Testo. Si vuole stimare la probabilità p che un programma randomizzato produca un risultato sbagliato, eseguendolo n volte in modo indipendente e prendendo la frazione p^ di errori.
Quante esecuzioni garantiscono P(∣p^−p∣≥0,01)≤0,05? Confrontare con Chebyshev.
Con n=2000 esecuzioni: quale errore ε si garantisce con confidenza 95%, e quale confidenza con ε=0,03?
Si sa che p≈0,01 e si vuole un errore relativo del 10%, con probabilità di sbagliare ≤0,05. Quante esecuzioni con Chernoff? E con Hoeffding?
Su 18445 esecuzioni si osservano 5432 errori: dare l'intervallo di confidenza.
Soluzione
1. Hoeffding.p^=n1∑Xi con Xi∈[0,1] indipendenti: P(∣p^−p∣≥ε)=P(∣S−E[S]∣≥nε)≤2e−2(nε)2/n=2e−2nε2. Si impone ≤δ=0,05:
n≥2ε2ln(2/δ)=2⋅10−4ln40=0,00023,6889=18444,4⇒n=18445.
Chebyshev: Var(p^)=np(1−p)≤4n1, quindi P(∣p^−p∣≥ε)≤4nε21≤δ se n≥4ε2δ1=4⋅10−4⋅0,051=50000. Hoeffding richiede 2,7 volte meno esecuzioni, e la differenza cresce al diminuire di δ: ln(1/δ) contro 1/δ (per δ=10−6 si hanno 72543 esecuzioni contro 2,5×109).
2. n=2000. Errore garantito: 2e−2nε2=0,05⇒ε=2nln40=40003,6889=0,0304. Confidenza con ε=0,03: δ=2e−2⋅2000⋅0,0009=2e−3,6=0,0546, cioè confidenza 94,5%.
3. Errore relativo.μ=np, errore ε=0,1 su μ: Chernoff bilatero semplificato P(∣X−μ∣≥εμ)≤2e−ε2np/3≤0,05 dà
n≥ε2p3ln(2/δ)=0,01⋅0,013⋅3,689=110666⇒n=110667.
Hoeffding garantisce un errore assoluto; l'errore relativo del 10% su p=0,01 è 0,001 assoluto: n≥2⋅10−63,689=1844440, 16,7 volte di più. Per p piccolo Chernoff (che usa la media) è molto più efficiente, perché la varianza p(1−p) è molto minore di 41.
4. Intervallo.p^=184455432=0,2945; con ε=0,01 e confidenza 95%: p∈[0,2845,0,3045].
Controllo per simulazione. Con p=0,3 ed n=18445, su 3000 ripetizioni ∣p^−p∣>0,01 accade nello 0,4% dei casi (approssimazione normale: 0,3%), molto sotto il 5% garantito: Hoeffding è prudente.
Risultato.n=18445 (Hoeffding) contro 50000 (Chebyshev); ε=0,0304 con n=2000; n=110667 per l'errore relativo con Chernoff, 1844440 con Hoeffding.
n=2000.ε=2nln40=0,0304; con ε=0,03: δ=2e−3,6=0,0546.
Errore relativo (p=0,01, ε=0,1). Chernoff 2e−ε2np/3≤δ: n≥ε2p3ln(2/δ)=110667. Hoeffding per lo stesso errore assoluto 0,001: 1844440 (16,7 volte di più): per p piccolo conviene Chernoff.
Intervallo.184455432=0,2945, quindi [0,2845,0,3045] al 95%. Simulazione (p=0,3): errore >0,01 nello 0,4% dei casi (garantito ≤5%).
Errore tipico. Usare Hoeffding per errori relativi con p piccolo: è valido ma richiede molti più campioni.