Күтілетін мән - Expected value

«E (X)» қайта бағыттайды. Үшін ${displaystyle e ^ {x}}$ функциясын қараңыз Экспоненциалды функция.

Жылы ықтималдықтар теориясы, күтілетін мән а кездейсоқ шама ${displaystyle X}$, деп белгіленді ${displaystyle E (X)}$ немесе ${displaystyle E [X]}$,^[1][2] жалпылау болып табылады орташа өлшенген және интуитивті түрде орташа арифметикалық көп мөлшерде тәуелсіз іске асыру туралы ${displaystyle X}$. Күтілетін мән-деп те аталады күту, математикалық күту, білдіреді, орташа, немесе бірінші сәт. Күтілетін мән - бұл негізгі ұғым экономика, қаржы және басқа көптеген пәндер.

Анықтама бойынша тұрақты кездейсоқ шаманың күтілетін мәні ${displaystyle X = c}$ болып табылады ${displaystyle c}$.^[3] Кездейсоқ шаманың күтілетін мәні ${displaystyle X}$ бірге жарамды нәтижелер ${displaystyle {c_ {1}, ldots, c_ {n}}}$ терминдердің орташа арифметикалық мәні ретінде анықталады ${displaystyle c_ {i}.}$ Егер ықтималдықтардың бір бөлігі болса ${displaystyle Pr, (X = c_ {i})}$ жеке нәтиже туралы ${displaystyle c_ {i}}$ тең емес болса, онда болжамды мәні ықтималдықпен өлшенген орташа мән ретінде анықталады ${displaystyle c_ {i}}$с, яғни ${displaystyle n}$ өнімдер ${displaystyle c_ {i} cdot Pr, (X = c_ {i})}$.^[4] Жалпы кездейсоқ шаманың күтілетін мәні кіреді лебег мағынасында интеграция.

Тарих

Күтілетін құндылық идеясы 17 ғасырдың ортасында деп аталатындарды зерттеуден туындады ұпай мәселесі үлестерді бөлуге тырысады әділетті түрде екі ойыншы арасында, олар ойын аяқталғанға дейін аяқтауы керек.^[5] Бұл проблема бірнеше ғасырлар бойы талқыланған және көптеген қайшылықты ұсыныстар мен шешімдер бірнеше жылдар бойы ұсынылған кезде, Блез Паскаль француз жазушысы және әуесқой математик Шевалье-де-Мере 1654 ж. Мере бұл мәселені шешуге болмайтынын және ол математиканың шынайы өмірге ену кезінде қаншалықты ақау болғанын көрсетті деп мәлімдеді. Паскаль математик бола тұра, арандатылды және мәселені біржола шешуге бел буды.

Ол бұл мәселені қазірдің өзінде танымал хаттар топтамасында талқылай бастады Пьер де Ферма. Көп ұзамай, екеуі де өз бетінше шешім шығарды. Олар мәселені әртүрлі есептеу тәсілдерімен шешті, бірақ олардың нәтижелері бірдей болды, өйткені олардың есептеулері бірдей негізгі принципке негізделген. Болашақ ұтыстың мәні оны алу мүмкіндігіне тікелей пропорционалды болуы керек деген қағида. Бұл қағида екеуіне де табиғи келген сияқты. Олар іс жүзінде бірдей шешімді тапқанына өте риза болды, ал бұл өз кезегінде оларды мәселені шешкендіктеріне толықтай сендірді; дегенмен, олар өз нәтижелерін жарияламады. Олар бұл туралы Париждегі өзара ғылыми достардың шағын шеңберіне ғана хабарлады.^[6]

Үш жылдан кейін, 1657 жылы голландиялық математик Кристияан Гюйгенс, Парижге жаңа келген трактат шығарды (қараңыз) Гюйгенс (1657) ) "De ratiociniis in ludo aleæ«ықтималдықтар теориясы туралы. Бұл кітапта ол нүктелер туралы мәселені қарастырды және Паскаль мен Ферманың шешімдері сияқты принципке негізделген шешім ұсынды. Гюйгенс сонымен қатар күту тұжырымдамасын кеңейтті бастапқы мәселеге қарағанда күрделі жағдайлар (мысалы, үш немесе одан да көп ойыншылар үшін), осы тұрғыдан алғанда, бұл кітаптың негізін қалауға алғашқы сәтті әрекет ретінде қарастырылуы мүмкін ықтималдық теориясы.

Гюйгенс өз кітабының алғысөзінде:

Біраз уақыттан бері Францияның кейбір ең жақсы математиктері ешкім маған бірінші өнертабыстың құрметін көрсетпеуі үшін осындай есептеулермен айналысады деп айту керек. Бұл маған тиесілі емес. Бірақ бұл ғалымдар бір-біріне көптеген қиын сұрақтарды ұсына отырып, бір-бірін сынақтан өткізгенімен, өз әдістерін жасырды. Сондықтан мен бұл мәселеге элементтерден бастап тереңірек үңіліп, терең үңілуім керек еді, сондықтан мен дәл сол принциптен бастағанымды растау мүмкін емес. Бірақ, ақырында, менің жауаптарым көп жағдайда олардан өзгеше болмайтынын байқадым.

— Эдвардс (2002)

Осылайша, Гюйгенс туралы білді де Меренің проблемасы 1655 жылы Францияға сапары кезінде; кейінірек 1656 жылы Каркавимен жазысқан хаттарынан ол өзінің әдісі негізінен Паскальмен бірдей екенін білді; 1657 жылы оның кітабы басылғанға дейін ол Паскальдың осы тақырыптағы басымдығы туралы білді.

Этимология

Паскаль да, Гюйгенс те «күту» терминін қазіргі мағынада қолданған жоқ. Атап айтқанда, Гюйгенс:^[7]

Кез-келген нәрсені жеңіп алу мүмкіндігі немесе үміті дәл осындай сомаға тұрарлықтай, өйткені сіз сол мүмкіндікті және үмітті әділетті Lay-да сатып алар едіңіз. ... Егер мен а немесе b деп ойласам және оларды алуға тең мүмкіндігім болса, менің үмітім (a + b) / 2-ге тең.

