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Note per Studenti Limiti di Chernoff e di Hoeffding

Limiti di Chernoff e di Hoeffding

In questa pagina 6

ChebyshevVar(ΣX_i) = ΣVar + 2ΣCov, e basta l'indipendenza a coppie perché la varianza si sommi. Chebyshev dà code polinomiali (collezionista: P(T ≥ nH_n + cn) ≤ π²/(6c²)); il metodo del secondo momento dà P(X=0) ≤ Var(X)/E[X]². Algoritmo della mediana: campione di n^(3/4) elementi, due estremi d e u a ±√n, ordinamento dei soli elementi tra d e u; fallisce con probabilità ≤ n^(-1/4) ed è Las Vegas con 2n + o(n) confronti.Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzata → limita la coda con 1/a21/a^2. Per somme di variabili indipendenti si può fare molto meglio: la coda decresce in modo esponenziale. L'idea è sempre la stessa: Markov applicato a etXe^{tX}. Prerequisiti: Funzione generatrice dei momentiLa funzione generatrice dei momenti M_X(t) = E[e^(tX)] (quando è finita vicino a 0) produce i momenti per derivazione, E[X^k] = M_X^(k)(0); trasforma le somme di v.a. indipendenti in prodotti, M_(X+Y) = M_X M_Y, e se finita in un intorno di 0 determina la legge.Funzione generatrice dei momenti →, Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e JensenMarkov: per X ≥ 0, P(X ≥ a) ≤ E[X]/a; Chebyshev: P(|X − μ| ≥ ε) ≤ Var(X)/ε²; Jensen: per φ convessa, φ(E[X]) ≤ E[φ(X)]. Stimano probabilità e medie conoscendo solo media e varianza.Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e Jensen →, Bernoulli, binomiale e uniforme discretaBernoulli Be(p): un solo tentativo, vale 1 con probabilità p; binomiale Bin(n, p): numero di successi in n prove indipendenti, P(X = k) = C(n,k) p^k (1−p)^(n−k), media np e varianza np(1−p); uniforme discreta: n valori equiprobabili.Bernoulli, binomiale e uniforme discreta →.

Il metodo della funzione generatrice dei momenti

Per ogni t>0t>0 la funzione x↦etxx\mapsto e^{tx} è crescente e positiva, quindi X≥a  ⟺  etX≥etaX\ge a \iff e^{tX}\ge e^{ta}. Markov dà P(X≥a)=P(etX≥eta)≤E[etX]eta=e−ta MX(t),P(X \ge a) = P(e^{tX} \ge e^{ta}) \le \frac{E[e^{tX}]}{e^{ta}} = e^{-ta}\,M_X(t), e si sceglie t>0t>0 che rende minimo il secondo membro. Per la coda inferiore si usa t<0t<0: P(X≤a)=P(etX≥eta)≤e−taMX(t)P(X\le a)=P(e^{tX}\ge e^{ta})\le e^{-ta}M_X(t).

Il vantaggio rispetto a Chebyshev è che se X=X1+⋯+XnX=X_1+\dots+X_n con XiX_i indipendenti, la funzione generatrice si fattorizza: MX(t)=E[∏ietXi]=∏iMXi(t).M_X(t) = E\Big[\prod_i e^{tX_i}\Big] = \prod_i M_{X_i}(t). Qui l'indipendenza (non solo a coppie) è indispensabile.

Chernoff per somme di Bernoulli

Ipotesi. X=∑i=1nXiX=\sum_{i=1}^n X_i, con Xi∈{0,1}X_i\in\{0,1\} indipendenti, P(Xi=1)=piP(X_i=1)=p_i (le pip_i possono essere diverse: variabili di Poisson-Bernoulli). μ=E[X]=∑ipi\mu=E[X]=\sum_i p_i.

Funzione generatrice. MXi(t)=1−pi+piet=1+pi(et−1)≤epi(et−1)M_{X_i}(t)=1-p_i+p_ie^t=1+p_i(e^t-1)\le e^{p_i(e^t-1)}, perché 1+y≤ey1+y\le e^y. Moltiplicando: MX(t)≤exp⁡(μ(et−1)).M_X(t)\le \exp\big(\mu(e^t-1)\big).

