Valószínűségi mezők, σ-algebrák és valószínűségi változók
A „Véletlen bolyongás és Brown-mozgás” című lecke szabadon használta a valószínűség, a várható érték és a függetlenség fogalmát. A következő folytonos idejű modellekben ezeknek a szavaknak pontos jelentés kell, mert információról, egész pályától függő eseményekről és az ismert adatokra vett feltételes átlagokról lesz szó. Ez a lecke felépíti a mértékelméleti keretet: az eseményteret, a σ-algebrákat, a valószínűségi mértékeket és a valószínűségi változókat. Végig egy szabályos dobókocka lesz a példa, az utolsó szakasz pedig előre bemutatja a feltételes várható értéket, amely a második következő lecke témája.
Eseménytér és események
Egy véletlen kísérletet egy halmazzal, az eseménytérrel modellezünk, amelynek elemei a lehetséges kimenetelek. Egy kockadobásnál . Az előző lecke dobásos pénzfeldobásos bolyongásánál (fej, írás), és egy egy teljes dobássorozat. A Brown-mozgásnál egy egy teljes folytonos pálya.
Egy esemény egy részhalmaz: az esemény bekövetkezik, ha a megvalósult kimenetel -ba esik. „A kocka páros számot mutat” esemény a halmaz. A halmazműveletek a logikát fordítják le: jelentése „ és ”, jelentése „ vagy ”, az komplementeré „nem ”.
σ-algebrák
Nem rendelünk valószínűséget minden részhalmazához. Ehelyett rögzítünk részhalmazoknak egy rendszerét, azokat az eseményeket, amelyekre rákérdezhetünk, és megköveteljük, hogy zárt legyen a logikai műveletekre. Az részhalmazainak egy rendszere σ-algebra, ha
Két következmény azonnal adódik. (i)-ből és (ii)-ből . (ii)-ből, (iii)-ból és a De Morgan-azonosságból események megszámlálható metszete is esemény. A „σ” a (iii)-beli megszámlálható uniókra utal; ezekre végtelen sok időpontot érintő állításokhoz van szükség, például „a bolyongás valamikor 10 fölé megy”, ami a esemény.
A kockán három σ-algebra fog visszatérni:
- a triviális σ-algebra, amely semmit nem árul el a dobásról;
- a paritás-σ-algebra, , amely meg tudja különböztetni a páratlant a párostól, de semmi mást;
- a hatványhalmaz mind a részhalmazzal, amely pontosan azonosítja a dobást.
Két ok indokolja, hogy σ-algebrára szorítkozunk. Az első technikai: az halmazon nem lehet minden részhalmazhoz olyan „hosszt” rendelni, amely megszámlálhatóan additív és eltolásra invariáns (Vitali konstrukciója), így nem megszámlálható eseménytereken bizonyos halmazokat ki kell hagyni. A második a pénzügyekben lényeges: a -nál kisebb σ-algebra részleges információt modellez. Akinek az információja a paritás-σ-algebra, az meg tudja mondani, hogy páros volt-e a dobás, de azt nem, hogy 6 volt-e.
Részhalmazok tetszőleges rendszerére az összes -t tartalmazó σ-algebra metszete szintén σ-algebra, mégpedig a legszűkebb, amely -t tartalmazza. Jele , neve a által generált σ-algebra. -en a nyílt intervallumok által generált σ-algebra a Borel-σ-algebra, . Tartalmaz minden intervallumot, minden nyílt és zárt halmazt, és mindent, ami ezekből megszámlálható műveletekkel felépíthető; konstrukciójába nem megyünk bele.
Valószínűségi mértékek
Az páron értelmezett valószínűségi mérték egy függvény, amelyre , és amely megszámlálhatóan additív: páronként diszjunkt esetén
Az hármas a valószínűségi mező. A megszokott szabályok ebből következnek: (mert és diszjunkt, uniójuk ), és esetén (mert ). A szabályos kockánál és . Ugyanazon a σ-algebrán több mérték is élhet; így fér meg egy eseménytéren a valós és a kockázatsemleges mérték.
Valószínűségi változók
A valószínűségi változó a kimenetel által meghatározott szám, , egyetlen feltétellel: minden „?” alakú kérdésnek eseménynek kell lennie, hogy legyen valószínűsége. Formálisan $\mathcal{F}$-mérhető, ha
Ez ekvivalens azzal, hogy minden Borel-halmazra , mert azok a halmazok, amelyekre , σ-algebrát alkotnak, amely tartalmazza az összes félegyenest, ezek pedig generálják -t.
A mérhetőség a σ-algebrától függ. Legyen a kockán , amely -on 1, máshol 0. Ekkor , ami nincs benne a paritás-σ-algebrában, tehát nem mérhető a paritásra: csak a paritást ismerve nem dönthető el, hogy -e.
Valószínűségi változó által generált σ-algebra
Az $X$ által generált σ-algebra azoknak az eseményeknek a rendszere, amelyek megfigyelésével eldönthetők:
Ez a legszűkebb σ-algebra, amelyre mérhető. Olvasd úgy, mint azoknak a kérdéseknek a listáját, amelyekre választ ad. A kockán az változóra éppen a paritás-σ-algebra. Azt, hogy pontosan „az -ben lévő információ”, a Doob–Dynkin-lemma fejezi ki: egy valószínűségi változó akkor és csak akkor -mérhető, ha valamilyen Borel-függvénnyel. ismeretében tehát pontosan függvényei számolhatók ki.
