
La existencia de un minimizador parano es trivial. Se puede demostrar que
es un subespacio cerrado del espacio de Hilbert. [ 6 ] Por el teorema de proyección de Hilbert , la condición necesaria y suficiente para ser un minimizador es que para todosen M tenemos
En otras palabras, esta ecuación dice que el residuoes ortogonal al espacio M de todas las funciones de Y. Esta condición de ortogonalidad, aplicada a las funciones indicadoras, se utiliza a continuación para extender la expectativa condicional al caso en que X e Y no necesariamente están en.
Conexiones con la regresión
La esperanza condicional se suele aproximar en matemáticas aplicadas y estadística debido a las dificultades para calcularla analíticamente y para la interpolación. [ 7 ]
El subespacio de Hilbert
La definición anterior se reemplaza con subconjuntos de la misma al restringir la forma funcional de g , en lugar de permitir cualquier función medible. Ejemplos de esto son la regresión de árboles de decisión cuando se requiere que g sea una función simple , la regresión lineal cuando se requiere que g sea afín , etc.
Estas generalizaciones de la esperanza condicional conllevan el riesgo de que muchas de sus propiedades dejen de cumplirse. Por ejemplo, sea M el espacio de todas las funciones lineales de Y y seadenota esta expectativa condicional generalizada/proyección. Sino contiene las funciones constantes , la propiedad de torre no se mantendrá.
Un caso especial importante se da cuando X e Y siguen una distribución normal conjunta. En este caso, se puede demostrar que la esperanza condicional es equivalente a la regresión lineal:
para coeficientesdescrito en Distribución normal multivariada#Distribuciones condicionales .
Expectativa condicional con respecto a un subálgebra σ

Considere lo siguiente:
- es un espacio de probabilidad .
- es una variable aleatoria en ese espacio de probabilidad con esperanza finita.
- es una sub- σ -álgebra de.
Desdees un sub-álgebra de, la funciónPor lo general no lo es-medible, por lo tanto la existencia de las integrales de la forma, dóndeyes la restricción deano se puede afirmar en general. Sin embargo, los promedios localesse puede recuperar encon la ayuda de la expectativa condicional.
Una esperanza condicional de X dada, denotado como, es alguno- función medibleque satisface:
para cada. [ 8 ]
Como se señala en eldiscusión, esta condición es equivalente a decir que el residuoes ortogonal a las funciones indicadoras:
Existencia
La existencia dese puede establecer observando queparaes una medida finita enque es absolutamente continuo con respecto a . Sies la inyección natural dea, entonceses la restricción deayes la restricción dea. Además,es absolutamente continuo con respecto a, debido a la condición
implica
Por lo tanto, tenemos
donde las derivadas son derivadas de Radon-Nikodym de medidas.
Esperanza condicional con respecto a una variable aleatoria
Considere, además de lo anterior,
- Un espacio mensurable, y
- Una variable aleatoria.
La esperanza condicional de X dado Y se define aplicando la construcción anterior sobre el σ -álgebra generada por Y :
Según el lema de Doob-Dynkin , existe una función medible.de tal manera que
Discusión
- Esta no es una definición constructiva; simplemente se nos da la propiedad requerida que debe satisfacer una expectativa condicional.
- La definición depuede parecerse a la depara un eventopero estos son objetos muy diferentes. El primero es un-función medible, mientras que este último es un elemento deypara.
- Se puede demostrar que la unicidad es casi segura : es decir, las versiones de la misma expectativa condicional solo diferirán en un conjunto de probabilidad cero .
- A menudo, a uno le gustaría pensar encomo medida sobrepara H fijo. Por ejemplo, es extremadamente útil afirmar quees aditivo para casi todos los H. Sin embargo, esto no se deduce inmediatamente porque cadapuede tener un conjunto nulo diferente. Debido a que las uniones numerables de conjuntos nulos son conjuntos nulos, para un conjunto numerable de, uno puede elegir "versiones" de cada unocon conjuntos nulos alineados para mantener la aditividad para casi todos los H. Sin embargo, para alinear los "conjuntos nulos de disfunción" desobre todas las posiblesy por lo tanto tratarcomo una medida casi seguramente única sobre(una "medida de probabilidad regular"), necesitamos condiciones de regularidad adicionales. Intuitivamente, para hacer esto, necesitamos poder aproximar todas las posiblescon un conjunto contable de ellos. Esto corresponde directamente a las condiciones para crear una medida de probabilidad regular, que son la separabilidad y la completitud.
- El álgebra σcontrola la "granularidad" del condicionamiento. Una expectativa condicionalsobre un álgebra σ más fina (más grande)conserva información sobre las probabilidades de una clase más amplia de eventos. Una esperanza condicional sobre un álgebra σ más gruesa (más pequeña) promedia sobre más eventos.
Probabilidad condicional
Para un subconjunto de Borel B enSe puede considerar la colección de variables aleatorias.
Se puede demostrar que forman un núcleo de Markov , es decir, para casi todos, es una medida de probabilidad. [ 9 ]
La ley del estadístico inconsciente es entonces
Esto demuestra que las expectativas condicionales son, al igual que sus contrapartes incondicionales, integraciones, con respecto a una medida condicional.
Definición general
En términos generales, consideremos lo siguiente:
- Un espacio de probabilidad.