Teorema (Chernoff, forma esatta). P(X≥(1+δ)μ)≤[eδ(1+δ)1+δ]μ(δ>0),P(X≤(1−δ)μ)≤[e−δ(1−δ)1−δ]μ(0<δ<1).P\big(X\ge(1+\delta)\mu\big)\le\Big[\frac{e^{\delta}}{(1+\delta)^{1+\delta}}\Big]^{\mu}\quad(\delta>0),\qquad P\big(X\le(1-\delta)\mu\big)\le\Big[\frac{e^{-\delta}}{(1-\delta)^{1-\delta}}\Big]^{\mu}\quad(0<\delta<1).

Dimostrazione. Coda superiore, t>0t>0: P(X≥(1+δ)μ)≤e−t(1+δ)μeμ(et−1)=exp⁡(μ(et−1−t(1+δ)))P(X\ge(1+\delta)\mu)\le e^{-t(1+\delta)\mu}e^{\mu(e^t-1)}=\exp\big(\mu(e^t-1-t(1+\delta))\big). L'esponente ha derivata μ(et−(1+δ))\mu(e^t-(1+\delta)) che si annulla in t=ln⁡(1+δ)>0t=\ln(1+\delta)>0 (minimo, perché è convesso). Sostituendo et=1+δe^t=1+\delta: exp⁡(μ(δ−(1+δ)ln⁡(1+δ)))\exp(\mu(\delta-(1+\delta)\ln(1+\delta))), cioè [eδ/(1+δ)1+δ]μ\big[e^\delta/(1+\delta)^{1+\delta}\big]^\mu. Coda inferiore, t<0t<0: P(X≤(1−δ)μ)≤exp⁡(μ(et−1−t(1−δ)))P(X\le(1-\delta)\mu)\le\exp\big(\mu(e^t-1-t(1-\delta))\big) e si prende t=ln⁡(1−δ)<0t=\ln(1-\delta)<0: et=1−δe^t=1-\delta, esponente μ(−δ−(1−δ)ln⁡(1−δ))\mu(-\delta-(1-\delta)\ln(1-\delta)). ■\blacksquare

Forme semplificate

Teorema. Con le stesse ipotesi:

  1. per 0<δ≤10<\delta\le1: P(X≥(1+δ)μ)≤e−δ2μ/3P(X\ge(1+\delta)\mu)\le e^{-\delta^2\mu/3};
  2. per 0<δ<10<\delta<1: P(X≤(1−δ)μ)≤e−δ2μ/2P(X\le(1-\delta)\mu)\le e^{-\delta^2\mu/2};
  3. per R≥6μR\ge 6\mu: P(X≥R)≤2−RP(X\ge R)\le 2^{-R}.

Insieme: P(∣X−μ∣≥δμ)≤2e−δ2μ/3P(|X-\mu|\ge\delta\mu)\le 2e^{-\delta^2\mu/3} per 0<δ≤10<\delta\le1.

Dimostrazione. (1) Si deve mostrare f(δ)=δ−(1+δ)ln⁡(1+δ)+δ2/3≤0f(\delta)=\delta-(1+\delta)\ln(1+\delta)+\delta^2/3\le0 su [0,1][0,1]. Si ha f(0)=0f(0)=0, f′(δ)=−ln⁡(1+δ)+2δ3f'(\delta)=-\ln(1+\delta)+\frac{2\delta}{3}, f′(0)=0f'(0)=0 e f′′(δ)=−11+δ+23f''(\delta)=-\frac1{1+\delta}+\frac23, negativa per δ<12\delta<\frac12 e positiva dopo. Quindi f′f' prima scende da 00 e poi risale, e a fine intervallo f′(1)=23−ln⁡2=−0,026<0f'(1)=\frac23-\ln2=-0{,}026<0: f′≤0f'\le0 su tutto [0,1][0,1], dunque ff è decrescente da f(0)=0f(0)=0 e f≤0f\le 0. (2) Serve −δ−(1−δ)ln⁡(1−δ)≤−δ2/2-\delta-(1-\delta)\ln(1-\delta)\le-\delta^2/2. Lo sviluppo (1−δ)ln⁡(1−δ)=−δ+δ22+δ36+δ412+…(1-\delta)\ln(1-\delta)=-\delta+\frac{\delta^2}{2}+\frac{\delta^3}{6}+\frac{\delta^4}{12}+\dots ha tutti i termini oltre −δ+δ2/2-\delta+\delta^2/2 positivi, quindi (1−δ)ln⁡(1−δ)≥−δ+δ2/2(1-\delta)\ln(1-\delta)\ge-\delta+\delta^2/2 e si conclude. (3) Si pone R=(1+δ)μR=(1+\delta)\mu. Dal limite esatto, P(X≥R)≤eR−μ (μ/R)R≤(eμ/R)R≤(e/6)R≤2−RP(X\ge R)\le e^{R-\mu}\,(\mu/R)^{R}\le(e\mu/R)^R\le(e/6)^R\le2^{-R}, perché e/6=0,453<12e/6=0{,}453<\frac12. ■\blacksquare