Жүз жылдан астам уақыт өткен соң, 1814 ж. Пьер-Симон Лаплас өзінің трактатын жариялады »Théorie analytique des probabilités», мұнда күтілетін құндылық тұжырымдамасы нақты анықталған:^[8]

... кездейсоқтық теориясындағы бұл артықшылық - оны алу ықтималдығы үміт еткен соманың өнімі; бұл бөлудің ықтималдықтарға пропорционалды болатындығын болжап, оқиғаның тәуекелдерін жасағымыз келмегенде пайда болатын ішінара сома. Бұл бөлу барлық таңғажайып жағдайлар жойылған кездегі жалғыз әділеттілік болып табылады; өйткені ықтималдықтың тең дәрежесі үміт еткен сомаға тең құқық береді. Біз бұл артықшылықты атаймыз математикалық үміт.

Ескертпелер

Хаттың қолданылуы ${displaystyle mathop {hbox {E}}}$ күткен мәнді білдіру үшін қайта оралады Уитуорт 1901 ж.^[9] Символ содан бері ағылшын жазушылары үшін танымал болды. Неміс тілінде, ${displaystyle mathop {hbox {E}}}$ «Erwartungswert», испан тілінен аударғанда «Esperanza matemática», ал француз тілінен аударғанда «Espérance mathématique» деген мағынаны білдіреді.^[10]

Тағы бір танымал нота ${displaystyle mu _ {X}}$, ал ${displaystyle langle Xбұрыш}$ әдетте физикада қолданылады, және ${displaystyle mathop {hbox {M}} (X)}$ орыс тілді әдебиетте.

Анықтама

Соңғы жағдай

Келіңіздер ${displaystyle X}$ ақырлы нәтижелері бар кездейсоқ шама болуы керек ${displaystyle x_ {1}, x_ {2}, ldots, x_ {k}}$ ықтималдықтармен кездеседі ${displaystyle p_ {1}, p_ {2}, ldots, p_ {k},}$ сәйкесінше. The күту туралы ${displaystyle X}$ ретінде анықталады

${displaystyle операторының аты {E} [X] = sum _ {i = 1} ^ {k} x_ {i}, p_ {i} = x_ {1} p_ {1} + x_ {2} p_ {2} + cdots + x_ {k} p_ {k}.}$ ^[4]

Барлық ықтималдықтардың қосындысынан бастап ${displaystyle p_ {i}}$ 1 (${displaystyle p_ {1} + p_ {2} + cdots + p_ {k} = 1}$), күтілетін мән өлшенген сома туралы ${displaystyle x_ {i}}$ мәндерімен ${displaystyle p_ {i}}$ салмақ болып табылатын құндылықтар.

Егер барлық нәтижелер болса ${displaystyle x_ {i}}$ болып табылады жарамды (Бұл, ${displaystyle p_ {1} = p_ {2} = cdots = p_ {k}}$), содан кейін орташа алынған қарапайымға айналады орташа. Екінші жағынан, егер нәтижелер болса ${displaystyle x_ {i}}$ мүмкін емес, сондықтан қарапайым орташа мәнді орташа алынғанға ауыстыру керек, бұл кейбір нәтижелердің басқаларға қарағанда ықтималды екенін ескереді.

А орамдарының реттік орташаларының жинақтылығының иллюстрациясы өлу күтілетін 3,5 мәніне дейін, шиыршықтардың (сынақтардың) саны өседі

Мысалдар

• Келіңіздер ${displaystyle X}$ алты жақты әділеттіліктің нәтижесін білдіреді өлу. Нақтырақ айтқанда, ${displaystyle X}$ саны болады пипс жоғарғы жағында көрсетілген өлу лақтырудан кейін. Үшін мүмкін мәндер ${displaystyle X}$ 1, 2, 3, 4, 5 және 6 болып табылады, олардың барлығы бірдей ықтималдылықпен бірдей 1/6. Күту ${displaystyle X}$ болып табылады

${displaystyle операторының аты {E} [X] = 1cdot {frac {1} {6}} + 2cdot {frac {1} {6}} + 3cdot {frac {1} {6}} + 4cdot {frac {1} { 6}} + 5cdot {frac {1} {6}} + 6cdot {frac {1} {6}} = 3.5.}$

Егер біреу дөңгелекті айналдырса өлу ${displaystyle n}$ орташа және орташа есептеулер (орташа арифметикалық ) нәтижелер, содан кейін ретінде ${displaystyle n}$ өседі, орташа ерік сөзсіз жақындасу күтілетін мәнге, факт ретінде белгілі үлкен сандардың күшті заңы.

• The рулетка ойын кішкене доп пен дөңгелектен тұрады, оның шетінде 38 нөмірленген қалталар бар. Дөңгелек айналған кезде, доп қалталардың біріне түскенше кездейсоқ секіреді. Айталық, кездейсоқ шама ${displaystyle X}$ бір санға $ 1 ставканың (ақшалай) нәтижесін білдіреді («тіке» ставкасы). Егер ставка ұтылса (бұл ықтималдықпен болады) 1/38 американдық рулеткада), төлем - $ 35; әйтпесе ойыншы ставкадан айырылады. Мұндай ставкадан күтілетін пайда болады

${displaystyle операторының аты {E} [, {ext {gain from}} $ 1 {ext {bet}},] = - $ 1cdot {frac {37} {38}} + $ 35cdot {frac {1} {38}} = - $ {frac {1} {19}}.}$

Яғни, $ 1 ставкасы ұтылады ${displaystyle - $ {frac {1} {19}}}$, сондықтан оның күтілетін мәні болып табылады ${displaystyle - $ {frac {1} {19}}.}$

Шексіз жағдай

Интуитивті түрде, нәтижелердің есептелетін жиынтығында мәндерді қабылдайтын кездейсоқ шаманың күтуі салмақтың сол мәнді жүзеге асыру ықтималдығына сәйкес келетін нәтиже мәндерінің өлшенген қосындысы ретінде ұқсас түрде анықталады. Алайда шексіз қосындымен байланысты конвергенция мәселелері мұқият анықтауды қажет етеді. Қатаң анықтама алдымен теріс емес кездейсоқ шаманы күтуді анықтайды, содан кейін оны жалпы кездейсоқ шамаларға бейімдейді.

