方差分解公式

在有些时候，直接计算随机变量的方差非常麻烦，此时可以用方差分解公式，将方差分解为条件期望的方差加条件方差的期望：

$$\text{Var}(X)=\text{Var}[\text{E}(X|Y)]+\text{E}[\text{Var}(X|Y)]$$

证明非常简单，注意到

$$\begin{aligned} \text{Var}[\text{E}(X|Y)] =& \text{E}\left\{\left[\text{E}(X|Y)\right]^2\right\} - \left\{\text{E}\left[\text{E}(X|Y)\right]\right\}^2\\ =& \text{E}\left\{\left[\text{E}(X|Y)\right]^2\right\} - \left[\text{E}(X)\right]^2 \end{aligned}$$

和

$$\begin{aligned} \text{E}[\text{Var}(X|Y)] =& \text{E}\left\{\text{E}(X^2|Y) - [\text{E}(X|Y)]^2\right\}\\ =& \text{E}(X^2) - \text{E}\left\{\left[\text{E}(X|Y)\right]^2\right\} \end{aligned}$$

将上面两式相加，即得证。