I due limiti con e−δ2μ/3e^{-\delta^2\mu/3} e e−δ2μ/2e^{-\delta^2\mu/2} sono comodi ma non stretti. Se di μ\mu si conosce solo un maggiorante μH≥E[X]\mu_H\ge E[X] i limiti superiori valgono con μH\mu_H al posto di μ\mu. Per δ>1\delta>1 si può usare e−μδ2/(2+δ)e^{-\mu\delta^2/(2+\delta)}, valida per ogni δ>0\delta>0: dimostrazione, e un esempio di che cosa succede quando l'indipendenza manca, in Esercizio - Chernoff e i mutui del 2008, perché serve l'indipendenza (lezioni MIT).

Confronto numerico

Lancio di 1000 monete, probabilità di almeno 600600 teste (μ=500\mu=500, δ=0,2\delta=0{,}2):

Limite Valore
Markov 500/600=0,833500/600=0{,}833
Chebyshev (varianza 250250, scostamento 100100; per simmetria la metà) 0,0250{,}025 (metà: 0,01250{,}0125)
Chernoff, forma esatta 8,3×10−58{,}3\times10^{-5}
Chernoff, forma e−δ2μ/3e^{-\delta^2\mu/3} 1,3×10−31{,}3\times10^{-3}
Hoeffding (sotto) 2,1×10−92{,}1\times10^{-9}
Valore esatto (somma binomiale) 1,36×10−101{,}36\times10^{-10}

Chernoff passa da 0,01250{,}0125 di Chebyshev a 10−410^{-4}. Hoeffding è molto più vicino al vero perché sfrutta che per p=12p=\frac12 la varianza è la metà di μ\mu; Chernoff, che usa solo la media, è più adatto a pp piccolo (conteggio di eventi rari). Anche la forma esatta di Chernoff, per μ\mu fissato, è più stretta della semplificata.

Grafico interattivo: Chernoff per una somma di Bernoulli con μ = 20: forma esatta exp(μ(δ − (1+δ)ln(1+δ))) e forma semplificata exp(−δ²μ/3) in funzione di δ; per δ = 0,5 valgono 0,115 e 0,189 (il valore vero della binomiale B(100; 0,2) a 30 è 0,011)

Il limite di Hoeffding

Chernoff vale per variabili 0-1. Per variabili limitate qualsiasi si usa Hoeffding.

Lemma di Hoeffding. Se a≤X≤ba\le X\le b e E[X]=0E[X]=0, per ogni s∈Rs\in\mathbb R: E[esX]≤es2(b−a)2/8E[e^{sX}]\le e^{s^2(b-a)^2/8}.

