11.7 Exercícios

§11.1

1.

Seja XX uma variável aleatória simples definida em (Ω,ℱ,ℙ)(\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) e 𝒟\mathcal{D} uma partição finita de Ω\Omega. Definimos a variância condicional de XX dada a partição 𝒟\mathcal{D} como:

𝕍⁢[X|𝒟]=𝔼⁢[(X−𝔼⁢[X|𝒟])2|𝒟].\mathbb{V}[X|\mathcal{D}]=\mathbb{E}\big{[}\left(X-\mathbb{E}[X|\mathcal{D}]% \right)^{2}\big{|}\mathcal{D}\big{]}.

Mostre que

𝕍⁢[X|𝒟]=𝔼⁢[X2|𝒟]−(𝔼⁢[X|𝒟])2\mathbb{V}[X|\mathcal{D}]=\mathbb{E}[X^{2}\big{|}\mathcal{D}]-(\mathbb{E}[X|% \mathcal{D}])^{2}

e

𝕍⁢X=𝔼⁢[𝕍⁢[X|𝒟]]+𝕍⁢[𝔼⁢[X|𝒟]].\mathbb{V}X=\mathbb{E}\big{[}\mathbb{V}[X|\mathcal{D}]\big{]}+\mathbb{V}\big{[% }\mathbb{E}[X|\mathcal{D}]\big{]}.
2.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias simples definidas em (Ω,ℱ,ℙ)(\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) e 𝒟\mathcal{D} uma partição finita de Ω\Omega. Mostre que

𝔼⁢[X⋅𝔼⁢[Y|𝒟]]=𝔼⁢[Y⋅𝔼⁢[X|𝒟]].\mathbb{E}\left[\,X\cdot\mathbb{E}[Y|\mathcal{D}]\,\right]=\mathbb{E}\left[\,Y% \cdot\mathbb{E}[X|\mathcal{D}]\,\right].
3.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias simples definidas em (Ω,ℱ,ℙ)(\Omega,\mathcal{F},\mathbb{P}) e 𝒟\mathcal{D} uma partição finita de Ω\Omega. Mostre que, se

𝔼⁢[Y2|𝒟]=X2e𝔼⁢[Y|𝒟]=X,\mathbb{E}[Y^{2}\,\big{|}\,\mathcal{D}]=X^{2}\quad\text{e}\quad\mathbb{E}[Y|% \mathcal{D}]=X,

então ℙ⁢(X=Y)=1\mathbb{P}(X=Y)=1. Dica: Desenvolva 𝔼⁢(X−Y)2\mathbb{E}(X-Y)^{2}.

§11.2

4.

Prove que, se X1,…,XmX_{1},\dots,X_{m} são simples e i.i.d., e NN toma valores em {0,…,m}\{0,\dots,m\} e é independente de X1,…,XmX_{1},\dots,X_{m}, então

𝕍⁢SN=𝔼⁢N⋅𝕍⁢X1+(𝔼⁢X1)2⁢𝕍⁢N,\mathbb{V}S_{N}=\mathbb{E}{N}\cdot\mathbb{V}X_{1}+(\mathbb{E}X_{1})^{2}\mathbb% {V}{N},

onde SN=X1+⋯+XNS_{N}=X_{1}+\dots+X_{N} e S0=0S_{0}=0.

5.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias simples e i.i.d. Mostre que

𝔼⁢[X|X+Y]=𝔼⁢[Y|X+Y]=X+Y2.\mathbb{E}[X|X+Y]=\mathbb{E}[Y|X+Y]=\frac{X+Y}{2}.
6.

Dê um exemplo de variáveis aleatórias simples XX e YY que não são independentes mas, mesmo assim, 𝔼⁢[X|Y]=𝔼⁢X\mathbb{E}[X|Y]=\mathbb{E}X.

7.

Dadas duas variáveis aleatórias simples XX e YY, e g:ℝ→ℝg:\mathbb{R}\to\mathbb{R}, mostre que 𝔼⁢[g⁢(Y)⁢𝔼⁢[X|Y]]=𝔼⁢[X⁢g⁢(Y)]\mathbb{E}\big{[}g(Y)\mathbb{E}[X|Y]\big{]}=\mathbb{E}[Xg(Y)].

§11.3

8.

Um número não-negativo YY é escolhido com densidade fY⁢(y)=y⁢e−yf_{Y}(y)=ye^{-y} para y>0y>0. Se Y=yY=y, um número XX é escolhido uniformemente no intervalo [0,y]\left[0,y\right].

  1. (a)
    ​

    Descreva fX|Yf_{X|Y}.

  2. (b)
    ​

    Encontre fX,Yf_{X,Y}.

  3. (c)
    ​

    Encontre fXf_{X}.

  4. (d)
    ​

    Encontre fY|Xf_{Y|X}.

  5. (e)
    ​

    Calcule ℙ⁢(X+Y⩽2)\mathbb{P}(X+Y\leqslant 2).

9.

Para XX e YY definidas no Exemplo 11.30, calcule 𝔼⁢[X|Y]\mathbb{E}\left[X|Y\right].