- Un espacio Banach.
- Una variable aleatoria integrable de Bochner.
- Un subálgebra σ.
La expectativa condicional dedadoes hasta un-conjunto nulo único e integrable-valorado-variable aleatoria mediblesatisfactorio
En este contexto, la expectativa condicional a veces también se denota en notación de operador como.
Propiedades básicas
Todas las fórmulas siguientes deben entenderse en un sentido casi seguro.
- Extraer factores independientes:
- Sies independiente de, entonces.
Dejar. Entonceses independiente de, así que obtenemos eso
Por lo tanto, la definición de esperanza condicional se satisface con la variable aleatoria constante., según se desee.
- Sies independiente de, entonces. Tenga en cuenta que esto no es necesariamente así sies solo independiente dey de.
- Sison independientes,son independientes,es independiente deyes independiente de, entonces.
- Estabilidad:
- Sies-medible, entonces.
Para cadatenemoso equivalentemente
Dado que esto es cierto para cada unoy ambosyson-medible (la primera propiedad se cumple por definición; la segunda propiedad es clave aquí), a partir de esto se puede demostrar
Y esto implicacasi en todas partes.
- En particular, para sub- σ -álgebrastenemos(Tenga en cuenta que esto es diferente de la propiedad de la torre que se describe a continuación).
- Si Z es una variable aleatoria, entoncesEn su forma más simple, esto dice:.
- Extrayendo factores conocidos:
- Sies-medible, entonces.
Aquí se asume, sin pérdida de generalidad, que todas las variables aleatorias son no negativas. El caso general puede tratarse con.
Arreglary dejar. Entonces, para cualquier
Por esocasi en todas partes.
Cualquier función simple es una combinación lineal finita de funciones indicadoras. Por linealidad, la propiedad anterior se cumple para las funciones simples: sientonces es una función simple.
Ahora dejemosser-medible. Entonces existe una secuencia de funciones simples.convergente monótonamente (aquí significa) y puntualmente a. En consecuencia, para, la secuenciaconverge monótonamente y puntualmente a.
Además, dado que, la secuenciaconverge monótonamente y puntualmente a
Combinando el caso especial demostrado para funciones simples, la definición de esperanza condicional y aplicando el teorema de convergencia monótona:
Esto se aplica a todos, de dondecasi en todas partes.
- Si Z es una variable aleatoria, entonces.
- Ley de la expectativa total :. [ 12 ]
- Propiedad de la torre:
- Para sub- σ -álgebrastenemos.
- Un caso especialrecupera la Ley de la expectativa total:.
- Un caso especial es cuando Z es un-variable aleatoria medible. Entoncesy por lo tanto.
- Propiedad de martingala Doob : lo anterior con(que es-medible), y utilizando también, da.
- Para variables aleatoriastenemos.
- Para variables aleatoriastenemos.
- Para sub- σ -álgebrastenemos.
- Linealidad: tenemosypara.
- Positividad: Sientonces.
- Monotonicidad: Sientonces.
- Convergencia monótona : Sientonces.
- Convergencia dominada : Siycon, entonces.
- Lema de Fatou : Sientonces.
- Desigualdad de Jensen : Sies una función convexa , entonces.
- Varianza condicional : Utilizando la esperanza condicional podemos definir, por analogía con la definición de la varianza como la desviación cuadrática media respecto a la media, la varianza condicional.
- Definición:
- Fórmula algebraica para la varianza:
- Ley de la varianza total :.
- Convergencia de martingala : Para una variable aleatoria, que tiene una expectativa finita, tenemos, si algunoes una serie creciente de sub- σ -álgebras yo sies una serie decreciente de sub- σ -álgebras y.
- Expectativa condicional como-proyección: Siestán en el espacio de Hilbert de variables aleatorias reales de cuadrado integrable (variables aleatorias reales con segundo momento finito) entonces
- para-mensurable, tenemos, es decir, la expectativa condicional es en el sentido del producto escalar L 2 ( P ) la proyección ortogonal deal subespacio lineal de-funciones medibles. (Esto permite definir y demostrar la existencia de la esperanza condicional basada en el teorema de proyección de Hilbert ).
- el mapeoes autoadjunto :
- El condicionamiento es una proyección contractiva de los espacios L p. Es decir,para cualquier p ≥ 1.
- Propiedad de independencia condicional de Doob: [ 13 ] Sison condicionalmente independientes dado, entonces(equivalentemente,).
Véase también
leyes de probabilidad
- Ley de la acumulación total (generaliza las otras tres)
- Ley de la expectativa total
- Ley de la probabilidad total
- Ley de la varianza total
Notas
- ^ Kolmogorov, Andrey (1933). Grundbegriffe der Wahrscheinlichkeitsrechnung (en alemán). Berlín: Julius Springer. pag. 46.
- Traducción: Kolmogorov, Andrey (1956). Fundamentos de la teoría de la probabilidad (2.ª ed.). Nueva York: Chelsea. pág. 53. ISBN 0-8284-0023-7Archivado del original el 14 de septiembre de 2018. Consultado el 14 de marzo de 2009 .
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Referencias
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Enlaces externos
- Ushakov, NG (2001) [1994], "Esperanza matemática condicional" , Enciclopedia de Matemáticas , EMS Press
- Probabilidad condicional
- Teoría estadística