11.6 Distribuição condicional regular

Na Seção 11.4, definimos 𝔼⁢[X|Y]\mathbb{E}[X|Y] para quaisquer variáveis aleatórias XX e YY com XX integrável ou não-negativa, mas não dissemos como calculá-la. A Seção 11.2 se restringe ao caso em que ambas as variáveis são discretas. A Seção 11.3 descreve o caso de variáveis com densidade conjunta, porém sem fornecer demonstrações rigorosas das propriedades enunciadas. O objetivo agora é dar um significado preciso à noção de distribuição condicional de XX dado YY no caso geral, unificando a abordagem das seções anteriores.

Definição 11.56.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias definidas em um mesmo espaço de probabilidade. Uma distribuição condicional regular de XX dado YY é uma função de ℬ×ℝ\mathcal{B}\times\mathbb{R} em [0,1][0,1], que a cada B∈ℬB\in\mathcal{B} e y∈ℝy\in\mathbb{R} associa um número, denotado ℙX|Y⁢(B|y)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y), satisfazendo:

  1. (1)
    ​

    Para todo y∈ℝy\in\mathbb{R} fixo, a função B↦ℙX|Y⁢(B|y)B\mapsto\mathbb{P}_{X|Y}(B|y) é uma medida de probabilidade em (ℝ,ℬ)(\mathbb{R},\mathcal{B});

  2. (2)
    ​

    Para todo B∈ℬB\in\mathcal{B} fixo, a função y↦ℙX|Y⁢(B|y)y\mapsto\mathbb{P}_{X|Y}(B|y) é uma função mensurável;

  3. (3)
    ​

    Para todos B,C∈ℬB,C\in\mathcal{B}, vale ℙ⁢(X∈B,Y∈C)=∫CℙX|Y⁢(B|y)⁢ℙY⁢(d⁢y).\mathbb{P}(X\in B,Y\in C)=\int_{C}\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)\,\mathbb{P}_{Y}(% \mathrm{d}y).

O seguinte teorema será demonstrado no Apêndice D.6.

Teorema 11.57.

Dadas duas variáveis aleatórias quaisquer XX e YY, sempre existe uma distribuição condicional regular de XX dado YY.

O conteúdo desta seção é baseado nas seguintes observações.

Primeiro, caso XX e YY sejam discretas, a equação acima se reduz a (11.21), portanto, (11.19) fornece de fato uma distribuição condicional regular.

Segundo, quando YY é absolutamente contínua, a equação acima se reduz a (11.28) fazendo mudança de medida. Se XX e YY têm densidade conjunta, podemos deduzir, a partir de (11.29), que vale (11.28) para todos B,C∈ℬB,C\in\mathcal{B} e, portanto, a definição (11.27) resulta em uma distribuição condicional regular.

Terceiro, podemos definir 𝔼⁢[X|Y=y]\mathbb{E}[X|Y=y] a partir de ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y}, e usá-la para construir 𝔼⁢[X|Y]\mathbb{E}[X|Y] explicitamente, obtendo uma versão concreta que satisfaz às duas propriedades do Teorema 11.39. Suponha que XX seja integrável ou não-negativa. Veremos logo abaixo que ∫ℝx⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y)\int_{\mathbb{R}}x\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|y) está definida para ℙY\mathbb{P}_{Y}-quase todo yy. Portanto, podemos definir

(11.58) (11.58) 𝔼⁢[X|Y=y]=∫ℝx⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y)\mathbb{E}[X|Y=y]=\int_{\mathbb{R}}x\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|y)

nos pontos yy para os quais a integral está definida, e 𝔼⁢[X|Y=y]=0\mathbb{E}[X|Y=y]=0 caso contrário. Fazendo mudança de medida, a fórmula acima se reduz a (11.34) caso YY tenha densidade, ou (11.15) caso seja discreta. Definimos 𝔼⁢[X|Y]\mathbb{E}[X|Y] como a variável aleatória que assume o valor 𝔼⁢[X|Y=y]\mathbb{E}[X\,|\,Y=y] no evento {Y=y}\{Y=y\}, como havíamos feito nas Seções 11.2 e 11.3, ou seja,

