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Si noti che v.a. con leggi differenti possono avere tutti i momenti

Nel documento Fondamenti di Probabilità Lucio Barabesi (pagine 106-113)

Valori attesi

Esempio 4.3.2. Si noti che v.a. con leggi differenti possono avere tutti i momenti

"  .

Si ha dunque . œ "Î#, mentre il momento di ordine coincide con il momento< assoluto di ordine . Per quanto riguarda il momento centrale di ordine della< < v.a., risulta EÒÐ\  Ñ Ó œ B  " .B œ # Ð"  Ð  "Ñ Ñ # <  " . < < ! " < Ð<"Ñ   

e quindi EÒÐ\  Ñ Ó œ !. < se è dispari, mentre< EÒÐ\  Ñ Ó œ #

<  " . <

<

se è pari. Dunque, si ha < VarÒ\Ó œ "Î"#. Infine, risulta EÒl\  l Ó œ lB  "Î#l .B œ # <  " . < < ! " <  . 

Esempio 4.3.2. Si noti che v.a. con leggi differenti possono avere tutti i momenti

coincidenti. Come caso specifico si consideri la v.a. assolutamente continua \ che ammette densità

0 ÐBÑ œ " Ð  B Ñ ÐBÑ '

\ exp "Î$ "Ò!ß∞Ò

e la v.a. assolutamente continua che ammette densità]

0 ÐCÑ œ " Ð  C ÑÐ"  Ð $C ÑÑ ÐCÑ '

Incidentalmente, si noti che la legge associata alla v.a. ^ œ \"Î$ si ottiene per una particolare parametrizzazione della legge Gamma (si veda la Sezione 6.8). Dal momento che risulta

!

< "Î$ "Î$

B expÐ  C ÑsinÐ $C Ñ .B œ ! ,

allora segue immediatamente che EÒ\ Ó œ Ò] Ó< E < per ogni < œ !ß "ß á.  Il seguente Teorema fornisce una importante disuguaglianza, che nel successivo Teorema permette di ottenere le condizioni di esistenza per i momenti. La disuguaglianza è comunemente attribuita al matematico e probabilista russo Aleksandr Mikhailovich Lyapunov (1857-1918).

Figura 4.3.1. Aleksandr Mikhailovich Lyapunov (1857-1918).

Teorema 4.3.2. (Disuguaglianza di Lyapunov) Si consideri la v.a. definita\

sullo spazio probabilizzato Ð ßH Yß T Ñ. Se !  = Ÿ <, allora si ha

EÒl\l Ó= "Î= Ÿ Òl\l ÓE < "Î< .

Dimostrazione. Se Ö]   !× ;Þ-Þ, dalla disuguaglianza di Jensen (Teorema 4.2.6) con 1ÐCÑ œ C+ e +   ", si ha

EÒ] Ó Ÿ Ò] Ó+ E + .

Dal momento che <Î=   ", ponendo + œ <Î= e ] œ l\l= nella precedente disuguaglianza si ottiene

EÒl\l Ó= <Î= Ÿ Òl\l ÓE < ,

da cui si ha immediatamente la tesi. 

Nel linguaggio della Teoria della Misura, la disuguaglianza di Lyapunov stabilisce in effetti che m\m Ÿ m\m= < se !  = Ÿ <.

Teorema 4.3.3. Si consideri la v.a. definita sullo spazio probabilizzato\ Ð ßH Yß T Ñ. Se si ha EÒl\l Ó  ∞< , allora EÒ\ Ó3 esiste finito per ogni 3 œ "ß á ß <.

Dimostrazione. Dal momento che 3 Ÿ < per ogni 3 œ "ß á ß <, dalla disuguaglianza di Lyapunov (Teorema 4.3.2) si ha

EÒl\l Ó3 "Î3 Ÿ Òl\l ÓE < "Î< .

Dunque, se EÒl\l Ó  ∞< , allora EÒl\ lÓ  ∞3 . Tuttavia, dal Teorema 4.2.1 risulta che se EÒl\ lÓ  ∞3 allora si ha EÒ\ Ó  ∞3 .  Tenendo presente la dimostrazione del precedente Teorema, è inoltre facile verificare che se il momento di ordine non esiste finito, allora non esistono< finiti neppure i momenti di ordine superiore. Inoltre, dal momento che VarÒ\Ó Ÿ Ò\ ÓE # , la varianza esiste finita se esiste finito il secondo momento. In generale, è immediato verificare che il momento centrale di ordine esiste finito< se esiste finito il momento di ordine .<

Si considerano di seguito alcuni Teoremi sulle proprietà della varianza.

