Hoeffding 불평등에 사용 된 정리의 증거 이해


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Casella와 Berger를 기본 텍스트로 사용하는 통계에 대한 Larry Wasserman의 강의 노트 를 연구하고 있습니다. 나는 그의 강의 노트 세트 2를 진행 하고 있으며 Hoeffding의 불평등 (pp.2-3)에 사용 된 정리의 파생에 갇혀있다. 나는 아래의 메모에서 증거를 재현하고 있으며 증거 후에 내가 붙어있는 곳을 지적합니다.


렘마

한다고 가정 , 그 . 그런 다음 입니다.≤ X ≤ B는 E ( E t X ) ≤ E t (2) ( B - ) 2 / 8E(X)=0a≤X≤bE(etX)≤et2(b−a)2/8

증명

이후 , 우리는 쓸 수 볼록의 조합 및 , 즉 여기서 . 함수의 볼록 바이 우리가a≤X≤bXabX=αb+(1−α)aα=X−ab−ay→ety

etX≤αetb+(1−α)eta=X−ab−aetb+b−Xb−aeta

양쪽의 기대를 가지고 사실 사용 얻기 위해E(X)=0

E(etX)≤−ab−aetb+bb−aeta=eg(u)

여기서 , 및 입니다. 참고 . 또한 모든 u> 0에 대해 입니다 .u=t(b−a)g(u)=−γu+log⁡(1−γ+γeu)γ=−a/(b−a)g(0)=g′(0)=0g″(u)≤1/4u>0

Taylor의 정리에 따르면, g (u) = g (0) + ug ^ { '} (0) + \ frac {u ^ 2} {2} g ^ { 와 같은 \ varepsilon \ in (0, u)가 있습니다 ''} (\ varepsilon) = \ frac {u ^ 2} {2} g ^ { ''} (\ varepsilon) \ le \ frac {u ^ 2} {8} = \ frac {t ^ 2 (ba) ^ 2} {8}ε∈(0,u)g(u)=g(0)+ug′(0)+u22g″(ε)=u22g″(ε)≤u28=t2(b−a)28

따라서 E(etX)≤eg(u)≤et2(b−a)28 입니다.


나는 증거를 따라갈 수 있었다

E(etX)≤−ab−aetb+bb−aeta=eg(u) 그러나 를 파생시키는 방법을 알 수 없습니다 .u,g(u),γ


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의 최대 값 이 이므로 결과는 효과적으로 이것은 우연의 일치로 인해 너무 친숙해 보입니다. 나는 확률 론적 논증을 통해 결과를 도출 할 수있는 또 다른 쉬운 방법이있을 것으로 생각한다. var(X)σmax2=(b−a)2/4
E[etX]≤eσmax2t2/2
— Dilip Sarwate

@DilipSarwate 내 이해는 균일 한 랜덤 변수 대해 최대 분산이 발생한다는 것입니다 . 의 분산 은 입니다. 어떻게 얻었는지 설명해 주 시겠습니까? X∼U(a,b)XVar(X)=(b−a)212(b−a)24
— Anand

끝점에 질량을 집중시킴으로써 ...
— Elvis

@DilipSarwate 나는 증거에 몇 가지 의견을 추가했는데, 최악의 경우가 최대 분산 인 이유를 설명 할 수 있습니다.
— Elvis

1
@DilipSarwate - 참조 보조 정리 1, 여기에 운동을 1 : terrytao.wordpress.com/2010/01/03/... . Jensen의 불평등과 테일러의 확장에 의존하는 더 간단한 파생이있는 것 같습니다. 그러나 이것에 대한 자세한 내용은 분명하지 않습니다. 아마도 누군가가 그것을 이해할 수 있습니다. ((9)에서 (10)까지의 파생과 운동 1)
— Leo

답변:


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귀하의 질문을 올바르게 이해했는지 잘 모르겠습니다. 대답하려고합니다 : 의 함수로 를 . 에서 경계를 원하면 자연 스럽습니다 .

−ab−aetb+bb−aeta
u=t(b−a)eu28

경험의 도움을, 당신은 것 알고 는 양식에 작성 선택하는 것이 낫다는 것을 . 그런 다음 는 와 .eg(u)

eg(u)=−ab−aetb+bb−aeta
g(u)=log⁡(−ab−aetb+bb−aeta)=log⁡(eta(−ab−aet(b−a)+bb−a))=ta+log⁡(γeu+(1−γ))=−γu+log⁡(γeu+(1−γ)),
γ=−ab−a

그게 당신이 요구 한 것입니까?

