Si lancia un dado n volte. La media campionaria è nx1+⋯+xn=n1⋅#1+2⋅#2+⋯+6⋅#6, dove #k è il numero di volte in cui esce k. Per n grande la frequenza #k/n è vicina a P(X=k), quindi la media si avvicina a k∑kP(X=k).
Il valor medio è la controparte probabilistica della media campionaria: una media degli esiti pesata con le probabilità. Più un esito è probabile, più pesa.
2. Come si definisce il valor medio?
Caso
Definizione
Discreta e non negativa
E[X]=∑xxpX(x) (serie a termini positivi: sempre definita, finita o +∞)
Generale non negativa
E[X]=sup{E[Y]:Y discreta,Y≤X}
Segno qualsiasi
E[X]=E[X+]−E[X−], se almeno uno dei due è finito
Qui X+=max(X,0) e X−=max(−X,0), quindi X=X+−X−. Nel sup si possono usare solo variabili con un numero finito di valori («funzioni a scala»).
Perché non basta la formula discreta. Con la misura di Lebesgue su [0,1] ogni punto ha probabilità 0, ma ci si aspetta media 21.
Differenza con Riemann. Le funzioni a scala usano eventi qualsiasi, non solo intervalli. Per questo la funzione che vale 1 sui razionali e 0 altrove ha valor medio 0 (i razionali hanno misura nulla), mentre non è integrabile secondo Riemann.
Esempi. Costante quasi certa: E[X]=c. Indicatrice: E[χA]=P(A).
Il valor medio dipende solo dalla legge: due v.a. con la stessa legge hanno lo stesso valor medio (finito o no).
3. Quali proprietà ha il valor medio?
Proprietà
Enunciato
Uguaglianza quasi certa
Se P(X=Y)=1, allora E[X]=E[Y]
Monotonia
Se X≤Y quasi certamente, E[X]≤E[Y]
Limitatezza
Se ∣X∣≤C, allora E[X] è finito e ∣E[X]∣≤C
Approssimazione monotona
Per X≥0 esistono Xn discrete, crescenti, con Xn≤X e E[Xn]→E[X]
Linearità
E[aX+bY]=aE[X]+bE[Y], se i valori medi sono finiti
La linearità vale senza ipotesi di indipendenza.
4. Che cosa dice il teorema di convergenza monotona?
Enunciato. Se 0≤X1≤X2≤… e Xn(ω)→X(ω) per ogni ω, allora n→∞limE[Xn]=E[X].
Permette di passare al limite sotto il segno di valor medio. Serve, per esempio, a dimostrare la linearità nel caso generale: si approssimano X e Y con variabili discrete crescenti, per cui la linearità è già nota, e si passa al limite.
5. Come si calcola il valor medio negli esempi?
Lotteria.n biglietti: n1 perdenti, n2 vincono 1, n3 vincono m. E[X]=nn2+mnn3. Con n2/n=0,1, n3/n=10−4 e m=106: E[X]≈100. Probabilità di vincita basse possono dare un valor medio alto.
Media campionaria di un dado. Per linearità E[n1∑Xi]=E[X1]=3,5.
Lotto (5 numeri giocati, 5 estratti su 90).X = numeri indovinati: P(X=k)=(k5)(5−k85)/(590).
k
0
1
2
3
4
5
P(X=k)
0,746
0,230
0,0225
8,1⋅10−4
9,7⋅10−6
2,3⋅10−8
Puntando 1 euro sull'ambo (premio base circa 25), con j numeri indovinati si realizzano (2j) ambi: E[vincita]=25j≥2∑(2j)P(X=j)≈0,62<1.
Puntata
Ambo
Terna
Quaterna
Cinquina
Vincita attesa per 1 euro
0,62
0,38
0,23
0,14
Ricalcolo: la probabilità di una cinquina è 1/(590)≈2,3⋅10−8 (la dispensa scrive 4,4⋅10−8). Le vincite attese per terna, quaterna e cinquina sono ricalcolate con i premi indicati nella dispensa.
6. Quali sono le trappole tipiche per i concetti di questa lezione?
Il valor medio può non essere un valore possibile: per un dado vale 3,5.
Per variabili con segno serve che E[X+] o E[X−] sia finito, altrimenti E[X] non è definito.
La linearità non richiede indipendenza.
Probabilità 0 per ogni punto non vuol dire media 0: serve la definizione con il sup.
Un premio enorme non rende conveniente il gioco: nel Lotto la vincita attesa è minore della puntata.
7. Quiz della lezione (10 domande)
Domande di ripasso create per questa scheda a partire dalla dispensa (non sono il test ufficiale della piattaforma). Scegli una risposta: ricevi subito esito e spiegazione.