Келіңіздер ${displaystyle X}$ нәтижелердің есептелетін жиынтығы бар теріс емес кездейсоқ шама болуы керек ${displaystyle x_ {1}, x_ {2}, ldots,}$ ықтималдықтармен кездеседі ${displaystyle p_ {1}, p_ {2}, ldots,}$ сәйкесінше. Дискретті жағдайға ұқсас, күтілетін мәні ${displaystyle X}$ содан кейін қатар ретінде анықталады

${displaystyle операторының аты {E} [X] = sum _ {i = 1} ^ {infty} x_ {i}, p_ {i}.}$

Бастап бері екенін ескеріңіз ${displaystyle x_ {i} p_ {i} geq 0}$, шексіз қосынды жақсы анықталған және тәуелді емес тапсырыс онда ол есептеледі. Шекті жағдайдан айырмашылығы, егер мұндағы күту шексіздікке тең болуы мүмкін, егер жоғарыдағы шексіз қосынды шексіз өссе.

Жалпы (негативті емес) кездейсоқ шама үшін ${displaystyle X}$ нәтижелердің есептік санымен, орнатылған ${displaystyle X ^ {+} (omega) = max (X (omega), 0)})$ және ${displaystyle X ^ {-} (омега) = - мин (X (омега), 0)}$. Анықтама бойынша

${displaystyle операторының аты {E} [X] = оператордың аты {E} [X ^ {+}] - оператордың аты {E} [X ^ {-}].}$

Теріс емес кездейсоқ шамалар сияқты, ${displaystyle операторының аты {E} [X]}$ тағы да, шекті немесе шексіз бола алады. Мұндағы үшінші нұсқа - сол ${displaystyle операторының аты {E} [X]}$ бұдан былай жақсы анықтауға кепілдік берілмейді. Соңғысы әрқашан болады ${displaystyle операторының аты {E} [X ^ {+}] = оператордың аты {E} [X ^ {-}] = жарамсыз}$.

Мысалдар

• Айталық ${displaystyle x_ {i} = i}$ және ${displaystyle p_ {i} = {frac {k} {i2 ^ {i}}},}$ үшін ${displaystyle i = 1,2,3, lots}$, қайда ${displaystyle k = {frac {1} {ln 2}}}$ (бірге ${displaystyle ln}$ болу табиғи логарифм ) - бұл ықтималдықтар 1-ге тең болатын масштабты фактор, содан кейін теріс емес кездейсоқ шамалар үшін тікелей анықтаманы қолданып, бізде

${displaystyle операторының аты {E} [X] = sum _ {i} x_ {i} p_ {i} = 1сол ({frac {k} {2}}ight) + 2 солға ({frac {k} {8}}ight) + 3сол ({frac {k} {24}})ight) + нүктелер = {frac {k} {2}} + {frac {k} {4}} + {frac {k} {8}} + нүктелер = k.}$

• Күту шексіз болатын мысал контексте туындайды Санкт-Петербург парадоксы. Келіңіздер ${displaystyle x_ {i} = 2 ^ {i}}$ және ${displaystyle p_ {i} = {frac {1} {2 ^ {i}}}}$ үшін ${displaystyle i = 1,2,3, lots}$. Кездейсоқ шама теріс емес болғандықтан, күтілетін мәнді есептеу береді

${displaystyle операторының аты {E} [X] = sum _ {i = 1} ^ {infty} x_ {i}, p_ {i} = 2cdot {frac {1} {2}} + 4cdot {frac {1} {4 }} + 8cdot {frac {1} {8}} + 16cdot {frac {1} {16}} + cdots = 1 + 1 + 1 + 1 + cdots, = жарамсыз.}$

• Күту дәл анықталмаған мысал үшін кездейсоқ шаманы алайық ${displaystyle X}$ мәндерді қабылдайды ${displaystyle k = 1, -2,3, -4, cdots}$ тиісті ықтималдықтармен ${displaystyle {frac {c} {1 ^ {2}}}, {frac {c} {2 ^ {2}}}, {frac {c} {3 ^ {2}}}, {frac {c} { 4 ^ {2}}}}$, ..., қайда ${displaystyle c = {frac {6} {pi ^ {2}}}}$ - ықтималдықтардың бірге дейін жинақталуын қамтамасыз ететін нормаланатын тұрақты шама.

Сонда осыдан шығады ${displaystyle X ^ {+}}$ мән алады ${displaystyle (2k-1)}$ ықтималдықпен ${displaystyle c / (2k-1) ^ {2}}$ үшін ${displaystyle k = 1,2,3, cdots}$ және құндылықты алады ${displaystyle 0}$ қалған ықтималдықпен. Сол сияқты, ${displaystyle X ^ {-}}$ мән алады ${displaystyle 2k}$ ықтималдықпен ${displaystyle c / (2k) ^ {2}}$ үшін ${displaystyle k = 1,2,3, cdots}$ және құндылықты алады ${displaystyle 0}$ қалған ықтималдықпен. Теріс емес кездейсоқ шамалардың анықтамасын қолдану арқылы екеуін де көрсетуге болады ${displaystyle операторының аты {E} [X ^ {+}] = жарамсыз}$ және ${displaystyle операторының аты {E} [X ^ {-}] = жарамсыз}$ (қараңыз Гармоникалық серия ). Демек, күту ${displaystyle X}$ жақсы анықталмаған.

Абсолютті үздіксіз жағдай

Егер ${displaystyle X}$ а бар кездейсоқ шама ықтималдық тығыздығы функциясы туралы ${displaystyle f (x)}$, содан кейін күтілетін мән ретінде анықталады Лебег интегралы

${displaystyle операторының аты {E} [X] = int _ {mathbb {R}} xf (x), dx,}$

мұнда екі жақтағы мәндер жақсы анықталған немесе бір уақытта жақсы анықталмаған.

Мысал. Бар кездейсоқ шама Кошидің таралуы^[11] тығыздық функциясы бар, бірақ үлестірілім болғандықтан күтілетін мән анықталмайды үлкен «құйрықтар».

