条件期望函数及其性质

条件期望函数

设 Y 和 X 是两个随机变量,对于任意一个实数 x∈supp(X) 都仅存在一个实数 E[Y∣X=x] 与之对应,因此可以构造随机变量 X 的映射 X→E[Y∣X],称 E[Y∣X] 为条件期望函数 (CEF)。

Law of Iterated Expectations

Theorem

EX[EY(Y∣X)]=E[Y]

Proof
离散型随机变量

EX[EY(Y∣X)]=∑xEY(Y∣X=x)P(X=x)=∑x∑yy⋅P(Y=y∣X=x)P(X=x)=∑x∑yy⋅P(X=x∣Y=y)P(Y=y)=∑xP(X=x∣Y=y)∑yy⋅P(Y=y)=∑yy⋅P(Y=y)=E[Y]

连续型随机变量

EX[EY(Y∣X)]=∫xEY(Y∣X)fX(x)dx=∫x∫yy⋅fY∣X(y∣x)dyfX(x)dx=∫x∫yy⋅fX∣Y(x∣y)fY(y) dydx=∫xfX∣Y(x∣y)dx∫yy⋅fY(y)dy=∫yy⋅fY(y)dy=E[Y]

推论:将 E(Y|X) 整体视为一个随机变量

E(Y|X)=EZ[EY(Y|X,Z)∣X]

Best Predictor

Theorem Let g(X) be any function of X, then

E[Y|X]=arg⁡ming⁡E[(Y−g(X))2]

Proof

E[(Y−g(X))2]=E[(Y−E[Y|X]+E[Y|X]−g(X))2]=E[(Y−E[Y|X])2]+E[(E[Y|X]−g(X))2]++2E[(Y−E[Y|X])(E[Y|X]−g(X))]

the first term

E[(Y−E[Y|X])2]=E{(Y−E[Y|X])2|X}=E{Var[Y|X]}≥0

the last term

2E[(Y−E[Y|X])(E[Y|X]−g(X))]=2E[E{(Y−E[Y|X])(E[Y|X]−g(X))|X}]=2E[(E[Y|X]−g(X))E{Y−E[Y|X]|X}]=2E[(E[Y|X]−g(X)){E[Y|X]−E[Y|X]}]=0

therefore, take

g(X)=E[Y|X]

因此,条件期望函数 E[Y∣X] 是给定 X 对 Y 做出的最小平方预测。