(11.59) (11.59) 𝔼⁢[X|Y]=∫ℝx⁢ℙX|Y⁢(x|Y)\mathbb{E}[X|Y]=\int_{\mathbb{R}}x\,\mathbb{P}_{X|Y}(x|Y)

quase certamente, o que também será justificado logo abaixo. Essa versão de 𝔼⁢[X|Y]\mathbb{E}[X|Y] goza de todas as propriedades vistas na Seção 11.4. Em particular, 𝔼⁢X=𝔼⁢[𝔼⁢[X|Y]]\mathbb{E}X=\mathbb{E}\big{[}\mathbb{E}[X|Y]\big{]} e com isso justificamos também (11.37).

Por último, a definição acima pode parecer demasiado abstrata e, mesmo sabendo que sempre existe uma distribuição condicional regular, isso não diz como encontrá-la. Mencionamos de passagem que uma forma explícita de se obter uma distribuição condicional regular seria a seguinte. Primeiro, calculamos

(11.60) (11.60) FX|Y⁢(x|y)=limz→x+limn→∞ℙ⁢(X⩽z|Y∈[y−1n,y+1n])F_{X|Y}(x\,|\,y)=\lim_{z\to x^{+}}\lim_{n\to\infty}\mathbb{P}{\Big{(}X% \leqslant z\,\Big{|}\,Y\in[y-\tfrac{1}{n},y+\tfrac{1}{n}]\Big{)}}

para os pontos y∈ℝy\in\mathbb{R} onde a expressão acima está bem definida e resulta em uma função de distribuição na variável xx.1818 18 É importante tomar o limite primeiro em nn e depois em zz; caso contrário, FX|Y(⋅|y)F_{X|Y}(\cdot|y) pode não ser uma função de distribuição para nenhum y∈ℝy\in\mathbb{R}, como podemos ver tomando X=Y∼𝒩⁢(0,1)X=Y\sim\mathcal{N}(0,1). Nesse exemplo, teríamos “FX|Y⁢(z|z)=12F_{X|Y}(z|z)=\frac{1}{2}” para todo z∈ℝz\in\mathbb{R} (verifique!). Depois, definimos ℙX|Y(⋅|y)\mathbb{P}_{X|Y}(\cdot|y) como sendo a única medida tal que ℙX|Y⁢((−∞,x]|y)=FX|Y⁢(x|y)\mathbb{P}_{X|Y}\big{(}(-\infty,x]\,\big{|}\,y\big{)}=F_{X|Y}(x|y) para todo xx. Entretanto, essa forma não é a mais recomendada, nem do ponto de vista teórico, nem do prático. Isso porque a fórmula (11.60) está na forma “diferencial”, já que o limite em nn nos dá uma “derivada” na variável yy, enquanto a fórmula no item (3) está na forma integral, o que é bem mais robusto. Na prática, é melhor encontrar um candidato ad hoc para a distribuição condicional regular e verificar que ele satisfaz à Definição 11.56 (o limite acima pode nos ajudar a adivinhar quem deveria ser o candidato). Foi exatamente o que fizemos mais acima para justificar a fórmula (11.26). Ao final desta seção, veremos alguns casos onde ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y} pode ser descrito de forma mais explícita.

Passemos agora a justificar (11.59). Começamos por um teorema muito útil, que também será demonstrado no Apêndice D.6.

Teorema 11.61.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias e ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y} uma distribuição condicional regular. Então, para toda função mensurável g:ℝ2→[0,+∞]g:\mathbb{R}^{2}\to[0,+\infty], vale

(11.62) (11.62) 𝔼⁢[g⁢(X,Y)]=∫ℝ(∫ℝg⁢(x,y)⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y))⁢ℙY⁢(d⁢y),\mathbb{E}[g(X,Y)]=\int_{\mathbb{R}}\Big{(}\int_{\mathbb{R}}g(x,y)\,\mathbb{P}% _{X|Y}(\mathrm{d}x|y)\Big{)}\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y),

sendo que a integral interna fornece uma função mensurável de yy.