Жалпы жағдай

Жалпы, егер ${displaystyle X}$ Бұл кездейсоқ шама бойынша анықталған ықтималдық кеңістігі ${displaystyle (Omega, Sigma, оператор атауы {P})}$, содан кейін күтілетін мән ${displaystyle X}$, деп белгіленеді ${displaystyle операторының аты {E} [X]}$, ретінде анықталады Лебег интегралы

${displaystyle операторының аты {E} [X] = int _ {Omega} X (omega), doperatorname {P} (omega).}$

Көпөлшемді кездейсоқ шамалар үшін олардың күтілетін мәні бір компонент бойынша анықталады. Бұл,

${displaystyle операторының аты {E} [(X_ {1}, ldots, X_ {n})] = (оператордың аты {E} [X_ {1}], ldots, оператордың аты {E} [X_ {n}])}$

және кездейсоқ матрица үшін ${displaystyle X}$ элементтерімен ${displaystyle X_ {ij}}$, ${displaystyle (оператор атауы {E} [X]) _ {ij} = оператор атауы {E} [X_ {ij}].}$

Негізгі қасиеттері

Төмендегі негізгі қасиеттер (және олардың атаулары қарамен жазылған) қайталанады немесе сол сипаттамалардан бірден орын алады Лебег интегралы. «А.с.» әріптері бар екенін ескеріңіз тұр »сөзсіз «- Лебег интегралының орталық қасиеті. Негізінде, біреу теңсіздік сияқты дейді ${displaystyle Xgeq 0}$ ықтималдық шамасы нөлдік массаның бірін-бірі толықтыратын жағдайға жатқызған кезде, бұл сөзсіз дерлік ${displaystyle сол жақта {X <0ight}}$.

• Жалпы кездейсоқ шама үшін ${displaystyle X}$, бұрынғыдай анықтаңыз ${displaystyle X ^ {+} (omega) = max (X (omega), 0)})$ және ${displaystyle X ^ {-} (омега) = - мин (X (омега), 0)}$, және ескеріңіз ${displaystyle X = X ^ {+} - X ^ {-}}$, екеуімен де ${displaystyle X ^ {+}}$ және ${displaystyle X ^ {-}}$ теріс емес, содан кейін:

${displaystyle операторының аты {E} [X] = {egin {case} оператордың аты {E} [X ^ {+}] - оператордың аты {E} [X ^ {-}] және {ext {if}} оператордың аты {E} [ X ^ {+}]$

• Келіңіздер ${displaystyle {mathbf {1}} _ {A}}$ белгілеу индикатор функциясы туралы іс-шара ${displaystyle A}$, содан кейін ${displaystyle операторының аты {E} [{mathbf {1}} _ {A}] = 1cdot операторының аты {P} (A) + 0cdot операторының аты {P} (Omega setminus A) = оператордың аты {P} (A).}$
• CDF формулалары: Егер ${displaystyle F (x)}$ болып табылады жинақталған үлестіру функциясы ықтималдық өлшемі ${displaystyle операторының аты {P},}$ және ${displaystyle X}$ кездейсоқ шама

${displaystyle операторының аты {E} [X] = int _ {overline {mathbb {R}}} x, dF (x),}$

мұнда екі жақтағы мәндер жақсы анықталған немесе бір уақытта жақсы анықталмаған, ал интеграл мағынасында алынады Lebesgue-Stieltjes. Мұнда, ${displaystyle {overline {mathbb {R}}} = [- епті, + епті]}$ кеңейтілген нақты сызық.

Қосымша,

${displaystyle displaystyle операторының аты {E} [X] = int шектері _ {0} ^ {ақылды} (1-F (x)), dx-инт шектері _ {- ақылды} ^ {0} F (x), dx, }$

Лебег мағынасында алынған интегралдармен.

Екінші формуланың дәлелі келесідей болады.

Дәлел.

Ерікті үшін ${displaystyle Омегадағы Омега,}$ ${displaystyle displaystyle X ^ {-} (omega) = int шектері _ {- X ^ {-} (omega)} ^ {0} dx = int шектері _ {- ақылды} ^ {0} {mathbf {1}} { {xmid X ^ {-} (omega) geq -x}}, dx = int шектері _ {- ақылды} ^ {0} {mathbf {1}} {{(омега, х) ортаңғы X (омега) leq x} }, dx.}$ Соңғы теңдік, өйткені бұл ${displaystyle X ^ {-} (omega) geq -x,}$ қайда ${displaystyle xleq 0,}$ мұны білдіреді ${displaystyle X ^ {+} (омега) = 0}$ және демек ${displaystyle X (omega) leq x.}$ Керісінше, егер ${displaystyle X (omega) leq x,}$ қайда ${displaystyle xleq 0,}$ содан кейін ${displaystyle X ^ {+} (омега) = 0}$ және ${displaystyle X ^ {-} (omega) geq -x.}$ Үшін жоғарыдағы өрнектегі интеграл ${displaystyle X ^ {-} (омега)}$ теріс емес, сондықтан Тонелли теоремасы қолданылады, ал интеграция ретін нәтижені өзгертпей ауыстыруға болады. Бізде бар ${displaystyle {egin {aligned} оператор аты {E} (X ^ {-}) & = int шектері _ {Омега} қалды (int шектері _ {- сәйкес емес} ^ {0} {mathbf {1}} {{(omega, x) X ортасы (омега) leq x}}, dxight) doperatorname {P} & = int limits _ {- infty} ^ {0} left (int limits _ {Omega} {mathbf {1}} {{omega mid X (omega) leq x}}, doperatorname {P) }ight) dx & = int шектері _ {- сәйкес емес} ^ {0} оператордың аты {P} (Xleq x), dx = ішкі шектер _ {- сәйкес емес} ^ {0} F (x), dx.end {aligned} }}$ Жоғарыда айтылғандай, ${displaystyle displaystyle X ^ {+} (omega) = int шектеулер _ {0} ^ {ақылды} {mathbf {1}} {{(omega, x) X (omega)> x}}, dx,}$ және ${displaystyle displaystyle операторының аты {E} (X ^ {+}) = int шегі _ {0} ^ {infty} операторының аты {P} (X> x), dx = int шегі _ {0} ^ {infty} (1-) F (x)), dx.}$ Мұны еске түсіру ${displaystyle операторының аты {E} (X) = оператордың аты {E} (X ^ {+}) - оператордың аты {E} (X ^ {-})}$ дәлелдеуді аяқтайды.