Véges eseményterek és partíciók
Véges esetén minden σ-algebra egyszerű szerkezetű. esetén legyen a összes -t tartalmazó eseményének metszete; ez véges metszet, így . Ezek a halmazok a atomjai. Két atom vagy egyenlő, vagy diszjunkt: ha , akkor van olyan , amely -t tartalmazza, -t nem, így tartalmazza -t, és diszjunkt az halmaztól. Az atomok tehát partícionálják -t, és minden eseménye a pontjai atomjainak uniója.
Véges esetén egy σ-algebra ugyanaz, mint egy atomból álló partíciója: eseményei pontosan az atomok uniói, így darab van belőlük. Egy valószínűségi változó akkor és csak akkor -mérhető, ha minden atomon állandó.
A paritás-σ-algebra atomjai és , így eseménye van. Az párokra bontás eseményt ad, és erre mérhető, hiszen minden páron állandó. A hatványhalmaznak hat atomja és eseménye van.
Függetlenség
Két esemény független, ha . Két σ-algebra, és , független, ha ez minden és minden esetén teljesül, az és valószínűségi változók pedig függetlenek, ha és az. Szavakkal: bármely -re vonatkozó kérdés válaszának megismerése nem változtat egyetlen -ra vonatkozó kérdés valószínűségén sem.
Példa a szabályos kockán. A paritás és független: a négy nem triviális párra
és ugyanez a páros számokra, az -t vagy -t tartalmazó párokra pedig triviálisan teljesül. A paritás és az alacsony–magas felbontás nem független: , de .
Várható érték
Véges eseménytéren a várható érték a valószínűségekkel súlyozott átlag, . Általános eseménytéren ez az Lebesgue-integrál, amelyet először véges sok értéket felvevő változókra, majd monoton határátmenettel definiálunk; a megszokott szabályok megmaradnak: linearitás, , és független, integrálható esetén . A kockán esetén
Feltételes várható érték mint blokkátlag
Ha egy véges -n adott σ-algebra minden atomja pozitív valószínűségű, akkor az feltételes várható érték az a valószínűségi változó, amely minden atomon -nek az -ra vett átlagával egyenlő:
Ez legjobb becslése annak, aki tudja, melyik atom következett be. -mérhető, és minden eseményén ugyanaz az átlaga, mint -nek: esetén . Általános eseménytéren ez a két tulajdonság a definíció, ezzel foglalkozik a „Feltételes várható érték és martingálok” című lecke. A blokkokon belüli átlagolás eltünteti a szóródás egy részét, és a teljes variancia tétele ezt pontossá teszi:
Kidolgozott példa esetén. Paritás-információval a páratlan számokon , a párosakon , így varianciája . Alacsony–magas felbontással értéke vagy , varianciája . Párokkal , vagy , varianciája . Teljes információval maga , varianciája ; információ nélkül a konstans, varianciája .
Az ábra a hat kimenetelt csempékként mutatja, a választott információ atomjai szerint színezve; minden csempén , és az blokkátlag látható. Válaszd ki az információt (nincs, paritás, alacsony–magas, párok, teljes) és a valószínűségi változót (, vagy ). A kijelzők mutatják az események számát, valamint , és értékét. Ellenőrizd, hogy az utolsó soha nem nagyobb -nél, és teljes információnál egyenlő vele. és paritás mellett : az információ független -től, és nem javít a becslésen.
- ω = 1X = 1E[X | 𝒢] = 11.67
- ω = 2X = 4E[X | 𝒢] = 18.67
- ω = 3X = 9E[X | 𝒢] = 11.67
- ω = 4X = 16E[X | 𝒢] = 18.67
- ω = 5X = 25E[X | 𝒢] = 11.67
- ω = 6X = 36E[X | 𝒢] = 18.67
- Események száma 𝒢-ben
- 4
- E[X]
- 15.167
- Var X
- 149.139
- Var E[X | 𝒢]
- 12.250
Összefoglalás
- Egy valószínűségi mező a kimenetelekből, a komplementerre és megszámlálható unióra zárt események σ-algebrájából és egy tulajdonságú, megszámlálhatóan additív mértékből áll.
- A valószínűségi változó -mérhető leképezés: minden esemény -ben van. A generált σ-algebra azokat a kérdéseket gyűjti össze, amelyekre választ ad, és a -mérhető változók pontosan függvényei.
- Véges -n egy σ-algebra egy atomú partíció eseménnyel, és a mérhetőség az atomokon való állandóságot jelenti.
- σ-algebrák függetlensége azt jelenti, hogy az egyik minden eseménye független a másik minden eseményétől.
- Partíción a feltételes várható érték a blokkátlag; ez durvább változó, és .
A következő lecke, a „Filtrációk, adaptált folyamatok és megállási idők”, az időben bővülő σ-algebrával modellezi az árfolyamok megfigyelésével gyűlő információt.