Esercizio - 1023 bit indipendenti a coppie da dieci bit casuali
Teoria: Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzataVar(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 → (indipendenza a coppie) e Limiti di Chernoff e di HoeffdingMarkov applicato a e^(tX) dà code esponenziali. Per somme di Bernoulli indipendenti con media μ: P(X ≥ (1+δ)μ) ≤ [e^δ/(1+δ)^(1+δ)]^μ ≤ e^(-δ²μ/3) per 0<δ≤1, P(X ≤ (1-δ)μ) ≤ e^(-δ²μ/2), P(X ≥ R) ≤ 2^(-R) se R ≥ 6μ. Hoeffding per X_i in [a_i,b_i]: P(|S-E[S]| ≥ t) ≤ 2exp(-2t²/Σ(b_i-a_i)²). Applicazioni: n ≥ ln(2/δ)/(2ε²) campioni per stimare una probabilità, amplificazione BPP con k = O(log 1/ε) ripetizioni, bilanciamento di insiemi con scarto √(4m ln n).Limiti di Chernoff e di Hoeffding → (che cosa serve per le code esponenziali).
Testo. Si estraggono bit uniformi indipendenti . Per ogni sottoinsieme non vuoto si definisce (somma modulo ): sono bit. Sia il numero di bit uguali a .
- Mostrare che ogni è uniforme e che i bit sono indipendenti a coppie.
- Calcolare e .
- Limitare con Chebyshev e .
- Ricavare la vera legge di e confrontare. Che cosa mostra rispetto a 1023 bit davvero indipendenti?
Soluzione
1. Fissato , è la somma modulo di bit indipendenti uniformi e ne contiene almeno uno: è uniforme (invertire un solo con inverte ). Per esiste un indice in uno solo dei due insiemi, diciamo . Condizionando a tutti gli con (che fissano ), rimane uniforme grazie a . Quindi per ogni : indipendenza a coppie. Ma non c'è indipendenza di tutti: per , , si ha .
2. , quindi . Per l'indipendenza a coppie le covarianze sono nulle e le varianze si sommano: , quindi .
3. Chebyshev. Per (scostamento ): .
4. Legge esatta. dipende solo dai dieci bit . Se tutti gli valgono : . Se , si fissa un con : aggiungere o togliere a inverte , quindi i sottoinsiemi si accoppiano a due a due con valori opposti e la metà esatta, , dà (il sottoinsieme vuoto dà , quindi i sono tutti non vuoti). Dunque Controllo: e , quindi ✓. Il valore vero di è : Chebyshev dà (26 volte di più), ma per dà , quasi esatto ().
Confronto con bit indipendenti. Per 1023 bit indipendenti Hoeffding darebbe , e . Qui : con la sola indipendenza a coppie la coda può restare polinomiale, e Chebyshev è il meglio che si possa dire (il suo caso limite è proprio questo). Chernoff e Hoeffding richiedono l'indipendenza di tutte le variabili (la funzione generatrice si fattorizza solo così). In compenso bastano bit casuali invece di .
Risultato. , ; Chebyshev (vero ); (vero ).
Verifica.
from collections import Counter
from fractions import Fraction as F
k = 10
pesi = []
for y in range(1 << k): # tutti i valori dei dieci bit
pesi.append(sum(bin(S & y).count("1") % 2 for S in range(1, 1 << k)))
print(Counter(pesi)) # {512: 1023, 0: 1}
E = F(sum(pesi), len(pesi)); V = F(sum(w * w for w in pesi), len(pesi)) - E * E
print(E, V) # 1023/2 1023/4Versione ripasso
Costruzione (Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzataVar(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 →). Da : per , bit. Uniformi; per un rende uniforme anche dato : indipendenza a coppie. Non insieme: .
Momenti. Covarianze nulle: , . Chebyshev: ; .
Legge vera. Se allora (probabilità ); altrimenti metà dei sottoinsiemi dà : . Controllo: . Chebyshev quasi esatto su .
Conclusione. Con bit indipendenti Hoeffding darebbe e (Limiti di Chernoff e di HoeffdingMarkov applicato a e^(tX) dà code esponenziali. Per somme di Bernoulli indipendenti con media μ: P(X ≥ (1+δ)μ) ≤ [e^δ/(1+δ)^(1+δ)]^μ ≤ e^(-δ²μ/3) per 0<δ≤1, P(X ≤ (1-δ)μ) ≤ e^(-δ²μ/2), P(X ≥ R) ≤ 2^(-R) se R ≥ 6μ. Hoeffding per X_i in [a_i,b_i]: P(|S-E[S]| ≥ t) ≤ 2exp(-2t²/Σ(b_i-a_i)²). Applicazioni: n ≥ ln(2/δ)/(2ε²) campioni per stimare una probabilità, amplificazione BPP con k = O(log 1/ε) ripetizioni, bilanciamento di insiemi con scarto √(4m ln n).Limiti di Chernoff e di Hoeffding →); con la sola indipendenza a coppie la coda resta polinomiale. Servono bit casuali invece di .
Errore tipico. Applicare Chernoff a variabili solo indipendenti a coppie.