• Теріс емес: Егер ${displaystyle Xgeq 0}$ (а.с.), содан кейін ${displaystyle операторының аты {E} [X] geq 0}$.
• Күтудің сызықтығы:^[3] Күтілетін мән операторы (немесе күту операторы) ${displaystyle операторының аты {E} [cdot]}$ болып табылады сызықтық кез-келген кездейсоқ шамалар үшін деген мағынада ${displaystyle X}$ және ${displaystyle Y}$және тұрақты ${displaystyle a}$,

${displaystyle {egin {aligned} оператор аты {E} [X + Y] & = оператор аты {E} [X] + оператор аты {E} [Y], operatorname {E} [aX] & = aoperatorname {E} [X ], соңы {тураланған}}}$

әрқашан оң жақ анықталған. Бұл кездейсоқ шамалардың кез-келген ақырлы санының қосындысының күтілетін мәні жеке кездейсоқ шамалардың күтілетін мәндерінің қосындысы, ал күтілетін мәннің көбейтінді константасымен сызықтық масштабта болатындығын білдіреді.

• Монотондылық: Егер ${displaystyle Xleq Y}$ (а.с.) және екеуі де ${displaystyle операторының аты {E} [X]}$ және ${displaystyle операторының аты {E} [Y]}$ бар, сонда ${displaystyle операторының аты {E} [X] leq операторының аты {E} [Y]}$.

Дәлел үшін -ның сызықтық және теріс емес қасиетінен шығады ${displaystyle Z = Y-X}$, бері ${displaystyle Zgeq 0}$ (а.с.).

• Мультипликативтілік емес: Жалпы алғанда, күтілетін мән мультипликативті емес, яғни. ${displaystyle операторының аты {E} [XY]}$ міндетті түрде тең емес ${displaystyle операторының аты {E} [X] cdot операторының аты {E} [Y]}$. Егер ${displaystyle X}$ және ${displaystyle Y}$ болып табылады тәуелсіз, содан кейін біреу мұны көрсете алады ${displaystyle операторының аты {E} [XY] = оператордың аты {E} [X] оператордың аты {E} [Y]}$. Егер кездейсоқ шамалар болса тәуелді, содан кейін жалпы ${displaystyle операторының аты {E} [XY]экв оператордың аты {E} [X] оператордың аты {E} [Y]}$тәуелділіктің ерекше жағдайларында теңдік болуы мүмкін.
• Бейсаналы статистиканың заңы: -Дің өлшенетін функциясының күтілетін мәні ${displaystyle X}$, ${displaystyle g (X)}$, мынадай жағдай болса ${displaystyle X}$ ықтималдық тығыздығы функциясы бар ${displaystyle f (x)}$, арқылы беріледі ішкі өнім туралы ${displaystyle f}$ және ${displaystyle g}$:

${displaystyle операторының аты {E} [g (X)] = int _ {mathbb {R}} g (x) f (x), dx.}$ ^[3]

Бұл формула көп өлшемді жағдайда болады, қашан ${displaystyle g}$ бірнеше кездейсоқ шамалардың функциясы болып табылады, және ${displaystyle f}$ олардікі буындардың тығыздығы.^[3][12]

• Азғындау емес: Егер ${displaystyle операторының аты {E} [| X |] = 0}$, содан кейін ${displaystyle X = 0}$ (а.с.).
• Кездейсоқ шама үшін ${displaystyle X}$ нақты анықталған үмітпен: ${displaystyle | оператордың аты {E} [X] | leq операторының аты {E} | X |}$.
• Кездейсоқ шамаға қатысты келесі тұжырымдар ${displaystyle X}$ баламалы:
  • ${displaystyle операторының аты {E} [X]}$ бар және ақырлы.
  • Екеуі де ${displaystyle операторының аты {E} [X ^ {+}]}$ және ${displaystyle операторының аты {E} [X ^ {-}]}$ ақырлы.
  • ${displaystyle операторының аты {E} [| X |]}$ ақырлы.

Жоғарыдағы себептерге байланысты «${displaystyle X}$ «және» күтілетін мәні интеграцияланады ${displaystyle X}$ ақырлы болып табылады »осы мақалада бір-бірінің орнына қолданылады.

• Егер ${displaystyle операторының аты {E} [X] <+ жасырын}$ содан кейін ${displaystyle X <+ жарамсыз}$ (а.с.). Сол сияқты, егер ${displaystyle операторының аты {E} [X]> - жасырын}$ содан кейін ${displaystyle X> -infty}$ (а.с.).
• Егер ${displaystyle операторының аты {E} | X ^ {eta} |$ және ${displaystyle 0 <альфа$ содан кейін ${displaystyle операторының аты {E} | X ^ {альфа} | <ақысыз.}$
• Егер ${displaystyle X = Y}$ (а.с.), содан кейін ${displaystyle операторының аты {E} [X] = оператордың аты {E} [Y]}$. Басқаша айтқанда, егер X және Y кездейсоқ шамалар болса, олар әр түрлі мәндерді нөлдік ықтималдылықпен қабылдайды, онда X-тің күтуі Y-нің күтуімен теңеседі.
• Егер ${displaystyle X = c}$ (а.с.) тұрақты үшін ${displaystyle cin [-ақысыз, + жасырын]}$, содан кейін ${displaystyle операторының аты {E} [X] = c}$. Атап айтқанда, кездейсоқ шама үшін ${displaystyle X}$ нақты анықталған үмітпен, ${displaystyle операторының аты {E} [оператордың аты {E} [X]] = оператордың аты {E} [X]}$. Жақсы анықталған күту күтілетін мәнді анықтайтын бір санның, дәлірек айтсақ, бір тұрақты болатынын білдіреді. Сонымен, бұл тұрақты шаманы күту тек бастапқы күтілетін мән болып табылады.
• Теріс емес бүтін мәнді кездейсоқ шама үшін ${displaystyle X: Omega o {0,1,2,3, ldots, + infty},}$

${displaystyle операторының аты {E} [X] = sum _ {n = 0} ^ {infty} оператордың аты {P} (X> n).}$

Дәлел.