10.

Seja (X,Y)(X,Y) um vetor aleatório com densidade conjunta dada por

fX,Y⁢(x,y)={e−yy, se ⁢0<x<y,0, caso contrário.f_{X,Y}(x,y)=\begin{cases}\frac{e^{-y}}{y},&\text{ se }0<x<y,\\ 0,&\text{ caso contr\'{a}rio.}\end{cases}

Calcule 𝔼⁢[X2|Y=y]\mathbb{E}[X^{2}|Y=y].

§11.4

11.

Refaça os exercícios de §11.1 acima, supondo que XX e YY têm segundo momento finito e usando uma σ\sigma-álgebra 𝒢\mathcal{G} no lugar de uma partição 𝒟\mathcal{D}.

12.
  1. (a)
    ​

    Suponha que (X,Y)∼(Y,X)(X,Y)\sim(Y,X) e que XX seja integrável. Mostre que

    𝔼⁢[X|X+Y]=𝔼⁢[Y|X+Y].\mathbb{E}[X|X+Y]=\mathbb{E}[Y|X+Y].
  2. (b)
    ​

    Sejam X1,…,XnX_{1},\dots,X_{n} i.i.d. e integráveis, e Sn=∑k=1nXkS_{n}=\sum_{k=1}^{n}X_{k}. Mostre que

    𝔼⁢[X1|Sn]=Snn.\mathbb{E}[X_{1}|S_{n}]=\frac{S_{n}}{n}.

Dica: Expresse as esperanças como integrais de Lebesgue em ℝ2\mathbb{R}^{2} ou ℝn\mathbb{R}^{n}.

13.

Mostre que, se XX é integrável, então 𝔼[|𝔼[X|𝒢]|]⩽𝔼|X|\mathbb{E}[|\mathbb{E}[X|\mathcal{G}]|]\leqslant\mathbb{E}|X|.

14.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias com segundo momento finito. Mostre que 𝐂𝐨𝐯(X,𝔼⁢[Y|X])=𝐂𝐨𝐯(X,Y)\mathop{\mathbf{Cov}}\nolimits(X,\mathbb{E}[Y|X])=\mathop{\mathbf{Cov}}% \nolimits(X,Y).

15.

Sejam X1,X2,…X_{1},X_{2},\dots variáveis aleatórias i.i.d. positivas. Suponha que X1X_{1} e 1X1\frac{1}{X_{1}} são integráveis, e defina Sn=X1+⋯+XnS_{n}=X_{1}+\dots+X_{n}.

  1. (a)
    ​

    Mostre que 1Sn\frac{1}{S_{n}} é integrável.

  2. (b)
    ​

    Calcule 𝔼⁢[X1Sn]\mathbb{E}[\frac{X_{1}}{S_{n}}].

  3. (c)
    ​

    Calcule 𝔼⁢[SmSn]\mathbb{E}[\frac{S_{m}}{S_{n}}] para 1⩽m⩽n1\leqslant m\leqslant n.

§11.5

16.

Sejam λ,ν\lambda,\nu e μ\mu medidas σ\sigma-finitas definidas no mesmo espaço mensurável (Ω,ℱ)(\Omega,\mathcal{F}). Mostre que

  1. (a)
    ​

    Se λ≪μ\lambda\ll\mu e ν≪μ\nu\ll\mu, então (λ+ν)≪μ(\lambda+\nu)\ll\mu e

    d⁢(λ+ν)d⁢μ=d⁢λd⁢μ+d⁢νd⁢μ.\frac{\mathrm{d}(\lambda+\nu)}{\mathrm{d}\mu}=\frac{\mathrm{d}\lambda}{\mathrm% {d}\mu}+\frac{\mathrm{d}\nu}{\mathrm{d}\mu}.
  2. (b)
    ​

    Se ν≪μ\nu\ll\mu e c>0c>0, então (c⁢ν)≪μ(c\nu)\ll\mu e

    d⁢(c⁢ν)d⁢μ=c⁢d⁢νd⁢μ.\frac{\mathrm{d}(c\nu)}{\mathrm{d}\mu}=c\frac{\mathrm{d}\nu}{\mathrm{d}\mu}.
  3. (c)
    ​

    Se λ≪ν\lambda\ll\nu e ν≪μ\nu\ll\mu, então λ≪μ\lambda\ll\mu e

    d⁢λd⁢μ=d⁢λd⁢ν⋅d⁢νd⁢μ.\frac{\mathrm{d}\lambda}{\mathrm{d}\mu}=\frac{\mathrm{d}\lambda}{\mathrm{d}\nu% }\cdot\frac{\mathrm{d}\nu}{\mathrm{d}\mu}.
17.

Sejam μ\mu e ν\nu medidas definidas no mesmo espaço mensurável (Ω,ℱ)(\Omega,\mathcal{F}).

  1. (a)
    ​

    Suponha que, para todo ε>0\varepsilon>0, existe δ>0\delta>0 tal que ν⁢(A)<ε\nu(A)<\varepsilon para todo A∈ℱA\in\mathcal{F} com μ⁢(A)<δ\mu(A)<\delta. Mostre que ν≪μ\nu\,\!\ll\mu.

