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確率変数

確率変数の定数倍は確率変数

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確率変数の定数倍は確率変数

可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて確率変数\begin{equation*}X:\Omega \rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が与えられているものとします。

実数\(k\in \mathbb{R} \)を任意に選べば、それぞれの標本点\(\omega \in \Omega \)に対して、以下の実数\begin{equation*}\left( kX\right) \left( \omega \right) =kX\left( \omega \right)
\end{equation*}を定める新たな写像\begin{equation*}
kX:\Omega \rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}が定義可能ですが、これもまた確率変数になることが保証されます。

命題(確率変数の定数倍は確率変数)
可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて確率変数\(X:\Omega\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられているものとする。実数\(k\in \mathbb{R} \)を任意に選んだ上で写像\(kX:\Omega \rightarrow \mathbb{R} \)を定義する。\(kX\)もまた確率変数になる。
証明

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例(確率変数の定数倍は確率変数)
可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて確率変数\(X:\Omega\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられているものとします。以下の写像\begin{equation*}-X:\Omega \rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}は確率変数\(X\)の定数倍(\(-1\)倍)であるため、先の命題より\(-X\)もまた確率変数です。

 

拡大実数値確率変数の定数倍は拡大実数値確率変数

可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて拡大実数値確率変数\begin{equation*}X:\Omega \rightarrow \overline{\mathbb{R} }
\end{equation*}が与えられているものとします。

実数\(k\in \mathbb{R} \)を任意に選べば、それぞれの標本点\(\omega \in \Omega \)に対して、以下の拡大実数\begin{equation*}\left( kX\right) \left( \omega \right) =kX\left( \omega \right)
\end{equation*}を定める新たな写像\begin{equation*}
kX:\Omega \rightarrow \overline{\mathbb{R} }
\end{equation*}が定義可能ですが、これもまた拡大実数値確率変数になることが保証されます。

命題(拡大実数値確率変数の定数倍は拡大実数値確率変数)
可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて拡大実数値確率変数\(X:\Omega \rightarrow \overline{\mathbb{R} }\)が与えられているものとする。実数\(k\in \mathbb{R} \)を任意に選んだ上で写像\(kX:\Omega \rightarrow \overline{\mathbb{R} }\)を定義する。\(kX\)もまた拡大実数値確率変数になる。
証明

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例(拡大実数値確率変数の定数倍は拡大実数値確率変数)
可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて拡大実数値確率変数\(X:\Omega \rightarrow \overline{\mathbb{R} }\)が与えられているものとします。以下の写像\begin{equation*}-X:\Omega \rightarrow \overline{\mathbb{R} }
\end{equation*}は確率変数\(X\)の定数倍(\(-1\)倍)であるため、先の命題より\(-X\)もまた拡大実数値確率変数です。

 

演習問題

問題(確率変数の定数倍)
可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて確率変数\(X:\Omega\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられているものとします。実数\(k\in \mathbb{R} \)を任意に選んだ上で写像\(kX:\Omega \rightarrow \mathbb{R} \)を定義するとこれもまた確率変数になりますが、本文中ではこれを確率変数の定義にもとづいて証明しました。同じことを、「確率変数とボレル集合上に定義された連続関数の合成関数は確率変数になる」という事実を用いて証明してください。
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問題(確率変数の定数倍)
可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて確率変数\(X:\Omega\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられているものとします。それぞれの\(\omega \in \Omega \)に対して、\begin{equation*}\frac{\sin \left( X\right) }{2}\left( \omega \right) =\frac{\sin \left(
X\left( \omega \right) \right) }{2}
\end{equation*}を定める写像\begin{equation*}
\frac{\sin \left( X\right) }{2}:\Omega \rightarrow \mathbb{R} \end{equation*}を定義します。この写像もまた確率変数でしょうか。議論してください。

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問題(確率変数の定数倍が生成するσ-代数)
可測空間\(\left( \Omega ,\mathcal{F}\right) \)に加えて確率変数\(X:\Omega\rightarrow \mathbb{R} \)が与えられているものとします。実数\(k\in \mathbb{R} \)を任意に選んだ上で写像\(kX:\Omega \rightarrow \mathbb{R} \)を定義すれば、これもまた確率変数になります。では、以下の関係\begin{equation*}\sigma \left( kX\right) =\sigma \left( X\right)
\end{equation*}は常に成り立つでしょうか。議論してください。

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関連知識

離散型の確率変数

それぞれの標本点に対して実数を1つずつ割り当てる写像を確率変数と呼びます。値域が有限集合または可算集合であるような確率変数を離散型の確率変数と呼びます。

確率変数の定義

標本点に対して実数を1つずつ割り当てる写像を確率変数と呼びます。確率論の公理と整合的な形で確率変数の概念を定義します。

指示関数(指示確率変数)

可測な事象が与えられれば、その事象が起こる場合には1を返し、その事象が起こらない場合には0を返す確率変数が定義可能です。これを指示関数(指示確率変数)と呼びます。指示関数を用いれば集合演算を数値演算に置き換えて考えることができます。

確率変数どうしの和は確率変数

確率変数どうしの和として定義される写像もまた確率変数になることが保証されます。また、拡大実数値確率変数どうしの和が定義可能である場合には、それもまた拡大実数値確率変数になります。

確率変数どうしの差は確率変数

確率変数どうしの差として定義される写像もまた確率変数になることが保証されます。また、拡大実数値確率変数どうしの差が定義可能である場合には、それもまた拡大実数値確率変数になります。

確率変数どうしの積は確率変数

確率変数どうしの積として定義される写像もまた確率変数になることが保証されます。また、拡大実数値確率変数どうしの積が定義可能である場合には、それもまた拡大実数値確率変数になります。

確率変数どうしの商は確率変数

確率変数どうしの商が定義可能であるならば、それもまた確率変数になります。また、拡大実数値確率変数どうしの商が定義可能である場合には、それもまた拡大実数値確率変数になります。

確率変数どうしの最大値と最小値は確率変数

有限個の確率変数の実現値の最大値や最小値を値として定める写像は確率変数です。また、有限個の拡大実数値確率変数の実現値の最大値や最小値を値として定める写像は拡大実数値確率変数です。

確率変数の絶対値は確率変数

確率変数のもとでの実現値の絶対値を与える写像は確率変数です。また、拡大実数値確率変数のもとでの実現値の絶対値を与える写像は拡大実数値確率変数です。

確率変数どうしの上限と下限は確率変数

確率変数族の実現値の上限や下限を与える写像は拡大実数値確率変数です。特に、すべての確率変数族の要素であるすべての確率変数が有界である場合、それらの実現値の上限や下限を与える写像は確率変数です。

確率変数の分布関数

それぞれの実数に対して、確率変数がその実数以下の値をとる確率を特定する関数を分布関数と呼びます。分布関数の概念を定義するとともに、その基本的な性質について解説します。