Егер ${displaystyle операторының аты {P} (X = + жасырын)> 0,}$ содан кейін ${displaystyle операторының аты {E} [X] = + жасырын.}$ Басқа жақтан, ${displaystyle операторының аты {P} (X> n) geq операторының аты {P} (X = + құпия)> 0,}$ сондықтан оң жақтағы қатарлар әр түрлі болады ${displaystyle + ымырасыз,}$ және теңдік сақталады. Егер ${displaystyle операторының аты {P} (X = + жасырын) = 0,}$ содан кейін ${displaystyle sum _ {n = 0} ^ {infty} оператор аты {P} (X> n) = sum _ {n = 0} ^ {infty} sum _ {j = n + 1} ^ {infty} оператордың аты {P } (X = j).}$ Шексіз жоғарғы-үшбұрышты матрицаны анықтаңыз ${displaystyle M = {egin {bmatrix} оператор аты {P} (X = 1) & оператор аты {P} (X = 2) & оператор аты {P} (X = 3) & cdots & оператор аты {P} (X = n) & cdots & operatorname { P} (X = 2) & оператор аты {P} (X = 3) & cdots & operatorname {P} (X = n) & cdots && operatorname {P} (X = 3) & cdots & operatorname {P} (X = n) & cdots &&& ddots & vdots & &&&& оператор аты {P} (X = n) & cdots &&&&& ddots end {bmatrix}}.}$ Қос серия ${displaystyle extstyle sum _ {i = 1} ^ {infty} sum _ {j = i} ^ {infty} оператордың аты {P} (X = j)}$ қосындысы ${displaystyle M}$элементтері, егер қорытындылау жол бойынша жолмен орындалса.Кез-келген шақыру теріс емес болғандықтан, серия абсолютті түрде жақындайды немесе өзгереді ${displaystyle + жарамсыз.}$ Екі жағдайда да жиынтық ретін өзгерту сомаға әсер етпейді. Жолдан-бағанға жиынтық тәртібін өзгерту бізге мүмкіндік береді ${displaystyle {egin {aligned} sum _ {n = 0} ^ {infty} sum _ {j = n + 1} ^ {infty} operatorname {P} (X = j) & = sum _ {j = 1} ^ {infty} sum _ {n = 0} ^ {j-1} оператордың аты {P} (X = j) & = sum _ {j = 1} ^ {infty} joperatorname {P} (X = j) & = sum _ {j = 0} ^ {infty} joperatorname {P} (X = j) & = operatorname {E} [X] .end {aligned}}}$

Қолданулар мен қосымшалар

Кездейсоқ шаманы күту әртүрлі контекстте маңызды рөл атқарады. Мысалы, in шешім теориясы, толық емес ақпарат аясында оңтайлы таңдауды жүзеге асыратын агент көбінесе олардың күтілетін мәнін максималды түрде болжайды утилита функциясы.Басқа мысал үшін статистика, қол жетімді деректерге негізделген белгісіз параметрлер бойынша бағалауды іздейтін кезде, бағалаудың өзі кездейсоқ шама болып табылады. Мұндай параметрлерде «жақсы» бағалаушының қажет критерийі - бұл объективті емес; яғни бағалаудың күтілетін мәні негізгі параметрдің шын мәніне тең.

Ан-ны күту арқылы оқиғаның ықтималдылығына тең күтілетін мәнді құруға болады индикатор функциясы бұл оқиға болған жағдайда бір, ал басқаша нөл. Бұл қатынасты күтілетін мәндердің қасиеттерін ықтималдықтардың қасиеттеріне аудару үшін қолдануға болады, мысалы. пайдаланып үлкен сандар заңы ықтималдықтарды бағалауды негіздеу жиіліктер.

Күткен мәндер X деп аталады сәттер туралы X; The орташа мәндер туралы X болып табылады X - E [X]. Кейбір кездейсоқ шамалардың моменттерін олардың үлестірімдерін олардың көмегімен көрсету үшін пайдалануға болады момент туғызатын функциялар.

Эмпирикалық түрде бағалау кездейсоқ шаманың күтілетін мәні, айнымалының бақылауларын бірнеше рет өлшейді және есептейді орташа арифметикалық нәтижелер туралы. Егер күтілетін мән болса, бұл процедура нақты күткен мәнді an-да бағалайды объективті емес квадраттарының қосындысын азайту қасиетіне ие және қалдықтар (бақылаулар мен арасындағы квадраттық айырмашылықтардың қосындысы бағалау ). The үлкен сандар заңы ретінде көрсетеді (өте жұмсақ жағдайда) өлшемі туралы үлгі ұлғаяды, дисперсия осы туралы бағалау кішірейеді.

Бұл қасиет көбінесе әртүрлі қосымшаларда, соның ішінде жалпы мәселелерде қолданылады статистикалық бағалау және машиналық оқыту арқылы қызығушылық шамаларын (ықтималдық) бағалау Монте-Карло әдістері, өйткені қызығушылықтың көп мөлшерін күту тұрғысынан жазуға болады, мысалы. ${displaystyle операторының аты {P} ({Xin {mathcal {A}}}) = оператордың аты {E} [{mathbf {1}} _ {mathcal {A}}]}$, қайда ${displaystyle {mathbf {1}} _ {mathcal {A}}}$ жиынтықтың индикаторлық функциясы болып табылады ${displaystyle {mathcal {A}}}$.

Ықтималдықты үлестіру массасы күтілетін мән бойынша теңдестірілген, мұнда α / (α + β) мәнімен бета (α, β) үлестірімі.

Жылы классикалық механика, масса орталығы күтуге ұқсас ұғым. Мысалы, делік X - мәні бар дискретті кездейсоқ шама х_мен және сәйкес ықтималдықтар б_мен. Енді салмақ түсіретін таяқшаны қарастырыңыз х_мен өзек бойымен және массалары бар б_мен (оның қосындысы бір). Таяқтың тепе-теңдік нүктесі Е [X].