  2. (b)
    ​

    Mostre que a recíproca também é válida se ν⁢(Ω)<∞\nu(\Omega)<\infty.

    Dica: Suponha que a propriedade ε\varepsilon-δ\delta não é válida, tome uma sequência adequada (Ak)k(A_{k})_{k} de subconjuntos, defina Bn=∪k⩾nAkB_{n}=\cup_{k\geqslant n}A_{k} e A=∩nBnA=\cap_{n}B_{n} para mostrar ν⁢≪μ\nu\,\not\!\ll\mu.

  3. (c)
    ​

    Mostre que a recíproca pode ser falsa sem a hipótese de que ν⁢(Ω)<∞\nu(\Omega)<\infty.

    Sugestão: Considere Ω=ℕ\Omega=\mathbb{N}, ν=∑nδn\nu=\sum_{n}\delta_{n} e μ=∑nn−2⁢δn\mu=\sum_{n}n^{-2}\delta_{n}.

§11.6

18.

Rita lança uma moeda, cuja probabilidade de sair cara é pp, indefinidamente até obter a primeira cara; após isto ela irá receber uma quantia cuja distribuição é exponencial com parâmetro igual ao número de lançamentos da moeda. Calcule a esperança da quantia recebida por Rita.

19.

Joga-se um dado, depois uma moeda, depois o dado novamente e segue-se alternando entre o dado e a moeda. Quando se obtém cara na moeda, o jogo é imediatamente interrompido e conta-se o total ZZ de pontos obtidos nos lançamentos do dado. Calcule 𝔼⁢Z\mathbb{E}Z.

20.

O número de passageiros que chegam ao ponto do ônibus 409 durante o intervalo de tempo [0,t][0,t] tem distribuição de Poisson com parâmetro λ⁢t\lambda t. O tempo TT de chegada do próximo ônibus tem distribuição exponencial com parâmetro α\alpha. Mas precisamente, a distribuição condicional do número NN de passageiros que chegam ao ponto antes do próximo ônibus dado que T=tT=t é Poisson(λ⁢t)\mathop{\mathrm{Poisson}}\nolimits(\lambda t). Mostre que N+1∼Geom(αλ+α)N+1\sim\mathop{\mathrm{Geom}}\nolimits(\frac{\alpha}{\lambda+\alpha}).

21.

Suponha que ℙX|Y⁢(B|y)=ℙX⁢(B)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)=\mathbb{P}_{X}(B) para todo B∈ℬB\in\mathcal{B} e todo y∈ℝy\in\mathbb{R}. Mostre que XX e YY são independentes.

22Princípio da substituição.

Seja ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y} uma distribuição condicional regular e f:ℝ2→ℝf:\mathbb{R}^{2}\to\mathbb{R} uma função mensurável. Defina Z=f⁢(X,Y)Z=f(X,Y). Mostre que

ℙZ|Y⁢(B|y)=ℙX|Y⁢({x:f⁢(x,y)∈B}|y)\mathbb{P}_{Z|Y}(B|y)=\mathbb{P}_{X|Y}(\{x:f(x,y)\in B\}|y)

é uma distribuição condicional regular de ZZ dado YY.
Dica: Use g⁢(x,y)=𝟙B⁢(f⁢(x,y))⋅𝟙C⁢(y)g(x,y)=\mathds{1}_{B}(f(x,y))\cdot\mathds{1}_{C}(y).

23.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias independentes. Prove que

ℙ⁢(X⩽Y)=𝔼⁢[FX⁢(Y)].\mathbb{P}(X\leqslant Y)=\mathbb{E}[F_{X}(Y)].

Dica: Use o exercício anterior e esperança iterada.

24.

Sejam XX e YY variáveis aleatórias, onde XX é discreta e YY tem função de densidade fY⁢(y)f_{Y}(y). Seja fY|X⁢(y|x)f_{Y|X}(y|x) uma densidade condicional regular de YY dado XX, isto é, fY|X:ℝ2→ℝf_{Y|X}:\mathbb{R}^{2}\to\mathbb{R} é mensurável, e ℙY|X⁢(B|x)=∫BfY|X⁢(y|x)⁢dy\mathbb{P}_{Y|X}(B|x)=\int_{B}f_{Y|X}(y|x)\mathrm{d}y define uma distribuição condicional regular. Defina a função

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

para todo yy tal que fY⁢(y)>0f_{Y}(y)>0, e pX|Y⁢(x|y)=pX⁢(x)p_{X|Y}(x|y)=p_{X}(x) se fY⁢(y)=0f_{Y}(y)=0. Mostre que ℙX|Y\mathbb{P}_{X|Y}, definida como ℙX|Y⁢(B|y)=∑x∈BpX|Y⁢(x|y)\mathbb{P}_{X|Y}(B|y)=\sum_{x\in B}p_{X|Y}(x|y), resulta em uma distribuição condicional regular.