편집 : 증거에 대한 몇 가지 의견

  1. 첫 번째 요령은주의해서 살펴볼 가치가 있습니다. 가 볼록 함수이고 가 중심 랜덤 변수 인 경우 여기서 은 의해 정의 된 이산 변수입니다. 결과적으로 은 분산이 가장 높은 에서 지원되는 중심 변수 : 지지 폭 고정하면ϕa≤X≤b
    E(ϕ(X))≤−ab−aϕ(b)+bb−aϕ(a)=E(ϕ(X0)),
    X0
    P(X0=a)=bb−aP(X0=b)=−ab−a.
    X0[a,b]
    Var(X)=E(X2)≤E(X02)=ba2−ab2b−a=−ab.
    (b−a)코멘트에서 Dilip이 말한 것처럼 이것은 보다 작습니다. 이것은 . 대한 경계가 설정 됩니다.(b−a)24(b−a)2+4ab≥0a=−b
  2. 이제 우리 문제로 넘어가십시오. 에만 의존하는 이유는 무엇 입니까? 직관적으로, 그것은 의 크기를 재조정하는 문제 입니다. 케이스에 대해 바운드 가있는 경우 일반 바운드 를 취하면 얻을 수 있습니다 . 이제 너비 1을 지원하는 중심 변수 세트를 생각해보십시오. 많은 자유가 없기 때문에 와 같은 경계 가 존재해야합니다. 다른 접근법은 간단히 에 대한 위의 정리 로 더 일반적으로 , 이는 에만 의존 하고u=t(b−a)XE(etX)≤s(t)b−a=1s(t(b−a))s(t)

    E(ϕ(X))E(ϕ(tX))≤E(ϕ(tX0))uγ 당신이 해결하는 경우 : 와 및하자 달라, 자유의 1도있다, 그리고 , , 입니다. 우리는 얻을 당신은 단지 와 관련된 경계를 찾아야합니다 .u=u0=t0(b0−a0)γ=γ0=−a0b0−a0t,a,bt=t0αa=αa0b=αa0

    −ab−aϕ(tb)+bb−aϕ(ta)=−a0b0−a0ϕ(tb0)+b0b0−a0ϕ(a0).
    u
  3. 이제 할 수 있다고 확신합니다. 훨씬 쉬워야합니다! 반드시 를 시작 한다고 생각할 필요는 없습니다 . 요점은 모든 것을 와 의 함수로 작성해야한다는 것 입니다. 우선 참고 , , 및 . 그런 다음 이제 우리는 특별한 경우에 있습니다 ... I 당신이 끝낼 수 있다고 생각합니다.guγ

    γ=−ab−a1−γ=bb−aat=−γubt=(1−γ)u

    E(ϕ(tX))≤−ab−aϕ(tb)+bb−aϕ(ta)=γϕ((1−γ)u)+(1−γ)ϕ(−γu)


    ϕ=exp

나는 그것을 조금 명확히하기를 바랍니다.


바로 내가 찾던 것입니다. 고마워
— Anand

1
@Anand 나는 조언을 따르는 것이 어렵다는 것을 알고 있지만 기술적 인 세부 사항에 초점을 두지 말고 그러한 경계가 존재할 수있는 이유를 찾으려고 노력해야한다고 생각 합니다. 그런 다음 증거가 더 쉬워야합니다. 나는 오늘 아침에 추가 된 두 번째 부분 의 이유 를 보여 주려고 노력했습니다 (적어도 이런 질문을해야합니다. 나는 이런 종류의 직관이 대부분의 교과서에 나타나지 않는 것이 끔찍하다고 생각합니다. 기술적 인 부분을 얻더라도 모든 것이 마술처럼 보이는 아이디어가 없다면. 이에 대해 자세히 생각해 볼 수있는 기회를 주셔서 감사합니다.
— Elvis

1
와! 편집시 +1 감사. 그러나 와 같은 것을 얻을 수 있다면 좋지 않을 것입니다
E[etX]≤eE[t2X2/2]=e(t2/2)E[X2]=e(t2/2)var(X)≤et2σmax2/2?
— Dilip Sarwate

@Elvis 조언과 직관적 인 부분을 적어 주셔서 감사합니다. 이것을 이해하기 위해 시간을 보내야합니다!
— Anand

1
@Elvis 직관에 대해 이해하고 이해하고 싶습니다. 더 선명한 경계를 얻으려면 더 높은 순간이 필요합니다. Markov는 첫 번째 순간을, Chebyshev는 두 번째 순간을, Hoeffding은 mgf를 사용합니다. 이 올바른지? 누군가 가이 부분을 확장하고 명확히 할 수 있다면 좋을 것입니다.
— Anand
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