Күтілетін мәндерді есептеу үшін де қолдануға болады дисперсия, дисперсияның есептеу формуласы арқылы

${displaystyle операторының аты {Var} (X) = оператордың аты {E} [X ^ {2}] - (оператор атауы {E} [X]) ^ {2}.}$

Өрісінде күту мәнін қолдану өте маңызды кванттық механика. Кванттық механикалық оператордың күту мәні ${displaystyle {hat {A}}}$ жұмыс істейтін а кванттық күй вектор ${displaystyle | psiбұрыш}$ ретінде жазылады ${displaystyle langle {hat {A}}бұрыш = бұрышы psi | A | psiбұрыш}$. The белгісіздік жылы ${displaystyle {hat {A}}}$ формула арқылы есептеуге болады ${displaystyle (Delta A) ^ {2} = langle {hat {A}} ^ {2}бұрышы-бұрышы {шляпа {A}}бұрыш ^ {2}}$.

Шектер мен күтуді ауыстыру

Жалпы, олай емес ${displaystyle операторының аты {E} [X_ {n}] o операторының аты {E} [X]}$ қарамастан ${displaystyle X_ {n} o X}$ бағытта. Сонымен, кездейсоқ шамаларға қосымша шарттарсыз шектеу мен күтуді ауыстыра алмаймыз. Мұны көру үшін рұқсат етіңіз ${displaystyle U}$ біркелкі бөлінген кездейсоқ шама болуы керек ${displaystyle [0,1]}$. Үшін ${displaystyle ngeq 1,}$ кездейсоқ шамалардың ретін анықтаңыз

${displaystyle X_ {n} = ncdot mathbf {1} сол жақ {Uin сол жақта [0, {frac {1} {n}}ight]ight},}$

бірге ${displaystyle {mathbf {1}} {A}}$ оқиғаның индикаторлық функциясы бола алады ${displaystyle A}$. Содан кейін, бұдан шығады ${displaystyle X_ {n} o 0}$ (a.s). Бірақ, ${displaystyle операторының аты {E} [X_ {n}] = ncdot операторының аты {P} сол жақта (сол жақта [0, {frac {1} {n}}ight]ight) = ncdot {frac {1} {n}} = 1}$ әрқайсысы үшін ${displaystyle n}$. Демек, ${displaystyle lim _ {n o infty} оператор атауы {E} [X_ {n}] = 1eq 0 = оператор атауы {E} сол жақта [lim _ {n o infty} X_ {n}ight].}$

Аналогты кездейсоқ шамалардың жалпы тізбегі үшін ${displaystyle {Y_ {n}: ngeq 0}}$, күтілетін мән операторы болмайды ${displaystyle sigma}$-қосымша, яғни

${displaystyle операторының аты {E} сол жақта [sum _ {n = 0} ^ {түссіз} Y_ {n}ight]экв қосынды _ {n = 0} ^ {сәйкес емес} оператордың аты {E} [Y_ {n}].}$

Мысал қою арқылы оңай алынады ${displaystyle Y_ {0} = X_ {1}}$ және ${displaystyle Y_ {n} = X_ {n + 1} -X_ {n}}$ үшін ${displaystyle ngeq 1}$, қайда ${displaystyle X_ {n}}$ алдыңғы мысалдағыдай.

Бірқатар конвергенция нәтижелері төменде көрсетілгендей шектеулер мен үміттерді ауыстыруға мүмкіндік беретін нақты жағдайларды көрсетеді.

• Монотонды конвергенция теоремасы: Рұқсат етіңіз ${displaystyle {X_ {n}: ngeq 0}}$ кездейсоқ шамалардың тізбегі болуы керек ${displaystyle 0leq X_ {n} leq X_ {n + 1}}$ (a.s) әрқайсысы үшін ${displaystyle ngeq 0}$. Сонымен қатар, рұқсат етіңіз ${displaystyle X_ {n} o X}$ бағытта. Сонда, монотонды конвергенция теоремасы айтады ${displaystyle lim _ {n} оператор аты {E} [X_ {n}] = оператор атауы {E} [X].}$

Монотонды конвергенция теоремасын қолдана отырып, күтудің теріс емес кездейсоқ шамалар үшін есептелетін қосымшаны қанағаттандыратынын көрсетуге болады. Атап айтқанда, рұқсат етіңіз ${displaystyle {X_ {i}} _ {i = 0} ^ {infty}}$ теріс емес кездейсоқ шамалар болуы керек. Бұдан шығады монотонды конвергенция теоремасы бұл

${displaystyle операторының аты {E} сол жақта [sum _ {i = 0} ^ {құпия} X_ {i}ight] = sum _ {i = 0} ^ {infty} оператор аты {E} [X_ {i}].}$

• Фату леммасы: Рұқсат етіңіз ${displaystyle {X_ {n} geq 0: ngeq 0}}$ теріс емес кездейсоқ шамалардың тізбегі болуы керек. Фатудің леммасы бұл туралы айтады

${displaystyle операторының аты {E} [liminf _ {n} X_ {n}] leq liminf _ {n} оператордың аты {E} [X_ {n}].}$

Қорытынды. Келіңіздер ${displaystyle X_ {n} geq 0}$ бірге ${displaystyle операторының аты {E} [X_ {n}] leq C}$ барлығына ${displaystyle ngeq 0}$. Егер ${displaystyle X_ {n} o X}$ (a.s), содан кейін ${displaystyle операторының аты {E} [X] leq C.}$

Дәлел мұны байқау арқылы ${displaystyle extstyle X = liminf _ {n} X_ {n}}$ (а.с.) және Фату леммасын қолдану.

