Wartość oczekiwana

Wartość oczekiwana – w rachunku prawdopodobieństwa wartość wskazująca spodziewany wynik doświadczenia losowego; należy mieć na uwadze, że wartość ta nie musi oznaczać żadnego z elementów przestrzeni próbek. Innymi słowy jest to pierwszy moment zwykły. Estymatorem wartości oczekiwanej rozkładu cechy w populacji jest średnia arytmetyczna. Wartość oczekiwana nazywana jest też wartością średnią lub wartością przeciętną, dawniej używano także nazwy „nadzieja matematyczna” (od fr. espérance mathématique), stąd też pochodzi częste jej oznaczenie w postaci różnego rodzaju stylizacji litery „E”.

Definicja

Zmienna dyskretna

Niech $X$ będzie zmienną losową typu dyskretnego. Wartością oczekiwaną nazywa się sumę iloczynów wartości tej zmiennej losowej oraz prawdopodobieństw, z jakimi są one przyjmowane.

Formalnie, jeżeli dyskretna zmienna losowa $X$ przyjmuje wartości $x_{1},x_{2},\dots ,x_{n}$ z prawdopodobieństwami wynoszącymi odpowiednio $p_{1},p_{2},\dots ,p_{n}$, to wartość oczekiwana $\mathbb {E} X$ zmiennej losowej $X$ wyraża się wzorem

$\mathbb {E} X=\sum _{i=1}^{n}x_{i}p_{i}$.

Jeżeli zmienna $X$ przyjmuje przeliczalnie wiele wartości, to wzór na jej wartość oczekiwaną ma $\infty$ w miejsce $n$ (istnieje ona tylko wtedy, gdy szereg jest zbieżny).

Zmienna ciągła

Jeżeli $X$ jest zmienną losową typu ciągłego zdefiniowaną na przestrzeni probabilistycznej $(\Omega ,{\mathcal {F}},\mathbb {P} )$, to wartość oczekiwaną zmiennej losowej $X$ definiuje się jako całkę Lebesgue'a

$\mathbb {E} X=\int \limits _{\Omega }Xd\mathbb {P}$

o ile $X$ jest sumowalna, tzn. jeżeli

$\mathbb {E} |X|=\int \limits _{\Omega }|X|d\mathbb {P} <+\infty$.

Własności

Jeśli $X$ jest zmienną losową o funkcji gęstości prawdopodobieństwa $f(x)$, to jej wartość oczekiwana wynosi

$\mathbb {E} X=\int \limits _{-\infty }^{+\infty }~xf(x)dx$.

Jeżeli $Y=\varphi (X)$ jest funkcją mierzalną, to

$\mathbb {E} Y=\mathbb {E} \left(\varphi (X)\right)=\int \limits _{\mathbb {R} }~\varphi (x)f(x)dx$.

Jeśli istnieją $\mathbb {E} X$ oraz $\mathbb {E} Y$, to:

• $\mathbb {E} c=c$, gdzie $c$ jest funkcją stałą (wynika z jednorodności sumy/szeregu/całki),
• $\forall _{a,b}\;\mathbb {E} (aX+b)=a\mathbb {E} X+b$ (wynika z liniowości sumy/szeregu/całki),
• jeżeli $X,Y$ są niezależne, to $\mathbb {E} (XY)=\mathbb {E} X\mathbb {E} Y$,
• jeżeli $X\geqslant 0$ prawie wszędzie, to $\mathbb {E} X\geqslant 0$,
• $\mathbb {E} |X|\geqslant |\mathbb {E} X|$.

Mechanika kwantowa

Pojęcie wartości oczekiwanej jest szeroko stosowane w mechanice kwantowej. Wartość oczekiwana obserwabli, której odpowiada operator hermitowski ${\hat {A}}$ dla stanu kwantowego układu opisywanego funkcją falową $\psi$ wynosi

$\langle {\hat {A}}\rangle =\int \psi ^{*}{\hat {A}}\psi d\tau$,

gdzie całkowanie przebiega po wszystkich możliwych wartościach zmiennych układu.

W notacji Diraca wzór ten przybiera postać:

$\langle {\hat {A}}\rangle =\langle \psi |{\hat {A}}|\psi \rangle$.

Nieoznaczoność wartości oczekiwanej ${\hat {A}}$, czyli wariancja ${\hat {A}}$, wynosi

$(\Delta {\hat {A}})^{2}=\langle {\hat {A}}^{2}\rangle -\langle {\hat {A}}\rangle ^{2}$.

Zobacz też

• średnia arytmetyczna
• wariancja
• przegląd zagadnień z zakresu statystyki
• warunkowa wartość oczekiwana