Observe que (11.62) implica imediatamente a condição (3), tomando-se g⁢(x,y)=𝟙B⁢(x)⁢𝟙C⁢(y)g(x,y)=\mathds{1}_{B}(x)\mathds{1}_{C}(y). Esse teorema nos diz que essas duas condições são, na verdade, equivalentes.

Corolário 11.63.

Seja ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y} uma distribuição condicional regular e f:ℝ2→[0,+∞]f:\mathbb{R}^{2}\to[0,+\infty] uma função mensurável. Então,

𝔼⁢[f⁢(X,Y)|Y]=∫ℝf⁢(x,Y)⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|Y)\mathbb{E}[f(X,Y)|Y]=\int_{\mathbb{R}}f(x,Y)\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|Y)

quase certamente.

Demonstração.

O lado direito define uma variável aleatória mensurável com respeito a σ⁢(Y)\sigma(Y), pois é uma função mensurável (pelo Teorema 11.61) composta com a variável aleatória YY. Seja A∈σ⁢(Y)A\in\sigma(Y). Por definição, A={Y∈C}A=\{Y\in C\} para algum C∈ℬC\in\mathcal{B}. Tomando g⁢(x,y)=f⁢(x,y)⁢𝟙C⁢(y)g(x,y)=f(x,y)\mathds{1}_{C}(y), temos pelo Teorema 11.61 que

∫Af⁢(X,Y)⁢dℙ\displaystyle\int_{A}f(X,Y)\,\mathrm{d}\mathbb{P} =𝔼⁢[f⁢(X,Y)⁢𝟙C⁢(Y)]\displaystyle=\mathbb{E}[f(X,Y)\mathds{1}_{C}(Y)]
=∫ℝ(∫ℝf⁢(x,y)⁢𝟙C⁢(y)⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y))⁢ℙY⁢(d⁢y)\displaystyle=\int_{\mathbb{R}}\Big{(}\int_{\mathbb{R}}f(x,y)\mathds{1}_{C}(y)% \,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|y)\Big{)}\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y)
=∫C(∫ℝf⁢(x,y)⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y))⁢ℙY⁢(d⁢y)\displaystyle=\int_{C}\Big{(}\int_{\mathbb{R}}f(x,y)\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm% {d}x|y)\Big{)}\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y)
=∫A(∫ℝf⁢(x,Y)⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|Y))⁢dℙ,\displaystyle=\int_{A}\Big{(}\int_{\mathbb{R}}f(x,Y)\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm% {d}x|Y)\Big{)}\mathrm{d}\mathbb{P},

concluindo a prova. ∎

Finalmente, observamos que ∫ℝx⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y)\int_{\mathbb{R}}x\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|y) está mesmo definida para ℙY\mathbb{P}_{Y}-quase todo y∈ℝy\in\mathbb{R}. Com efeito, sendo XX integrável ou não-negativa, vale 𝔼⁢X−<∞\mathbb{E}X^{-}<\infty e, pelo Teorema 11.61, temos, para ℙY\mathbb{P}_{Y}-quase todo yy, que ∫ℝx−⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y)<∞\int_{\mathbb{R}}x^{-}\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|y)<\infty, donde segue que ∫ℝx⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|y)\int_{\mathbb{R}}x\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|y) está definida. Finalmente, substituindo f⁢(x,y)=x±f(x,y)=x^{\pm} no Corolário 11.63, obtemos 𝔼⁢[X±|Y]=∫ℝx±⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|Y)\mathbb{E}[X^{\pm}|Y]=\int_{\mathbb{R}}x^{\pm}\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|Y) quase certamente, sendo que ∫ℝx−⁢ℙX|Y⁢(d⁢x|Y)<∞\int_{\mathbb{R}}x^{-}\,\mathbb{P}_{X|Y}(\mathrm{d}x|Y)<\infty q.c. Subtraindo a parte negativa da parte positiva, obtemos (11.59).

