方針
条件付き期待値
確率変数X,Yを考える．X=xのもとでのg(X,Y)の条件付き期待値を，次のように定義する．
\mathbb{E}_{Y|X\sim f_{Y|X}}[g(X,Y)|X=x]=\int g(x,y)f_{Y|X}(y|x)dy
ここでは，xは条件つけられた値であるから，期待値は定数である．ここで，xに再び確率変数Xを代入し，
\mathbb{E}_{Y|X\sim f_{Y|X}}[g(X,Y)|X]=\int g(x,y)f_{Y|X}(y|x)dy
とすると，これは確率変数Xに依存するため，期待値などを考えることができる．
繰り返し期待値の法則
\mathbb{E}_{X\sim f_X}[\mathbb{E}_{Y|X\sim f_{Y|X}}[Y|X]]=\mathbb{E}_{Y\sim f_Y}[Y]
(証明)
\begin{align}
\mathbb{E}_{X\sim f_X}[\mathbb{E}_{Y|X\sim f_{Y|X}}[Y|X]]&=
\mathbb{E}_{X\sim f_X}[\int yf_{Y|X}(y|x)dy]\\
&= \int\{\int yf_{Y|X}(y|x)dy\}f_X(x)dx\\
&= \int\int yf_{Y|X}(y|x)f_X(x)dxdy\\
&= \int\int yf_{X,Y}(x,y)dxdy\\
&= \int yf_Y(y)dy\\
&= \mathbb{E}_{Y\sim f_Y}[Y]
\end{align}
条件付き分散
確率変数X,Yを考える．Yで条件づけられたXの分散とは，条件付き期待値を
\mu_{X|Y}=\mathbb{E}_{X|Y\sim f_{X|Y}}[X|Y]
と置くと，
\begin{align}
Var(X|Y)&= \mathbb{E}_{X|Y\sim f_{X|Y}}[(X-\mu_{X|Y})^2|Y]\\
&= \int(x-\mu_{X|Y})^2f_{X|Y}(x|y)dx
\end{align}
全分散の法則
Var(X)=\mathbb{E}_{Y\sim f_{Y}}[Var(X|Y)]+Var(\mathbb{E}_{X|Y\sim f_{X|Y}}[X|Y])
(証明)
\begin{align}
Var(X)&= \mathbb{E}_{X\sim f_X}[(X-\mu_X)^2]\\
&= \int (x-\mu_X)^2f_X(x)dx\\
&= \int\int (x-\mu_X)^2f_{X.Y}(x,y)dxdy\\
&= \int\int\{(x-\mu_{X|Y})+(\mu_{X|Y}-\mu_X)\}^2f_{X.Y}(x,y)dxdy\\
&= \int\int(x-\mu_{X|Y})^2f_{X,Y}(x,y)dxdy\tag{1}\\
& \ \ \ +2\int\int(\mu_{X|Y}-\mu_X)(x-\mu_{X|Y})f_{X,Y}(x,y)dxdy\tag{2}\\
& \ \ \ +\int(\mu_{X|Y}-\mu_X)^2f_Y(y)dy\tag{3}
\end{align}
ここで，
\begin{align}
(1)&= \int\int(x-\mu_{X|Y})^2f_{X,Y}(x,y)dxdy\\
&= \int\int(x-\mu_{X|Y})^2f_Y(y)f_{X|Y}(x|y)dxdy\\
&= \int\{\int(x-\mu_{X|Y})^2f_{X|Y}(x|y)dx\}f_Y(y)dy\\
&= \mathbb{E}_{Y\sim f_Y}[Var(X|Y)]\\
(3)&= \int(\mu_{X|Y}-\mu_X)^2f_Y(y)dy\\
&= \int(\mu_{X|Y}-\mathbb{E}_{Y\sim f_Y}[\mu_{X|Y}])^2f_Y(y)dy\\
&= Var(\mathbb{E}_{X|Y\sim f_{X|Y}}[X|Y])\\
(2)&= \int\int(\mu_{X|Y}-\mu_X)(x-\mu_{X|Y})f_{X,Y}(x,y)dxdy\\
&= \int\int(\mu_{X|Y}-\mu_X)(x-\mu_{X|Y})f_Y(y)f_{X|Y}(x|y)dxdy\\
&= \int\{\int(x-\mu_{X|Y})f_{X|Y}(x|y)dx\}(\mu_{X|Y}-\mu_X)f_Y(y)dy\\
&= 0
\end{align}
以上の計算を用いて問題を解く．
1.答案
Cov(X,Y-\mathbb{E}_{Y|X\sim f_{Y|X}}[Y|X])=0\tag{1}
を示せば良い．
\begin{align}
Cov(X,Y-\mathbb{E}[Y|X])&= \mathbb{E}[X(Y-\mathbb{E}[Y|X])]-\mathbb{E}[X]\mathbb{E}[Y-\mathbb{E}[Y|X]]\\
&= \mathbb{E}[XY]-\mathbb{E}[X\mathbb{E}[Y|X]]-\mathbb{E}[X]\{\mathbb{E}[Y]-\mathbb{E}[\mathbb{E}[Y|X]]\}\tag{2}
\end{align}
ここで，
\begin{align}
\mathbb{E}[X\mathbb{E}[Y|X]]&= \int x\mathbb{E}[Y|X]f_X(x)dx\\
&= \int x\{\int yf_{Y|X}(y|x)dy\}f_X(x)dx\\
&= \int\int xyf_{X,Y}(x,y)dxdy\\
&= \mathbb{E}[XY]\\
\mathbb{E}[\mathbb{E}[Y|X]]&= \int\mathbb{E}[Y|X]f_X(x)dx\\
&= \int\{\int yf_{Y|X}(y|x)dy\}f_X(x)dx\\
&= \int\int yf_{X,Y}(x,y)dxdy\\
&= \int yf_Y(y)dy\\
&= \mathbb{E}[Y]
\end{align}
これらを(2)に代入することで題意(1)が証明される．
2.答案
\begin{align}
Var(Y-\mathbb{E}[Y|X])&= \mathbb{E}[(Y-\mathbb{E}[Y|X]-\mathbb{E}[Y-\mathbb{E}[Y|X]])^2]\\
&= \mathbb{E}[(Y-\mathbb{E}[Y|X]-\mathbb{E}[Y]+\mathbb{E}[Y])^2]\\
&= \mathbb{E}[(Y-\mathbb{E}[Y|X])^2]\\
&= \mathbb{E}[\mathbb{E}[(Y-\mathbb{E}[Y|X])^2|X]]\\
&= \mathbb{E}[Var(Y|X)]
\end{align}
参考文献
- 『現代数理統計学の基礎』(久保川達也 著)