Esercizio - urne vuote e disuguaglianza delle differenze limitate
Teoria: 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 → (differenze limitate, Azuma-Hoeffding) e 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 →.
Testo. Si lanciano palline in urne, ognuna scelta uniformemente e indipendentemente. è il numero di urne vuote.
- Calcolare e .
- Mostrare che spostare una sola pallina cambia al più di .
- Limitare per con Azuma, con McDiarmid e con Chebyshev.
- Confrontare con una simulazione.
Soluzione
1. Media e varianza. , con se l'urna è vuota. e per (nessuna pallina in due urne fissate). Allora Qui le non sono indipendenti (covarianza ): la formula tiene conto delle coppie. Controllo con enumerazione per : e , che coincide con la formula ().
2. Differenze limitate. è funzione delle posizioni delle palline, indipendenti. Si sposta la pallina dall'urna all'urna . L'urna diventa vuota solo se era la sua unica pallina ( aumenta di ); l'urna smette di essere vuota solo se lo era prima ( diminuisce di ); le altre urne non cambiano. Le due variazioni insieme danno , o . Quindi (verificato per enumerazione per : la differenza massima è ).
3. Limiti. Con :
- Azuma-Hoeffding (martingala): .
- McDiarmid (variabili indipendenti): .
- Chebyshev con la varianza esatta: .
| Azuma | McDiarmid | Chebyshev | |
|---|---|---|---|
Per i due limiti esponenziali battono Chebyshev di ordini di grandezza; per e Azuma è peggiore di Chebyshev. Il vantaggio di Azuma e McDiarmid è che non richiedono di calcolare la varianza (qui servono le coppie di urne); il loro difetto è che la costante è pessimista rispetto allo scostamento vero (, mentre McDiarmid ragiona come se fosse ).
4. Simulazione. Su lanci: media , varianza (teoria e ), scarto massimo da pari a e . Nessuna prova arriva a , in accordo con tutti i limiti (che sono validi ma non stretti: la vera coda è circa gaussiana, con ).
Risultato. , , ; per : Azuma , McDiarmid , Chebyshev .
Verifica.
import math
import numpy as np
from itertools import product
from fractions import Fraction as F
n = m = 1000
q1 = (1 - 1 / n)**m; q2 = (1 - 2 / n)**m
E = n * q1; V = n * q1 * (1 - q1) + n * (n - 1) * (q2 - q1 * q1)
print(E, V) # 367.7 97.23
for t in (50, 100, 150):
print(t, 2 * math.exp(-t * t / (2 * m)), 2 * math.exp(-2 * t * t / m), V / t**2)
# controllo di c_i = 1 e di media/varianza per n = m = 4
vuote = lambda t: 4 - len(set(t))
vals = [vuote(t) for t in product(range(4), repeat=4)]
diff = max(abs(vuote(t[:i] + (b,) + t[i + 1:]) - vuote(t)) for t in product(range(4), repeat=4) for i in range(4) for b in range(4))
E4 = F(sum(vals), len(vals)); print(diff, E4, F(sum(v * v for v in vals), len(vals)) - E4**2) # 1 81/64 1695/4096
rng = np.random.default_rng(5)
Z = np.array([(np.bincount(rng.integers(0, n, size=m), minlength=n) == 0).sum() for _ in range(20000)])
print(Z.mean(), Z.var(), np.abs(Z - E).max(), np.mean(np.abs(Z - E) >= 30))Versione ripasso
Momenti. , , : , , . Controllo : e .
Differenze limitate. Spostare una pallina cambia al più di : , (verificato per ) (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 →).
Limiti per . Azuma ; McDiarmid ; Chebyshev .
- : , ,
- : , ,
- : , ,
Simulazione ( lanci). Media , varianza , scarto massimo : limiti validi ma larghi (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 →).
Errore tipico. Trattare le come indipendenti: non lo sono, e la varianza ha il termine di covarianza negativo.