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如何证明当P(X≤Y)=1且P(X=Y)<1时E[X]<E[Y]?

如何证明当P(X≤Y)=1且P(X=Y)<1时E[X]<E[Y]?

嘿,这个问题其实不用非得钻复杂的测度论牛角尖,换个直观思路就很清晰啦~

先把已知条件再理一遍:

  • 随机变量X和Y满足P(X ≤ Y) = 1,也就是X几乎不可能大于Y;
  • 同时P(X = Y) < 1,等价于P(X < Y) > 0,说明X严格小于Y的情况是有实际概率发生的。

我们可以构造一个新随机变量来简化问题:令 ( Z = Y - X )。根据已知条件能得到两个关键结论:

  1. ( Z \geq 0 ) 是几乎必然成立的(因为P(X≤Y)=1,也就是P(Z≥0)=1);
  2. ( P(Z > 0) = P(X < Y) > 0 ),也就是Z取正数的概率大于0。

接下来我们只需要证明 ( E[Z] > 0 ),就能直接推出 ( E[Y] - E[X] > 0 ),也就是 ( E[X] < E[Y] ) 了。

具体怎么证 ( E[Z] > 0 ) 呢?我们把Z的期望拆成两部分:
[
E[Z] = E\left[ Z \cdot I(Z=0) \right] + E\left[ Z \cdot I(Z>0) \right]
]
这里的 ( I(A) ) 是指示函数,意思是当事件A发生时取1,不发生时取0。

  • 第一部分 ( E\left[ Z \cdot I(Z=0) \right] ):当Z=0时,Z乘以1还是0,所以这部分的期望就是0;
  • 第二部分 ( E\left[ Z \cdot I(Z>0) \right] ):因为Z>0的时候,Z本身是正数,而且我们知道P(Z>0)>0。这里可以再深入想一步:既然Z取正数的概率大于0,那一定存在某个正数 ( \varepsilon > 0 ),使得 ( P(Z \geq \varepsilon) > 0 )(如果不存在这样的ε,那意味着Z>0的概率为0,和已知条件矛盾)。所以这部分的期望至少是 ( \varepsilon \cdot P(Z \geq \varepsilon) ),这个值肯定是大于0的。

把两部分加起来,( E[Z] = 0 + \text{正数} > 0 ),所以 ( E[Y] - E[X] > 0 ),也就是 ( E[X] < E[Y] ),完美得证~

再聊聊你之前的尝试:你用积分拆分的思路是没问题的,但可能钻进样本空间积分的细节里卡壳了,换成构造Z的方式,用期望的基本性质就能搞定,不用太纠结测度论的复杂内容哦。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者ADAM

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