• Конвергенция теоремасы: Рұқсат етіңіз ${displaystyle {X_ {n}: ngeq 0}}$ кездейсоқ шамалардың тізбегі болуы керек. Егер ${displaystyle X_ {n} o X}$ бағытта (а.с.), ${displaystyle | X_ {n} | leq Yleq + infty}$ (а.с.), және ${displaystyle операторының аты {E} [Y]$. Содан кейін, басым конвергенция теоремасына сәйкес,
  • ${displaystyle операторының аты {E} | X | leq операторының аты {E} [Y] <құпия}$;
  • ${displaystyle lim _ {n} оператор аты {E} [X_ {n}] = оператор атауы {E} [X]}$
  • ${displaystyle lim _ {n} оператор атауы {E} | X_ {n} -X | = 0.}$
• Бірыңғай интегралдылық: Кейбір жағдайларда теңдік ${displaystyle displaystyle lim _ {n} оператордың аты {E} [X_ {n}] = оператордың аты {E} [lim _ {n} X_ {n}]}$ реті болған кезде ұстайды ${displaystyle {X_ {n}}}$ болып табылады біркелкі интегралды.

Теңсіздіктер

Кездейсоқ шамалар функцияларының күтілетін мәндерін қамтитын бірқатар теңсіздіктер бар. Төмендегі тізімге кейбір қарапайымдары енгізілген.

• Марковтың теңсіздігі: Үшін теріс емес кездейсоқ шама ${displaystyle X}$ және ${displaystyle a> 0}$, Марковтың теңсіздігі бұл туралы айтады

${displaystyle операторының аты {P} (Xgeq a) leq {frac {operatorname {E} [X]} {a}}.}$

• Биенайме-Чебышев теңсіздігі: Рұқсат етіңіз ${displaystyle X}$ ақырғы күтілетін мәні бар кездейсоқ шама ${displaystyle операторының аты {E} [X]}$ және ақырлы дисперсия ${displaystyle операторының аты {Var} [X]эквивалент 0}$. Биенайме-Чебышев теңсіздігі кез-келген нақты сан үшін айтады ${displaystyle k> 0}$,

${displaystyle операторының аты {P} {Bigl (} {Bigl |} X-оператордың аты {E} [X] {Bigr |} geq k {sqrt {operatorname {Var} [X]}} {Bigr)} leq {frac {1 } {k ^ {2}}}.}$

• Дженсен теңсіздігі: Рұқсат етіңіз ${displaystyle f: {mathbb {R}} o {mathbb {R}}}$ болуы а Борел дөңес функция және ${displaystyle X}$ кездейсоқ шама ${displaystyle операторының аты {E} | X |$. Содан кейін

${displaystyle f (оператор атауы {E} (X)) leq оператор аты {E} (f (X)).}$

(Оң жақта болса да, жақсы анықталғанын ескеріңіз ${displaystyle X}$ ақырлы емес. Шынында да, жоғарыда айтылғандай, ${displaystyle операторының аты {E} | X |}$ мұны білдіреді ${displaystyle X}$ ақырлы а.с .; осылайша ${displaystyle f (X)}$ а.с.) анықталады.

• Ляпуновтың теңсіздігі:^[13] Келіңіздер ${displaystyle 0$ . Ляпуновтың теңсіздігі бұл туралы айтады

${displaystyle сол жақта (оператор атауы {E} | X | ^ {s}ight) ^ {1 / s} leq қалды (оператор атауы {E} | X | ^ {t}ight) ^ {1 / t}.}$

Дәлел. Қолдану Дженсен теңсіздігі дейін ${displaystyle | X | ^ {s}}$ және ${displaystyle g (x) = | x | ^ {t / s}}$, алу ${displaystyle {Bigl |} оператор атауы {E} | X ^ {s} | {Bigr |} ^ {t / s} leq оператор аты {E} | X ^ {s} | ^ {t / s} = оператор атауы {E} | X | ^ {t}}$. Қабылдау ${displaystyle t ^ {th}}$ екі жақтың түбірі дәлелдеуді аяқтайды.

• Коши-Буняковский-Шварц теңсіздігі: Коши-Буняковский-Шварц теңсіздігі бұл туралы айтады

${displaystyle (оператор атауы {E} [XY]) ^ {2} leq операторының аты {E} [X ^ {2}] cdot операторының аты {E} [Y ^ {2}].}$

• Hölder's inequality: Let ${displaystyle p}$ және ${displaystyle q}$ satisfy ${displaystyle 1leq pleq infty }$, ${displaystyle 1leq qleq infty }$, және ${displaystyle 1/p+1/q=1}$. The Hölder's inequality states that

${displaystyle operatorname {E} |XY|leq (operatorname {E} |X|^{p})^{1/p}(operatorname {E} |Y|^{q})^{1/q}.}$

• Minkowski inequality: Let ${displaystyle p}$ be a positive real number satisfying ${displaystyle 1leq pleq infty }$. Let, in addition, ${displaystyle operatorname {E} |X|^{p}$ және ${displaystyle operatorname {E} |Y|^{p}$. Then, according to the Minkowski inequality, ${displaystyle operatorname {E} |X+Y|^{p}$ және

${displaystyle {Bigl (}operatorname {E} |X+Y|^{p}{Bigr )}^{1/p}leq {Bigl (}operatorname {E} |X|^{p}{Bigr )}^{1/p}+{Bigl (}operatorname {E} |Y|^{p}{Bigr )}^{1/p}.}$

Expected values of common distributions

Тарату	Notation	Mean E(X)
Bernoulli	${displaystyle Xsim ~b(1,p)}$	${displaystyle p}$
Binomial	${displaystyle Xsim B(n,p)}$	${displaystyle np}$
Poisson	${displaystyle Xsim Po(lambda )}$	${displaystyle lambda }$
Geometric	${displaystyle Xsim Geometric(p)}$	${displaystyle 1/p}$
Uniform	${displaystyle Xsim U(a,b)}$	${displaystyle (a+b)/2}$
Exponential	${displaystyle Xsim exp(lambda )}$	${displaystyle 1/lambda }$
Қалыпты	${displaystyle Xsim N(mu ,sigma ^{2})}$	${displaystyle mu }$
Standard Normal	${displaystyle Xsim N(0,1)}$	${displaystyle 0}$
Парето	${displaystyle Xsim Par(alpha )}$	${displaystyle alpha /(alpha +1)}$ if ${displaystyle alpha >1}$
Cauchy	${displaystyle Xsim Cauchy(x_{0},gamma )}$	undefined

Relationship with characteristic function