Dimostrazione. Per la convessità di x↦esxx\mapsto e^{sx}, su [a,b][a,b] sta sotto la corda: esx≤b−xb−aesa+x−ab−aesbe^{sx}\le\frac{b-x}{b-a}e^{sa}+\frac{x-a}{b-a}e^{sb}. Prendendo la media con E[X]=0E[X]=0: E[esX]≤bb−aesa−ab−aesb.E[e^{sX}]\le\frac{b}{b-a}e^{sa}-\frac{a}{b-a}e^{sb}. Con p=−ab−a∈[0,1]p=-\frac{a}{b-a}\in[0,1] e u=s(b−a)u=s(b-a) il secondo membro è eφ(u)e^{\varphi(u)}, φ(u)=−pu+ln⁡(1−p+peu)\varphi(u)=-pu+\ln(1-p+pe^u). Si ha φ(0)=0\varphi(0)=0, φ′(0)=0\varphi'(0)=0 e φ′′(u)=q(1−q)≤14\varphi''(u)=q(1-q)\le\frac14, con q=peu1−p+peu∈[0,1]q=\frac{pe^u}{1-p+pe^u}\in[0,1]. Per Taylor con resto di Lagrange φ(u)=12φ′′(ξ)u2≤u28=s2(b−a)28\varphi(u)=\frac12\varphi''(\xi)u^2\le\frac{u^2}{8}=\frac{s^2(b-a)^2}{8}. ■\blacksquare

Teorema (Hoeffding). X1,…,XnX_1,\dots,X_n indipendenti con ai≤Xi≤bia_i\le X_i\le b_i, S=∑XiS=\sum X_i, c=∑i(bi−ai)2c=\sum_i(b_i-a_i)^2. Per ogni t>0t>0: P(S−E[S]≥t)≤e−2t2/c,P(∣S−E[S]∣≥t)≤2e−2t2/c.P(S-E[S]\ge t)\le e^{-2t^2/c},\qquad P(|S-E[S]|\ge t)\le2e^{-2t^2/c}.

Dimostrazione. Per s>0s>0, Markov su es(S−E[S])e^{s(S-E[S])} e indipendenza: P(S−E[S]≥t)≤e−st∏iE[es(Xi−E[Xi])]≤e−st∏ies2(bi−ai)2/8=exp⁡(−st+s2c/8)P(S-E[S]\ge t)\le e^{-st}\prod_iE[e^{s(X_i-E[X_i])}]\le e^{-st}\prod_ie^{s^2(b_i-a_i)^2/8}=\exp(-st+s^2c/8). Il minimo è in s=4t/cs=4t/c e vale exp⁡(−2t2/c)\exp(-2t^2/c). L'altra coda è identica con −Xi-X_i. ■\blacksquare

Per nn monete c=nc=n: P(S−n2≥t)≤e−2t2/nP(S-\frac n2\ge t)\le e^{-2t^2/n}. Con n=1000n=1000 e t=100t=100 si ottiene e−20=2,06×10−9e^{-20}=2{,}06\times10^{-9}, il valore della tabella.

Quale limite usare.

  • Solo media e varianza note: Chebyshev.
  • Conteggio di eventi 0-1 con media piccola, o errore relativo (scarto δμ\delta\mu proporzionale alla media): Chernoff.
  • Variabili limitate, errore additivo: Hoeffding.

Applicazioni

Stima di una probabilità con intervallo di confidenza

Si vuole stimare pp (per esempio la frazione di input su cui un programma sbaglia) con nn campioni indipendenti Xi∈{0,1}X_i\in\{0,1\} e p^=1n∑Xi\hat p=\frac1n\sum X_i (Legge dei grandi numeri e metodo Monte CarloSe X₁, X₂, ... sono i.i.d. con media μ, la media campionaria X̄ₙ = (X₁ + ... + Xₙ)/n converge a μ: in probabilità (legge debole, dimostrata con Chebyshev se la varianza è finita: P(|X̄ₙ − μ| > ε) ≤ σ²/(nε²)) e quasi certamente (legge forte). Metodo Monte Carlo: ∫ g = E[g(U)] si stima con la media di g(U₁), ..., g(Uₙ) per uniformi indipendenti.Legge dei grandi numeri e metodo Monte Carlo →). Hoeffding con t=nεt=n\varepsilon: P(∣p^−p∣≥ε)≤2e−2nε2P(|\hat p-p|\ge\varepsilon)\le2e^{-2n\varepsilon^2}. Questo è ≤δ\le\delta se n ≥ ln⁡(2/δ)2ε2.n\ \ge\ \frac{\ln(2/\delta)}{2\varepsilon^2}. Allora [p^−ε, p^+ε][\hat p-\varepsilon,\ \hat p+\varepsilon] contiene pp con probabilità almeno 1−δ1-\delta.

