条件期望是概率和统计学中的基本概念,用于描述给定信息下随机变量的平均值。它推广了通常的期望值:以某个事件为条件时,得到的是一个数;以另一个随机变量为条件时,得到的通常是一个随机变量,其取值取决于观测到的信息。条件期望为计算子群体内的平均值、预测未观测量,以及描述信息不断积累时的不确定性提供了统一框架。(ocw.mit.edu)
初等定义
对于可积随机变量 X 和满足 P(A)>0 的事件 A,条件期望定义为
E[X∣A]=P(A)E[X1A],
其中,1A 在 A 上等于 1,在其余位置等于 0。对于离散随机变量 X,该式可写为
E[X∣A]=x∑xP(X=x∣A).
因此,计算这一平均值时使用的是根据给定事件调整后的概率,而非原来的概率。(ocw.mit.edu)
若 Y 是离散随机变量,则对满足 P(Y=y)>0 的取值,定义
m(y)=E[X∣Y=y]=x∑xP(X=x∣Y=y).
表达式 E[X∣Y]=m(Y) 表示一个随机变量,而 E[X∣Y=y] 表示它在某个给定观测值处的数值。这一区别至关重要:尽管无条件均值是常数,条件均值却会随 Y 的取值而变化。(ocw.mit.edu)
对于实值随机变量 X,Y,若它们的联合概率分布具有密度 fX,Y,则相应公式使用条件概率密度函数:
m(y)=∫RxfX∣Y(x∣y)dx,fX∣Y(x∣y)=fY(y)fX,Y(x,y),
其中要求 fY(y)>0,且积分存在。这并不是直接除以 P(Y=y),因为对于连续分布的 Y,该概率为零。(live.ocw.mit.edu)
测度论定义
一般定义建立在测度论之上。设 (Ω,F,P) 为一个概率空间,E∣X∣<∞,并设 G⊆F 是表示可用信息的σ代数。条件期望 Z=E[X∣G] 是一个可积且 G-可测的随机变量,并满足
∫AZdP=∫AXdP对每个 A∈G.
这些勒贝格积分恒等式保留了利用该信息能够确定的平均值。可测性则确保 Z 不依赖于 G 之外的信息。(math.ucdavis.edu)
条件期望的存在性可由拉东—尼科迪姆定理推出:对于非负可积随机变量 X,定义在 G 上的测度 A↦E[X1A] 相对于 P 具有拉东—尼科迪姆导数。对于一般的可积随机变量 X,则分别处理其正部和负部。条件期望在几乎必然的意义下唯一,也就是说,不同版本可以在概率为零的集合上有所不同。(math.ucdavis.edu)
以 Y 为条件,就是以它生成的 σ代数 σ(Y) 为条件。对于实值随机变量 Y,条件期望的某个版本可写为 m(Y),其中 m 是可测函数。对于概率为零的单个观测值,其对应的函数值不一定能唯一确定;额外的正则性条件可以帮助选取一个便于使用的版本。(math.ucdavis.edu)
主要性质
对于可积随机变量,条件期望具有线性性和保序性。对 G-可测的随机变量取条件期望,其值保持不变。若 X 与 G 具有统计独立性,则
E[X∣G]=E[X]几乎必然成立.
独立性是这一恒等式成立的充分条件,但仅凭该恒等式不能断定独立性。(math.ucdavis.edu)
“提出已知量”规则指出,对于有界且 G-可测的随机变量 W,有
E[WX∣G]=WE[X∣G].
塔式性质指出,若 H⊆G,则
E[E[X∣G]∣H]=E[X∣H].
因此,利用较粗的信息对基于较细信息的估计再取平均,结果等同于直接基于较粗信息作出的估计。其特例是全期望公式:
E[E[X∣G]]=E[X].
上述涉及随机变量相等的恒等式均在几乎必然的意义下成立。(people.math.wisc.edu)
条件形式的詹森不等式给出
φ(E[X∣G])≤E[φ(X)∣G],
其中 φ 为凸函数,并假定相关期望存在。特别地,取条件期望不会增大绝对值的期望:
E∣E[X∣G]∣≤E∣X∣.
(samuel-drapeau.info)
预测与几何解释
当 E[X2]<∞ 时,条件期望是 X 在希尔伯特空间 L2 中向由 G-可测随机变量构成的闭子空间的正交投影。其残差满足
E[(X−E[X∣G])W]=0,
其中 W 可以是任意平方可积且 G-可测的随机变量。这里的正交性是相对于内积 E[UV] 而言的。(samuel-drapeau.info)
因此,在所有基于 G 的平方可积预测中,E[X∣G] 使均方误差最小。对于已观测到的预测变量 Y,最优预测为 m(Y)=E[X∣Y]。与线性回归不同,这种优化并不将预测限制为线性函数;最优条件均值可以是非线性的。(ocw.mit.edu)
方差分解与随机过程
对于平方可积随机变量 X,条件方差定义为
Var(X∣G)=E[(X−E[X∣G])2∣G].
由全方差公式可得
Var(X)=E[Var(X∣G)]+Var(E[X∣G]).
这一公式将总变异分解为两部分:按给定信息划分的各组内部剩余变异的平均值,以及各组条件均值之间的变异。(ocw.mit.edu)
在随机过程中,随时间递增的滤过(概率论) (Ft) 表示各时刻可用的信息。可积适应过程 Mt 若满足
E[Mt∣Fs]=Ms,s≤t,
则称为鞅。对于可积的终端量 Z,过程 Mt=E[Z∣Ft] 由塔式性质满足这一恒等式,表示随着信息增加,对同一量依次作出的估计。(people.math.wisc.edu)