Veremos agora como se apresenta a distribuição condicional regular de XX dado YY em alguns casos especiais, além dos casos quando ambas são discretas ou possuem densidade conjunta, que vimos nas Seções 11.2 e 11.3.

Caso em que YY é discreta

O caso em que YY é uma variável aleatória discreta generaliza a abordagem das Seções 11.1 e 11.2. Neste caso, não precisamos da teoria de distribuição condicional regular, e somos obrigados a tomar, literalmente,

ℙX|Y⁢(B|y)=ℙ⁢(X∈B,Y=y)ℙ⁢(Y=y)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)=\frac{\mathbb{P}(X\in B,Y=y)}{\mathbb{P}(Y=y)}

para todo yy tal que ℙ⁢(Y=y)>0\mathbb{P}(Y=y)>0. Os valores yy tais que ℙ⁢(Y=y)=0\mathbb{P}(Y=y)=0 são irrelevantes, e para ter uma definição completa podemos tomar, por exemplo, ℙX|Y⁢(B|y)=ℙX⁢(B)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)=\mathbb{P}_{X}(B).

Verifiquemos as condições da Definição 11.56. A condição (1) vale trivialmente. Defina D={s:ℙY⁢(s)>0}D=\{s:\mathbb{P}_{Y}(s)>0\} e observe que DD é enumerável. A condição (2) vale, pois, para cada B∈ℬB\in\mathcal{B} fixo, podemos expressar ℙX|Y⁢(B|y)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y) como soma enumerável de funções mensuráveis ∑s∈DℙX|Y⁢(B|s)⁢𝟙{s}⁢(y)+ℙX⁢(B)⁢𝟙Dc⁢(y)\sum_{s\in D}\mathbb{P}_{X|Y}(B|s)\mathds{1}_{\{s\}}(y)+\mathbb{P}_{X}(B)% \mathds{1}_{D^{c}}(y). Já a condição (3) vale porque

ℙ⁢(X∈B,Y∈C)\displaystyle\mathbb{P}(X\in B,Y\in C) =∑y∈Cℙ⁢(X∈B,Y=y)=∑y∈CℙX|Y⁢(B|y)⁢pY⁢(y)\displaystyle=\sum_{y\in C}\mathbb{P}(X\in B,Y=y)=\sum_{y\in C}\mathbb{P}_{X|Y% }(B|y)p_{Y}(y)
=∫CℙX|Y⁢(B|y)⁢ℙY⁢(d⁢y).\displaystyle=\int_{C}\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y).

Caso em que XX e YY são independentes

Se XX e YY são independentes, esse é o caso mais simples, pois o conhecimento de YY não afeta a variável XX. Neste caso, podemos tomar

ℙX|Y⁢(B|y)=ℙX⁢(B).\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)=\mathbb{P}_{X}(B).

Verifiquemos a Definição 11.56. As condições (1) e (2) valem trivialmente. A condição (3) vale porque

∫CℙX|Y⁢(B|y)⁢ℙY⁢(d⁢y)\displaystyle\int_{C}\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y) =∫CℙX⁢(B)⁢ℙY⁢(d⁢y)=ℙX⁢(B)⁢∫CℙY⁢(d⁢y)\displaystyle=\int_{C}\mathbb{P}_{X}(B)\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y)=\mathbb{P}_% {X}(B)\int_{C}\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y)
=ℙ⁢(X∈B)⁢ℙ⁢(Y∈C)=ℙ⁢(X∈B,Y∈C).\displaystyle=\mathbb{P}(X\in B)\mathbb{P}(Y\in C)=\mathbb{P}(X\in B,Y\in C).