Numeri. ε=0,01\varepsilon=0{,}01, δ=0,05\delta=0{,}05: n≥ln⁡402⋅10−4=3,6890,0002=18444,4n\ge\frac{\ln 40}{2\cdot10^{-4}}=\frac{3{,}689}{0{,}0002}=18444{,}4, quindi 1844518445 campioni. Con Chebyshev (Var(p^)≤14n\mathrm{Var}(\hat p)\le\frac1{4n}) servirebbe n≥14ε2δ=50000n\ge\frac1{4\varepsilon^2\delta}=50000: la dipendenza da δ\delta è ln⁡(1/δ)\ln(1/\delta) contro 1/δ1/\delta. Per p≈0,01p\approx0{,}01 con errore relativo del 10%10\% (cioè ∣p^−p∣≤0,1 p|\hat p-p|\le0{,}1\,p), Chernoff con μ=np\mu=np dà P(∣X−μ∣≥εμ)≤2e−ε2np/3≤δP(|X-\mu|\ge\varepsilon\mu)\le2e^{-\varepsilon^2np/3}\le\delta con ε=0,1\varepsilon=0{,}1, cioè n≥3ln⁡(2/δ)ε2p=3⋅3,6890,01⋅0,01≈110700n\ge\frac{3\ln(2/\delta)}{\varepsilon^2p}=\frac{3\cdot3{,}689}{0{,}01\cdot0{,}01}\approx110700 campioni; Hoeffding per lo stesso errore assoluto 0,0010{,}001 ne chiederebbe 18444401844440.

Amplificazione di un algoritmo BPP

Un algoritmo randomizzato a errore bilatero ha probabilità di errore ≤13\le\frac13 (Algoritmi randomizzati - Monte Carlo, Las Vegas e amplificazioneUn algoritmo randomizzato usa bit casuali indipendenti; la probabilità è sulle scelte dell'algoritmo, mai sull'input (garanzia per ogni input). Las Vegas: sempre corretto, tempo aleatorio (conta il tempo atteso). Monte Carlo: tempo fisso, risposta sbagliata con probabilità limitata; errore unilaterale (RP: accetta solo se x sta nel linguaggio, accetta con prob almeno 1/2) o bilaterale (BPP: giusto con prob almeno 2/3). ZPP = RP ∩ co-RP = Las Vegas con tempo atteso polinomiale. Amplificazione: unilaterale, k ripetizioni indipendenti, errore (1-p)^k ≤ e^(-pk), serve k ≥ ln(1/ε)/p; bilaterale, voto di maggioranza su k esecuzioni, errore binomiale esatto, esponenziale in k (Chernoff, e^(-k/18) per p=2/3) mentre Chebyshev dà solo 8/k. Las Vegas -> Monte Carlo: interrompere a c volte il tempo atteso (Markov, errore ≤ 1/c). Monte Carlo -> Las Vegas: solo se la risposta si verifica in fretta. Esempio: Miller-Rabin, errore ≤ 1/4 per esecuzione.Algoritmi randomizzati - Monte Carlo, Las Vegas e amplificazione →). Si ripete kk volte con casualità indipendente e si risponde con la maggioranza. Sia YY il numero di esecuzioni sbagliate: la risposta finale è sbagliata solo se Y≥k/2Y\ge k/2, con E[Y]≤k/3E[Y]\le k/3.

  • Hoeffding: P(Y−k3≥k6)≤e−2(k/6)2/k=e−k/18P(Y-\frac k3\ge\frac k6)\le e^{-2(k/6)^2/k}=e^{-k/18}.
  • Chernoff con δ=12\delta=\frac12 su μ=k3\mu=\frac k3: e−δ2μ/3=e−k/36e^{-\delta^2\mu/3}=e^{-k/36}.

L'errore scende esponenzialmente in kk: per ottenere 2−202^{-20} bastano k≥18⋅20ln⁡2=249,5k\ge18\cdot20\ln2=249{,}5 (Hoeffding) o k≥36⋅20ln⁡2=499,1k\ge36\cdot20\ln2=499{,}1 (Chernoff semplice). Il minimo kk dispari per cui l'errore esatto (binomiale) è ≤2−20\le2^{-20} è 193193 (errore 9,03×10−79{,}03\times10^{-7}). I limiti sono prudenti di un fattore costante, ma hanno la forma giusta k=O(log⁡(1/ε))k=O(\log(1/\varepsilon)).

