Математическое ожидание

Математическое  ожидание

Математи́ческое ожида́ние — среднее значение случайной величины, распределение вероятностей случайной величины, рассматривается в теории вероятностей.^[1] В англоязычной литературе и в математическом сообществе Санкт-Петербурга обозначается через (например, от англ. Expected value или нем. Erwartungswert), в русской — (возможно, от англ. Mean value или нем. Mittelwert, а возможно от рус. Математическое ожидание). В статистике часто используют обозначение .

Пусть задано вероятностное пространство и определённая на нём случайная величина . То есть, по определению,  — измеримая функция. Если существует интеграл Лебега от по пространству , то он называется математическим ожиданием, или средним (ожидаемым) значением и обозначается или .

Основные формулы  для математического ожидания

• Если  — функция распределения случайной величины, то её математическое ожидание задаётся интегралом Лебега — Стилтьеса:

.

Математическое  ожидание дискретного распределения

• Если  — дискретная случайная величина, имеющая распределение

,

то прямо из определения интеграла Лебега следует, что

.

Математическое  ожидание целочисленной величины

• Если  — положительная целочисленная случайная величина (частный случай дискретной), имеющая распределение вероятностей

то её математическое ожидание может быть выражено через производящую функцию последовательности

как значение первой производной  в единице: . Если математическое ожидание бесконечно, то и мы будем писать

Теперь возьмём производящую функцию  последовательности «хвостов» распределения

Эта производящая функция  связана с определённой ранее  функцией свойством: при . Из этого по теореме о среднем следует, что математическое ожидание равно просто значению этой функции в единице:

Математическое  ожидание абсолютно непрерывного распределения

• Математическое ожидание абсолютно непрерывной случайной величины, распределение которой задаётся плотностью , равно

.

Математическое  ожидание случайного вектора

Пусть  — случайный вектор. Тогда по определению

,

то есть математическое ожидание вектора определяется покомпонентно.

Математическое  ожидание преобразования случайной  величины

Пусть  — борелевская функция, такая что случайная величина имеет конечное математическое ожидание. Тогда для него справедлива формула:

,

если  имеет дискретное распределение;

,

если  имеет абсолютно непрерывное распределение.

Если распределение случайной величины общего вида, то

.

В специальном случае, когда  , Математическое ожидание называется -тым моментом случайной величины.

Простейшие свойства математического ожидания

• Математическое ожидание числа есть само число.

 — константа;

• Математическое ожидание линейно, то есть

,

где  — случайные величины с конечным математическим ожиданием, а  — произвольные константы;

• Математическое ожидание сохраняет неравенства, то есть если почти наверное, и  — случайная величина с конечным математическим ожиданием, то математическое ожидание случайной величины также конечно, и более того

;

• Математическое ожидание не зависит от поведения случайной величины на событии вероятности нуль, то есть если почти наверное, то

.

• Математическое ожидание произведения двух независимых случайных величин равно произведению их математических ожиданий

.