Caso de variável discreta com parâmetro contínuo desconhecido

Suponha que YY seja discreta, XX seja absolutamente contínua, e que uma distribuição condicional regular ℙY|X\mathbb{P}_{Y|X} seja conhecida. Seja pY|X⁢(y|x)p_{Y|X}(y|x) uma função de probabilidade condicional associada.

Neste caso, uma distribuição condicional regular de XX dado YY tem densidade dada por

fX|Y⁢(x|y)=pY|X⁢(y|x)pY⁢(y)⋅fX⁢(x)f_{X|Y}(x|y)=\frac{p_{Y|X}(y|x)}{p_{Y}(y)}\cdot f_{X}(x)

se pY⁢(y)>0p_{Y}(y)>0, e fX|Y⁢(x|y)=fX⁢(x)f_{X|Y}(x|y)=f_{X}(x) caso contrário.

Mais precisamente, definimos ℙX|Y⁢(B|y)=∫BfX|Y⁢(x|y)⁢dx\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)=\int_{B}f_{X|Y}(x|y)\,\mathrm{d}x. Para verificar a condição (2), definimos o conjunto enumerável D={s:pY⁢(s)>0}D=\{s:p_{Y}(s)>0\}, e observamos que, para cada B∈ℬB\in\mathcal{B} fixo, podemos expressar ℙX|Y⁢(B|y)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y) como soma enumerável das funções mensuráveis

∑s∈D∫BpY|X⁢(y|x)⁢fX⁢(x)⁢dxpY⁢(y)⁢𝟙{s}⁢(y)+𝟙Dc⁢(y)⋅∫BfX⁢(x)⁢dx.\sum_{s\in D}\frac{\int_{B}p_{Y|X}(y|x)f_{X}(x)\,\mathrm{d}x}{p_{Y}(y)}\mathds% {1}_{\{s\}}(y)+\mathds{1}_{D^{c}}(y)\cdot\int_{B}f_{X}(x)\,\mathrm{d}x.

O numerador acima é uma função mensurável de yy pelo Lema 5.85, pois é dado pela integral em xx de uma função mensurável de xx e yy. Para verificar a condição (1), note que ℙX|Y⁢(B|y)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y) é não-negativa por definição, e é σ\sigma-aditiva em BB como consequência da σ\sigma-aditividade da integral. Ademais,

ℙX|Y⁢(ℝ|y)=∫ℝpY|X⁢(y|x)⁢fX⁢(x)pY⁢(y)⁢dx=∫ℝℙY|X⁢({y}|x)⁢ℙX⁢(d⁢x)pY⁢(y)=1\displaystyle\mathbb{P}_{X|Y}(\mathbb{R}|y)=\int_{\mathbb{R}}\frac{p_{Y|X}(y|x% )f_{X}(x)}{p_{Y}(y)}\,\mathrm{d}x=\frac{\int_{\mathbb{R}}\mathbb{P}_{Y|X}(\{y% \}|x)\mathbb{P}_{X}(\mathrm{d}x)}{p_{Y}(y)}=1

se pY⁢(y)>0p_{Y}(y)>0, e ℙX|Y⁢(ℝ|y)=∫ℝfX⁢(x)⁢dx=1\mathbb{P}_{X|Y}(\mathbb{R}|y)=\int_{\mathbb{R}}f_{X}(x)\,\mathrm{d}x=1 caso contrário. Finalmente, para verificar condição (3), desenvolvemos