Teorema 4.3.4. Si consideri la v.a. definita sullo spazio probabilizzato\ Ð ßH Yß T Ñ. Se EÒ\ Ó# esiste finito, si ha

VarÒ\Ó Ÿ min EÒÐ\  +Ñ Ó

+−

#

.

Dimostrazione. Tenendo presente le proprietà del valore atteso, si ha

E E E Var ÒÐ\  +Ñ Ó œ ÒÐ\    +Ñ Ó œ ÒÐ\  Ñ  #Ð\  ÑÐ  +Ñ  Ð  +Ñ Ó œ Ò\Ó  Ð  +Ñ # # # # # . . . . . . .

e, dal momento che VarÒ\Ó   ! non dipende da , il minimo della precedente+

Teorema 4.3.5. Si consideri la v.a. definita sullo spazio probabilizzato\ Ð ßH Yß T Ñ. Se EÒ\ Ó# esiste finito, la varianza della trasformata ] œ +  ,\,

dove +ß , − ‘, è data da

VarÒ] Ó œ VarÒ+  ,\Ó œ ,#VarÒ\Ó .

Dimostrazione. Tenendo presente il Teorema 4.2.4 si ha EÒ] Ó œ +  ,., e quindi

VarÒ] Ó œ ÒÐ+  ,\  +  , Ñ Ó œ ,E . # #EÒÐ\  Ñ Ó œ ,. # #VarÒ\Ó ,

che è quanto si voleva dimostrare. 

In particolare, se ] œ +  \, dal Teorema 4.3.5 si ha VarÒ] Ó œ VarÒ+  \Ó œ VarÒ\Ó . Inoltre, se si considera la trasformazione

^ œ \  . 5 , allora risulta EÒ^Ó œ " EÒ\  Ó œ ! 5 . , mentre

VarÒ^Ó œ " VarÒ\  Ó œ " VarÒ\Ó œ "

5# . 5# .

Per questi motivi, la precedente è detta trasformazione di standardizzazione. Il seguente Teorema fornisce una importante e utile disuguaglianza, che prende nome dal matematico e probabilista russo Andrey Andreyevich Markov (1856-1922).

Teorema 4.3.6. (Disuguaglianza di Markov) Si consideri la v.a. definita\

sullo spazio probabilizzato Ð ßH Yß T Ñ. Se -  !, allora si ha

T Ðl\l   -Ñ Ÿ " Òl\lÓ - E .

EÒl\lÓ œ  l l .T  \  -"Öl l -×\ .T œ -T Ðl\l   -Ñ ,

da cui segue immediatamente la tesi. 

Figura 4.3.2. Andrey Andreyevich Markov (1856-1922).

Il seguente Teorema fornisce una famosa e celebrata disuguaglianza introdotta dal matematico russo Pafnuty Lvovich Chebyshev (1821-1894), padre fondatore della scuola matematica russa e in particolare maestro di Lyapunov e Markov.

Teorema 4.3.7. (Disuguaglianza di Chebyshev) Si consideri la v.a. \

definita sullo spazio probabilizzato Ð ßH Yß T Ñ. Se -  !, allora si ha

T Ðl\  l   -Ñ Ÿ -. 5 # # . Equivalentemente, se 5#  ∞ si ha T \    - Ÿ " - 5 .  # .

Dimostrazione. Applicando opportunamente la disuguaglianza di Markov

(Teorema 4.3.6) alla v.a. trasformata Ð\  Ñ. #, si ha

T Ðl\  l   -Ñ œ. T ÐÐ\  Ñ   - Ñ Ÿ " ÒÐ\  Ñ Ó

-. # # # E . # ,

da cui segue la prima parte del Teorema. La seconda parte si ottiene in modo simile considerando la v.a. trasformata Ð\  Ñ Î. # 5#. 

Figura 4.3.3. Pafnuty Lvovich Chebyshev (1821-1894).

