feat(eps): probabilità assolutamente continue

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\DeclareMathOperator{\CI}{CI} \DeclareMathOperator{\CI}{CI}
\newcommand{\eps}{\varepsilon} \newcommand{\eps}{\varepsilon}
\newcommand{\dx}{\mathop{dx}} \newcommand*\dif{\mathop{}\!\textnormal{\slshape d}}
\newcommand{\dx}{\dif{x}}
\newcommand{\dy}{\dif{dy}}
%\setcounter{secnumdepth}{1} %\setcounter{secnumdepth}{1}

@ -66,6 +66,8 @@
modo $f = f^+ - f^-$. modo $f = f^+ - f^-$.
\item $\exp$ -- Funzione esponenziale $e^x$. \item $\exp$ -- Funzione esponenziale $e^x$.
\item $\log \equiv \ln = \log_e$ -- Logaritmo naturale, ossia logaritmo in base $e$. \item $\log \equiv \ln = \log_e$ -- Logaritmo naturale, ossia logaritmo in base $e$.
\item $C^n$ -- Classe di funzioni derivabili $n$ volte con $n$-esima derivata continua. Per $n = 0$, classe di funzioni continue.
\item $C^\infty$ -- Classe di funzioni derivabili un numero illimitato di volte.
\end{itemize} \end{itemize}
\section*{Combinatoria} \section*{Combinatoria}
@ -166,6 +168,7 @@
discreta). discreta).
\item f.d.r.~-- funzione di ripartizione, rispetto a una probabilità reale. \item f.d.r.~-- funzione di ripartizione, rispetto a una probabilità reale.
\item $F$, $F_P$ -- per una probabilità reale, funzione di ripartizione. \item $F$, $F_P$ -- per una probabilità reale, funzione di ripartizione.
\item $f$ -- densità (in senso reale) della probabilità.
\item AC -- assolutamente continua, riferito a una probabilità. \item AC -- assolutamente continua, riferito a una probabilità.
\item \va -- variabile aleatoria. \item \va -- variabile aleatoria.
\item $P^X$ -- legge della v.a.~$X$ rispetto a $P$. \item $P^X$ -- legge della v.a.~$X$ rispetto a $P$.