Bilanciamento di insiemi

Teorema. Sia AA una matrice n×mn\times m con entrate 00 o 11 (n≥3n\ge3). Esiste b∈{−1,+1}mb\in\{-1,+1\}^m tale che ogni riga ha ∣(Ab)i∣≤4mln⁡n|(Ab)_i|\le\sqrt{4m\ln n}.

Interpretazione: mm elementi e nn sottoinsiemi; si colorano gli elementi di rosso e blu in modo che ogni sottoinsieme abbia quasi tanti rossi quanto blu.

Dimostrazione. Si sceglie bb a caso, ±1\pm1 uniformi indipendenti. La riga ii è ∑jAijbj\sum_jA_{ij}b_j, somma di mm termini indipendenti con Aijbj∈[−1,1]A_{ij}b_j\in[-1,1] (intervallo di ampiezza 22, o ampiezza 00 se Aij=0A_{ij}=0), media 00 e c≤4mc\le4m. Hoeffding con t=4mln⁡nt=\sqrt{4m\ln n}: P(∣(Ab)i∣≥t)≤2e−2t2/(4m)=2e−2ln⁡n=2/n2P(|(Ab)_i|\ge t)\le2e^{-2t^2/(4m)}=2e^{-2\ln n}=2/n^2. Per l'unione sulle nn righe, la probabilità che almeno una superi tt è ≤2/n<1\le2/n<1 (per n≥3n\ge3), quindi esiste bb buono. Anzi, un bb scelto a caso lo è con probabilità ≥1−2/n\ge1-2/n. ■\blacksquare

Nell'esempio n=m=100n=m=100 il limite è 400ln⁡100=42,9\sqrt{400\ln100}=42{,}9; su 20002000 scelte casuali di bb per una matrice casuale il massimo di ∣Ab∣|Ab| tra le righe vale in media 16,716{,}7 (al peggio 3232): il limite è valido con ampio margine. Si può fare meglio (O(m)O(\sqrt m) per n=mn=m, risultato di Spencer), ma serve un'altra dimostrazione.

Differenze limitate (Azuma) in breve

Disuguaglianza di Azuma-Hoeffding. Se Z0,…,ZmZ_0,\dots,Z_m è una martingala con ∣Zi−Zi−1∣≤ci|Z_i-Z_{i-1}|\le c_i, allora P(∣Zm−Z0∣≥t)≤2exp⁡(−t2/(2∑ici2))P(|Z_m-Z_0|\ge t)\le2\exp\big(-t^2/(2\sum_ic_i^2)\big).

La martingala tipica è quella di Doob: f(X1,…,Xm)f(X_1,\dots,X_m) funzione di variabili indipendenti, Zi=E[f∣X1,…,Xi]Z_i=E[f\mid X_1,\dots,X_i]. Se cambiare una sola XiX_i cambia ff di al più cic_i (differenze limitate), allora ∣Zi−Zi−1∣≤ci|Z_i-Z_{i-1}|\le c_i e ff è concentrata intorno alla media. Con variabili indipendenti la costante migliora (disuguaglianza di McDiarmid, stessa dimostrazione ma con il lemma di Hoeffding): P(∣f−E[f]∣≥t)≤2exp⁡(−2t2/∑ici2)P(|f-E[f]|\ge t)\le2\exp\big(-2t^2/\sum_ic_i^2\big). Conviene scegliere poche variabili, eventualmente raggruppandone molte in una sola: un esempio è in Esercizio - Concentrazione del numero cromatico di un grafo casuale con le differenze limitate (lezioni MIT).