La precedente disuguaglianza è anche detta di Bienaymé-Chebyshev dal momento che in effetti fu congiuntamente formulata da Chebyshev insieme allo statistico francese Irénée-Jules Bienaymé (1796-1878). Si noti inoltre che la disuguaglianza può essere facilmente generalizzata con i momenti centrali assoluti, ovvero risulta

T Ðl\  l   -Ñ Ÿ " Òl\  l Ó

-. < E . < .

Teorema 4.3.8. Se è una v.a. definita sullo spazio probabilizzato \ Ð ßH Yß T Ñ

e se EÒ\ Ó# esiste finito, si ha VarÒ\Ó œ ! se e solo se è degenere.\

Dimostrazione. Se è degenere, allora risulta \ Ö\ œ +× ;Þ-Þ per una data costante + − ‘. In questo caso, si ha

EÒ\Ó œ +T Ð\ œ +Ñ œ + , mentre

VarÒ\Ó œ Ð+  Ò\ÓÑ T Ð\ œ +Ñ œ !E # .

Inversamente, se VarÒ\Ó œ !, applicando la disuguaglianza di Chebyshev, per ogni si ha -T Ðl\  +l   -Ñ Ÿ œ ! -5# # , ovvero Ö\ œ +× ;Þ-Þ 

4.4. Covarianza e matrice di varianza-covarianza

Il concetto di momento può essere esteso in modo generale a v.v.a. In effetti, si ha la seguente definizione formale.

Definizione 4.4.1. Dato il v.v.a. \ œ Ð\ ß á ß \ Ñ" 5 T definito sullo spazio probabilizzato Ð ßH Yß T Ñ, si dice momento misto di ordine Ð< ß á ß < Ñ" 5 , dove < œ !ß "ß á 3 œ "ß á ß 5ß3 , l'integrale

EÒ\ á \ Ó œ"<" 5<5  \ á \ .T"<" 5<5

se esiste finito. Inoltre, si dice momento centrale misto di ordine Ð< ß á ß < Ñ" 5 l'integrale

EÒÐ\ " .\"Ñ á Ð\ <" 5 .\5Ñ Ó œ<5  Ð\ " .\"Ñ á Ð\ <" 5 .\5Ñ .T<5

se esiste finito. 

Si noti che, scegliendo opportunamente gli indici Ð< ß á ß < Ñ" 5 , si possono ottenere i momenti di qualsiasi ordine di tutte le possibili scelte delle componenti marginali. Ad esempio, ponendo < œ "3 e < œ !6 per ogni 6 Á 3 œ "ß á ß 5, si ottiene EÒ\ Ó3 . In particolare, risulta fondamentale considerare i momenti per vettori bivariati di v.a. Più esattamente, dato il v.v.a. \ œ Ð\ ß \ Ñ" # T, il momento misto è dato dall'integrale

EÒ\ \ Ó œ" #  \ \ .T" #

se esiste finito. Analogamente, il momento misto centrale, detto usualmente

covarianza, è dato dall'integrale

CovÒ\ ß \ Ó œ" # EÒÐ\ " .\"ÑÐ\ # .\#ÑÓ œ  Ð\ " .\"ÑÐ\ # .\#Ñ .T se esiste finito. La covarianza viene anche usualmente denotata con il simbolo 5\ ß\" #. Tenendo presente il Teorema A.6, risulta immediato verificare che

mentre ovviamente CovÒ\ ß \ Ó" " œ VarÒ\ Ó" . In Teoria della Misura, il momento misto e la covarianza sono prodotti interni, ovvero EÒ\ \ Ó œ Ø\ ß \ Ù" # " # e CovÒ\ \ Ó œ Ø\ " # " .\"ß \ # .\#Ù.

Il seguente Teorema introduce una famosa disuguaglianza che permette fra l'altro di ottenere le condizioni di esistenza della covarianza e che prende nome dal matematico tedesco Otto Ludwig Hölder (1859-1937). Tuttavia, la disuguaglianza dovrebbe più correttamente essere denominata di Rogers-Hölder, dal momento che è stata introdotta indipendentemente e contemporaneamente anche dal matematico inglese Leonard James Rogers (1862-1933).

Nel documento Fondamenti di Probabilità Lucio Barabesi (pagine 106-113)