@ -197,7 +197,7 @@ piccola di $\PP(\RR)$, la $\sigma$-algebra dei boreliani, che ci permette di esc
\section{Probabilità reale, funzione di ripartizione (f.d.r.) e proprietà} \section{Probabilità reale, funzione di ripartizione (f.d.r.) e proprietà}
\subsection{Definizioni e corrispondenza tra f.d.r.~e probabilità reale} \subsection{Definizioni e proprietà della f.d.r.}
\begin{definition} \begin{definition}
Si dice \textbf{probabilità reale} una qualsiasi Si dice \textbf{probabilità reale} una qualsiasi
@ -233,7 +233,10 @@ piccola di $\PP(\RR)$, la $\sigma$-algebra dei boreliani, che ci permette di esc
$(F(x_i))_{i \in \NN} = (P((-\infty, x_i]))_{i \in \NN} \goesdown P((-\infty, \tilde{x}]) = F(\tilde{x})$. $(F(x_i))_{i \in \NN} = (P((-\infty, x_i]))_{i \in \NN} \goesdown P((-\infty, \tilde{x}]) = F(\tilde{x})$.
\end{proposition} \end{proposition}
\subsection{Corrispondenza tra f.d.r.~e probabilità, calcolo di \texorpdfstring{$P$}{P} tramite \texorpdfstring{$F$}{F} e probabilità continue}
\begin{proposition}[$P$ è univocamente determinata da $F$] \begin{proposition}[$P$ è univocamente determinata da $F$]
\label{prop:unicita_fdr}
Sia $F : \RR \to \RR$ una funzione tale per cui: Sia $F : \RR \to \RR$ una funzione tale per cui:
\begin{enumerate}[(i.)] \begin{enumerate}[(i.)]
\item $F$ è crescente, \item $F$ è crescente,
@ -284,7 +287,7 @@ piccola di $\PP(\RR)$, la $\sigma$-algebra dei boreliani, che ci permette di esc
a $F(b) - F(a)$ in tutti i casi (infatti $F(a^-) = F(a)$ e $F(b^-) = F(b)$). a $F(b) - F(a)$ in tutti i casi (infatti $F(a^-) = F(a)$ e $F(b^-) = F(b)$).
\end{remark} \end{remark}
\section{Classi di probabilità reale: discreta e assolutamente continua (AC)} \section{Classi principali di probabilità reale}
Esistono due classi importanti, ma non esaustive, di probabilità reale: le Esistono due classi importanti, ma non esaustive, di probabilità reale: le
probabilità discrete e quelle assolutamente probabilità discrete e quelle assolutamente
@ -315,7 +318,28 @@ si dividono dunque secondo il seguente schema:
\end{tikzpicture} \end{tikzpicture}
\end{center} \end{center}
\subsection{Probabilità discreta e f.d.r.} \begin{example}[Esempio di probabilità né discreta né continua]
Sia $F : \RR \to \RR$ tale per cui:
\[
F(x) = \begin{cases}
0 & \text{se } x < 0, \\
x + \frac{1}{2} & \text{se } 0 \leq x \leq \frac{1}{2}, \\
1 & \text{altrimenti}.
\end{cases}
\]
Allora $F$ è crescente, continua a destra e tale per cui
$\lim_{x \to -\infty} F(x) = 0$, $\lim_{x \to \infty} F(x) = 1$.
Pertanto esiste un'unica probabilità $P$ avente $F$ come f.d.r. per la
\textit{Proposizione \ref{prop:unicita_fdr}}. \smallskip
Dal momento che $F$ non è continua a sinistra in $0$, $F$ non è continua, e dunque
$P$ non è continua. Inoltre $F$ non induce una probabilità discreta dacché
non è costante a tratti in $[0, \nicefrac{1}{2}]$. Pertanto $P$ non è né
continua né discreta.
\end{example}
\section{Probabilità discreta e rappresentazione della f.d.r.}
Come già discusso nella sezione della \textit{\hyperref[sec:discretizzazione]{Discretizzazione}}, Come già discusso nella sezione della \textit{\hyperref[sec:discretizzazione]{Discretizzazione}},
una probabilità reale $P$ si dice \textit{discreta} se esiste $\Omega_0 \subseteq \RR$ una probabilità reale $P$ si dice \textit{discreta} se esiste $\Omega_0 \subseteq \RR$
@ -350,12 +374,81 @@ In questo caso il range $R_P$ è dunque numerabile e, se $F$ è la f.d.r.~di $P$
Pertanto, se una probabilità reale è discreta, ci si può effettivamente restringere a tutti Pertanto, se una probabilità reale è discreta, ci si può effettivamente restringere a tutti
i risultati della \textit{Parte 2}. i risultati della \textit{Parte 2}.
\subsection{Probabilità assolutamente continue (AC)} \section{Probabilità assolutamente continue (AC)}
\begin{warn} \begin{warn}
Si ricorda che con il simbolo $\int$ si intende l'integrale Si ricorda che con il simbolo $\int$ si intende l'integrale
secondo Lebesgue e che si assume di star lavorando sempre con la secondo Lebesgue e che si assume di star lavorando sempre con la
misura di Lebesgue. misura di Lebesgue $m$.
\end{warn} \end{warn}
\subsection{Probabilità AC e funzione di densità}
\begin{definition}[Probabilità assolutamente continua (AC) e densità]
Una probabilità $P$ si dice \textbf{assolutamente continua (AC)}
se esiste una funzione
boreliana $f : \RR \to \RR$ tale per cui:
\[
P(A) = \int_A f(x) \dx,
\]
dove si impiega l'integrale secondo Lebesgue. Tale funzione $f$ è
detta \textbf{densità} di $P$. \smallskip
Si assume implicitamente che $\int_\RR \abs{f(x)} \dx$ sia finito.
\end{definition}
\begin{remark}
Se $P$ è AC, allora la sua f.d.r. $F$ è in particolare
assolutamente continua, e dunque anche continua.
\end{remark}
\begin{remark}
Nella pratica l'integrale $\int_A f(x) \dx$ si riduce in molti casi
al più semplice integrale di Riemann, eventualmente improprio.
\end{remark}
\subsection{Proprietà e caratterizzazione della densità}
\begin{proposition}[Unicità della densità a meno di $m$-trascurabilità]
Se $P$ è una probabilità AC con densità $f$ e $g$, allora
$f = g$ q.o.~(e dunque $m(f \neq g) = 0$, ossia l'insieme
$f \neq g$ è $m$-trascurabile).
\end{proposition}
\begin{remark}
Si osserva che se $P$ è una probabilità AC con densità
$f$, allora $f \geq 0$ q.o.~per continuità (altrimenti $P$ potrebbe
assumere valori negativi) e $\int_\RR f(x) \dx = P(\RR) = 1$.
\end{remark}
\begin{proposition}[La densità determina univocamente la probabilità]
Sia $f : \RR \to \RR$ una funzione boreliana tale per cui:
\begin{enumerate}[(i.)]
\item $f \geq 0$,
\item $\int_\RR f(x) \dx = 1$.
\end{enumerate}
Allora esiste un'unica probabilità reale $P$ avente $f$ come densità.
\end{proposition}
\begin{proposition}[Relazioni tra la densità e la f.d.r.]
Sia $P$ una probabilità reale con f.d.r. $F$. Allora valgono le seguenti affermazioni:
\begin{enumerate}[(i.)]
\item Se $P$ è AC con densità $f$, allora $F(x) = \int_{-\infty}^x f(y) \dy$. Viceversa
se esiste $f$ per cui $F(x) = \int_{-\infty}^x f(y) \dy$, allora $P$ è AC con densità
$f$.
\item Se $F$ è continua e $C^1$ a tratti (ovverosia si restringe a una funzione $C^1$ eccetto che per un insieme di punti isolati),
allora $P$ è AC con densità $f$ t.c.~$f = F'$ dove è definibile $F'$ e $f = 0$ altrimenti (segue dal Teorema fondamentale del calcolo integrale).
\end{enumerate}
\end{proposition}
\begin{remark}
Se $P$ è AC con densità $f$, allora $P(f = 0) = \int_{f = 0} f(x) \dx = 0$ e dunque
l'insieme $f = 0$ è trascurabile rispetto a $P$. Dunque, ristringendo il range si
ottiene che:
\[
P(A) = P(A \cap (f > 0)).
\]
\end{remark}
\end{multicols*} \end{multicols*}
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