Esempio: urne vuote. m=1000m=1000 palline in n=1000n=1000 urne (Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di PoissonModello palline e urne (m palline, n urne, scelte indipendenti e uniformi): paradosso del compleanno con soglia sqrt(2 n ln 2), urne vuote attese n e^(-m/n), carico massimo ln n / ln ln n con dimostrazione (first moment e union bound), approssimazione di Poisson con il fattore e sqrt(m), potere delle due scelte (ln ln n / ln 2).Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di Poisson →); ZZ è il numero di urne vuote. Spostare una pallina cambia ZZ al più di 11: ci=1c_i=1. E[Z]=n(1−1n)m=367,7E[Z]=n(1-\frac1n)^m=367{,}7. Per t=100t=100: Azuma 2e−1002/2000=2e−5=0,01352e^{-100^2/2000}=2e^{-5}=0{,}0135; McDiarmid 2e−20000/1000=4,1×10−92e^{-20000/1000}=4{,}1\times10^{-9}; Chebyshev con la varianza esatta (97,297{,}2, calcolata con le coppie di urne) 0,00970{,}0097. Nella simulazione (2000020000 prove) lo scarto massimo è molto sotto 100100 (deviazione standard osservata 9,869{,}86): il limite è vero ma non stretto. Il vantaggio è che non serve calcolare la varianza.

Domande d'esame

  1. Dimostra che P(X≥(1+δ)μ)≤[eδ/(1+δ)1+δ]μP(X\ge(1+\delta)\mu)\le\big[e^\delta/(1+\delta)^{1+\delta}\big]^\mu. Markov su etXe^{tX}, fattorizzazione di MXM_X, MXi(t)≤epi(et−1)M_{X_i}(t)\le e^{p_i(e^t-1)}, e minimo in t=ln⁡(1+δ)t=\ln(1+\delta) (passaggi sopra).
  2. Quante estrazioni per stimare una probabilità a meno di 0,020{,}02 con confidenza 99%99\%? n≥ln⁡(2/0,01)2⋅0,022=5,2980,0008=6622,9n\ge\frac{\ln(2/0{,}01)}{2\cdot0{,}02^2}=\frac{5{,}298}{0{,}0008}=6622{,}9, quindi 66236623.
  3. Perché per p=12p=\frac12 Hoeffding batte Chernoff? Chernoff usa solo la media e ottiene un esponente δ2μ/3\delta^2\mu/3; Hoeffding tiene conto che la varianza è n4=μ2\frac n4=\frac\mu2 e ottiene 2t2/n2t^2/n: per 1000 monete con t=100t=100 l'esponente è 2020, contro 6,76{,}7 della forma semplificata di Chernoff.
  4. Un algoritmo sbaglia con probabilità 13\frac13. Come si porta l'errore sotto ε\varepsilon? Maggioranza su k≥18ln⁡(1/ε)k\ge18\ln(1/\varepsilon) esecuzioni indipendenti (Hoeffding), quindi O(log⁡(1/ε))O(\log(1/\varepsilon)).

Versione ripasso

Metodo. Per t>0t>0: P(X≥a)≤e−taMX(t)P(X\ge a)\le e^{-ta}M_X(t) (Markov su etXe^{tX}, Funzione generatrice dei momentiLa funzione generatrice dei momenti M_X(t) = E[e^(tX)] (quando è finita vicino a 0) produce i momenti per derivazione, E[X^k] = M_X^(k)(0); trasforma le somme di v.a. indipendenti in prodotti, M_(X+Y) = M_X M_Y, e se finita in un intorno di 0 determina la legge.Funzione generatrice dei momenti →); coda inferiore con t<0t<0. Per somme di variabili indipendenti MX=∏MXiM_X=\prod M_{X_i}.

Chernoff. X=∑XiX=\sum X_i, Xi∈{0,1}X_i\in\{0,1\} indipendenti, μ=E[X]\mu=E[X]. Da MXi(t)=1+pi(et−1)≤epi(et−1)M_{X_i}(t)=1+p_i(e^t-1)\le e^{p_i(e^t-1)} si ha MX(t)≤eμ(et−1)M_X(t)\le e^{\mu(e^t-1)} e, con t=ln⁡(1±δ)t=\ln(1\pm\delta): P(X≥(1+δ)μ)≤[eδ(1+δ)1+δ]μ,P(X≤(1−δ)μ)≤[e−δ(1−δ)1−δ]μ.P(X\ge(1+\delta)\mu)\le\Big[\tfrac{e^\delta}{(1+\delta)^{1+\delta}}\Big]^\mu,\qquad P(X\le(1-\delta)\mu)\le\Big[\tfrac{e^{-\delta}}{(1-\delta)^{1-\delta}}\Big]^\mu. Dimostrazione della coda superiore: P(X≥(1+δ)μ)≤exp⁡(μ(et−1−t(1+δ)))P(X\ge(1+\delta)\mu)\le\exp\big(\mu(e^t-1-t(1+\delta))\big), esponente convesso con minimo in t=ln⁡(1+δ)t=\ln(1+\delta); per la coda inferiore t=ln⁡(1−δ)<0t=\ln(1-\delta)<0.

