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条件付き期待値の定義

\((\Omega, \mathcal{F}, P)\) を確率空間とする。 \(X\) を(\(\mathcal{F}\)-可測な)確率変数、\(\mathcal{G}\) を \((\Omega, \mathcal{F})\) の部分σ-代数とするとき、次を満たす確率変数 \(Y\) を \(\mathcal{G}\) に関する \(X\) の条件付き期待値と呼び、\(E[X\mid \mathcal{G}]\) と表す。

  1. \(Y\) は \(\mathcal{G}\)-可測
  2. \(\int_A Y dP = \int_A X dP\) for all \(A \in \mathcal{G}\)

このような \(Y\) はa.s.で一意である。

存在と一意性
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このようなr.v.の存在と一意性は次のようにして保証される。

存在
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\(\mu_X: \mathcal{G} \to \mathbb{R}\) を次のように定義する。

$$ \mu_X(A) = \int_A X dP $$

すると、\(\mu_X\) は (1) \(\mathcal{G}\) 上の符号付き測度であり、(2) \(P\|_{\mathcal{G}}\) に絶対連続である。 ただし \(P|_{\mathcal{G}}\) は確率測度 \(P\) を \(\mathcal{G}\) に制限した確率測度である。

すると、ラドン-ニコディムの定理が適用でき、ラドン-ニコディム微分

$$ \frac{d\mu_X}{d (P|_{\mathcal{G}})} $$

を\(Y\)と置くと、以下のように条件1、2が満たされる。

  • この定理より条件1は自動的に満たされる
  • この定理より \(\int_A Y d (P\|_{\mathcal{G}}) = \mu_X(A) = \int_A X dP\) を満たすので、条件2が示される

一意性
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測度論の一般論として、2つの \(\mathcal{G}\)-可測なr.v. \(Y\) と \(Y'\) がa.s.で等しいことと次は同値である。

$$ \int_A Y dP = \int_A Y' dP \text{ for all } A \in \mathcal{G} $$

すると条件1,2より一意性がわかる。

注
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  • 一意性がa.s.でしか言えないので、条件付き期待値はa.s.でしか定義されず、確率0の事象上での差は無視する
  • \(\int_A X dP\) は \(E[X, A]\) とも表す。これは良く使う記号である