לדלג לתוכן

אי-שיוויונות ברנשטיין

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

בתורת ההסתברות, אי-שוויונות ברנשטיין נותנים חסמים להסתברות שממוצע או סכום של משתנים מקריים יסטה מהתוחלת שלו. לדוגמה, אחד המקרים הפשוטים הוא עבור משתניים מקריים בלתי-תלויים מהתפלגות ברנולי המקבלים את הערכים בהסתברות חצי (הידועה בשם התפלגות ראדמאכר), אזי לכל מתקיים אי-השוויון:

.

אי-שוויונות ברנשטיין הוכחו ופורסמו על ידי סרגיי ברנשטיין בשנות ה-20 וה-30 של המאה ה-20[1][2][3][4]. מאוחר יותר, פותחו עוד אי-שוויונות מסוג זה מספר פעמים בצורות שונות. מקרים פרטיים של אי-שוויונות ברנשטיין הם אי-שוויון צ'רנוף, אי-שוויון הופדינג ואי-שוויון אזומה (אנ'). [5][6]

גרסאות של אי-שוויונות ברנשטיין

[עריכת קוד מקור | עריכה]

לאי-שוויונות ברנשטיין קיימות גרסאות רבות, אשר כולן נועדו להציג חסם על הממוצע או סכום של משתנים אקראיים. ההנחות בבסיס כל גרסה משתנות: החל מהנחות של אי-תלות מוחלטת בין המשתנים ועד למבני תלות מורכבים יותר, וכן סוגי ההתפלגויות של המשתנים. בחלק זה יוצגו מספר גרסאות מרכזיות של אי-שוויונות אלו.

משתנים מקריים חסומים כמעט תמיד

[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהיו משתנים מקריים בלתי-תלויים, בעלי תוחלת אפס ונניח שקיים כך שמתקיים לכל המאורע כמעט תמיד (בהסתברות 1). אזי, לכל :

משתנים מקריים חסומים במונחי מומנטים: מקרה 1

[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהיו משתנים מקריים בלתי-תלויים, בעלי תוחלת אפס ונניח שקיים כך שלכל שלם מתקיים התנאי:

.

אזי, עבור :

משתנים מקריים חסומים במונחי מומנטים: מקרה 2

[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהיו משתנים מקריים בלתי-תלויים, בעלי תוחלת אפס ונניח שקיים כך שלכל שלם מתקיים התנאי:

.

נסמן עבור כל . אזי, לכל :

משתנים מקריים עם תלות חלשה[7]

[עריכת קוד מקור | עריכה]

קיימות גם גרסאות לאי-שוויון ברנשטיין עבור סדרת משתנים מקריים בעלי תלות מסוימת. לדוגמה, יהיו ונניח כי לכל קיימים קבועים כך שמתקיימים התנאים:

אזי לכל מתקיים:

משתנים מקריים תת-אקספוננציאליים[8]

[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהיו משתנים מקריים תת-אקספוננציאליים, בלתי-תלויים ובעלי תוחלת אפס. אזי, לכל :

כאשר הוא קבוע חיובי ו- היא נורמה תת-אקספוננציאלית.

קומבינציה ליניארית של משתנים מקריים תת-אקספוננציאליים

[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהיו משתנים מקריים תת-אקספוננציאליים, בלתי-תלויים ובעלי תוחלת אפס ויהי . אזי, לכל :

.

כאשר , כלומר הסכום המשוקלל הוא למעשה ממוצע, אזי נקבל כמקרה פרטי:

.

כל ההוכחות מבוססות על אי-שוויון מרקוב, כאשר מפעילים על הסכום את הפונקציה ובוחרים בצורה אופטימלית את הפרמטר תחת אילוצים, אם קיימים.

משתנים מקריים תת-אקספוננציאליים

[עריכת קוד מקור | עריכה]

נסמן ונפעיל את אי-שוויון מרקוב:

כעת ניעזר בתכונה של המשפחה הזאת: עבור מתקיים כי . לכן, נקבל כאשר . כעת נרצה למזער את הביטוי כפונקציה של תחת האילוץ. נקבל פתרון , נציב באי-השוויון ונקבל את הדרוש.

אי-שוויונות ברנשטיין ניתנים להכללה עבור צורות רבות של משתנים מקריים. בפרט, עבור תבניות ריבועיות של משתנים גאוסיים. הכללה זו עשויה לעזור בשליטה על הסיכון הריבועי של קבוצת מעריכים ליניאריים בבעיות רגרסיה ליניארית.

גרסה וקטורית

[עריכת קוד מקור | עריכה]

יהיו שני וקטורים ממשיים ממימד ונסתכל על הביטוי האקראי כאשר משתנים מקריים בלתי-תלויים ושווי-התפלגות מהתפלגות נורמלית סטנדרטית. נסמן: , , אזי מתקיים עבור כל :

גרסה מטריציונית

[עריכת קוד מקור | עריכה]

נסתכל על הביטוי האקראי , כאשר , ו- הוא וקטור גאוסי סטנדרטי (כלומר כל כניסה מתפלגת נורמלית עם תוחלת 0 וסטיית תקן 1 והכניסות בלתי-תלויות). נסמן ב- את הערכים העצמיים של המטריצה הסימטרית ונסמן ב- (כפי שהוגדר בסעיף קודם). אזי מתקיים עבור כל :

לקריאה נוספת

[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים

[עריכת קוד מקור | עריכה]
  1. ^ S.N.Bernstein, "On a modification of Chebyshev's inequality and of the error formula of Laplace" vol. 4, #5 (original publication: Ann. Sci. Inst. Sav. Ukraine, Sect. Math. 1, 1924)
  2. ^ Bernstein, S. N. (1937). "Об определенных модификациях неравенства Чебышева" [On certain modifications of Chebyshev's inequality]. Doklady Akademii Nauk SSSR. 17 (6): 275–277.
  3. ^ S.N.Bernstein, "Theory of Probability" (Russian), Moscow, 1927
  4. ^ J.V.Uspensky, "Introduction to Mathematical Probability", McGraw-Hill Book Company, 1937
  5. ^ Freedman, D.A. (1975). "On tail probabilities for martingales". Ann. Probab. 3: 100–118.
  6. ^ Fan, X.; Grama, I.; Liu, Q. (2012). "Hoeffding's inequality for supermartingales". Stochastic Process. Appl. 122: 3545–3559.
  7. ^ Fan, X.; Grama, I.; Liu, Q. (2015). "Exponential inequalities for martingales with applications". Electronic Journal of Probability. Electron. J. Probab. 20. 20: 1–22. arXiv:1311.6273. doi:10.1214/EJP.v20-3496. S2CID 119713171.
  8. ^ High-Dimensional Probability: An Introduction with Applications in Data Science, Roman Vershynin, University of California, Irvine, June 9, 2020