Forme semplificate: e−δ2μ/3e^{-\delta^2\mu/3} per 0<δ≤10<\delta\le1 (superiore), e−δ2μ/2e^{-\delta^2\mu/2} (inferiore), 2−R2^{-R} per R≥6μR\ge6\mu; bilatero 2e−δ2μ/32e^{-\delta^2\mu/3}. Si dimostrano con f(δ)=δ−(1+δ)ln⁡(1+δ)+δ2/3≤0f(\delta)=\delta-(1+\delta)\ln(1+\delta)+\delta^2/3\le0 (derivata seconda, f′(1)=23−ln⁡2<0f'(1)=\frac23-\ln2<0), con lo sviluppo di (1−δ)ln⁡(1−δ)(1-\delta)\ln(1-\delta) e con e/6<12e/6<\frac12.

Mille monete, almeno 600 teste. Markov 0,8330{,}833, Chebyshev 0,01250{,}0125, Chernoff 8,3×10−58{,}3\times10^{-5}, Hoeffding 2,1×10−92{,}1\times10^{-9}, esatto 1,36×10−101{,}36\times10^{-10}. Con p=12p=\frac12 Hoeffding è più stretto; Chernoff va bene per pp piccolo.

Hoeffding. Lemma: E[X]=0E[X]=0, X∈[a,b]X\in[a,b] implica E[esX]≤es2(b−a)2/8E[e^{sX}]\le e^{s^2(b-a)^2/8} (convessità, poi φ(u)=−pu+ln⁡(1−p+peu)\varphi(u)=-pu+\ln(1-p+pe^u) con φ(0)=φ′(0)=0\varphi(0)=\varphi'(0)=0 e φ′′≤14\varphi''\le\frac14). Teorema: P(∣S−E[S]∣≥t)≤2e−2t2/cP(|S-E[S]|\ge t)\le2e^{-2t^2/c} con c=∑(bi−ai)2c=\sum(b_i-a_i)^2 (si minimizza −st+s2c/8-st+s^2c/8 in s=4t/cs=4t/c).

Applicazioni.

Azuma. Martingala con ∣Zi−Zi−1∣≤ci|Z_i-Z_{i-1}|\le c_i: P(∣Zm−Z0∣≥t)≤2e−t2/(2∑ci2)P(|Z_m-Z_0|\ge t)\le2e^{-t^2/(2\sum c_i^2)}; per funzioni di variabili indipendenti con differenze ≤ci\le c_i vale 2e−2t2/∑ci22e^{-2t^2/\sum c_i^2}. Urne vuote (m=n=1000m=n=1000): E[Z]=367,7E[Z]=367{,}7, t=100t=100 dà 0,01350{,}0135 (Azuma) e 4,1×10−94{,}1\times10^{-9} (McDiarmid), con ci=1c_i=1 (Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di PoissonModello palline e urne (m palline, n urne, scelte indipendenti e uniformi): paradosso del compleanno con soglia sqrt(2 n ln 2), urne vuote attese n e^(-m/n), carico massimo ln n / ln ln n con dimostrazione (first moment e union bound), approssimazione di Poisson con il fattore e sqrt(m), potere delle due scelte (ln ln n / ln 2).Palline e urne - compleanno, carico massimo e approssimazione di Poisson →).

Quale limite. Solo media e varianza: Chebyshev. Conteggi 0-1 con media piccola o errore relativo: Chernoff. Variabili limitate con errore additivo: Hoeffding. Tutti richiedono l'indipendenza di tutte le variabili (a coppie non basta).

Errori tipici. Usare Chernoff senza indipendenza; dimenticare che δ≤1\delta\le1 nelle forme semplificate; confondere errore assoluto (Hoeffding) e relativo (Chernoff).

Esercizi su questo argomento

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