∫CℙX|Y⁢(B|y)⁢ℙY⁢(d⁢y)\displaystyle\int_{C}\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)\mathbb{P}_{Y}(\mathrm{d}y) =∑y∈C(∫BpY|X⁢(y|x)pY⁢(y)⋅fX⁢(x)⁢dx)⁢pY⁢(y)\displaystyle=\sum_{y\in C}\Big{(}\int_{B}\frac{p_{Y|X}(y|x)}{p_{Y}(y)}\cdot f% _{X}(x)\,\mathrm{d}x\Big{)}p_{Y}(y)
=∑y∈C∫BpY|X⁢(y|x)⋅fX⁢(x)⁢dx\displaystyle=\sum_{y\in C}\int_{B}{p_{Y|X}(y|x)}\cdot f_{X}(x)\,\mathrm{d}x
=∑y∈C∫BℙY|X⁢({y}|x)⁢ℙX⁢(d⁢x)\displaystyle=\sum_{y\in C}\int_{B}\mathbb{P}_{Y|X}(\{y\}\,|\,x)\mathbb{P}_{X}% (\mathrm{d}x)
=∑y∈Cℙ⁢(Y=y,X∈B)\displaystyle=\sum_{y\in C}\mathbb{P}(Y=y,X\in B)
=ℙ⁢(Y∈C,X∈B).\displaystyle=\mathbb{P}(Y\in C,X\in B).
Exemplo 11.64 (Ensaios de Bernoulli com parâmetro dado por uma Beta).

Sejam XX e YY, variáveis aleatórias tais que X∼Beta(a,b)X\sim\mathop{\mathrm{Beta}}\nolimits(a,b) e a distribuição condicional de YY dado que X=xX=x é Binom(n,x)\mathop{\mathrm{Binom}}\nolimits(n,x). Neste caso,

fX|Y⁢(x|y)=(ny)⁢xy⁢(1−x)n−ypY⁢(y)⁢fX⁢(x)=xy+a−1⁢(1−x)n−y+b−1c⁢(a,b,n,y)\displaystyle f_{X|Y}(x|y)=\frac{\binom{n}{y}x^{y}(1-x)^{n-y}}{p_{Y}(y)}\,f_{X% }(x)=\frac{x^{y+a-1}(1-x)^{n-y+b-1}}{c(a,b,n,y)}

para todo y=0,…,ny=0,\dots,n. Observamos também que c=∫01xy+a−1⁢(1−x)n−y+b−1⁢dxc=\int_{0}^{1}x^{y+a-1}(1-x)^{n-y+b-1}\mathrm{d}x, pois fX|Y(⋅|y)f_{X|Y}(\cdot|y) é uma função de densidade. Portanto, a distribuição condicional de XX dado que Y=yY=y é uma distribuição Beta de parâmetros a+ya+y e b+(n−y)b+(n-y). ∎

Caso em que ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y} é especificado

Os Exemplos 11.18, 11.20, 11.32 e 11.33 ilustraram o caso em que ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y} é especificado, juntamente com ℙY\mathbb{P}_{Y}. Tal especificação deve satisfazer às condições (1) e (2), enquanto a equação em (3) serve para determinar a distribuição conjunta ℙX,Y\mathbb{P}_{X,Y}, cuja marginal serve para determinar ℙX\mathbb{P}_{X}, e a integral (11.58) serve para calcular 𝔼⁢[X|Y]\mathbb{E}[X|Y]. Vejamos um exemplo que não se enquadra nos contextos das Seções 11.2 ou 11.3.

Exemplo 11.65.

Seja Y∼𝒰⁢[0,1]Y\sim\mathcal{U}[0,1]. Se Y=yY=y, então uma moeda com probabilidade yy de sair cara é lançada nn vezes independentemente. Seja XX a variável aleatória que representa o número de caras obtidas.

A distribuição condicional de XX dado que Y=yY=y é Binom(n,y)\mathop{\mathrm{Binom}}\nolimits(n,y). Portanto, 𝔼⁢[X|Y=y]=n⁢y\mathbb{E}[X\,|\,Y=y]=ny, ou seja, 𝔼⁢[X|Y]=n⁢Y\mathbb{E}[X\,|\,Y]=nY, logo

𝔼⁢[𝔼⁢[X|Y]]=𝔼⁢[n⁢Y]=n2.∎\mathbb{E}\big{[}\mathbb{E}[X|Y]\big{]}=\mathbb{E}[nY]=\frac{n}{2}.\qed