Skip to content

定理Theorem

Cramér 大偏差定理

Cramer theorem for large deviations

以指数倾斜补足 Chernoff 上界,得到 IID 样本均值的完整大偏差速率。

形式陈述 ​

Chernoff 方法给出指数上界,但它是否已经抓住真实概率的指数阶?Cramér 定理的新增内容,是在合适指数矩条件下补出匹配的下界。

设实随机变量 X1,X2,… 组成独立同分布样本,X―n=n−1∑iXi。令

Λ(θ)=log⁡EeθX1,I(x)=supθ∈R{θx−Λ(θ)}.

若矩母函数在零的某个开邻域内有限,则 X―n 在 R 上以速度 n、良速率函数 I 满足大偏差原理。这里 I 是 Λ 的凸共轭,采用实直线上的通常乘积配对。允许其他参数处 Λ(θ)=∞,这些参数不参与有限值优化。所有对数均为自然对数。

直觉

指数上界惩罚异常值;下界则换一个抽样规律,让原来的异常值成为新规律的平均值。然后计算从新规律换回原规律所付出的似然比,便看到这个异常事件确实需要、也只需要大约 nI(x) 的指数成本。

若某个内点参数 θ 满足 Λ′(θ)=x,定义倾斜分布

dPθ(y)=eθy−Λ(θ)dP(y).

在该分布下,零附近的指数矩为 eΛ(θ+t)−Λ(θ),因而一阶绝对矩有限、平均值为 x。对倾斜后的 IID 样本使用强大数定律,得到 Pθ(|X―n−x|<δ)→1。换回原分布,在该事件上有

P(|X―n−x|<δ)≥e−n(θx−Λ(θ)+|θ|δ)Pθ(|X―n−x|<δ).

取对数、除以 n,再让 δ↓0,得到局部下界。一般边界点或不能直接表示为导数的点,需要凸性与截断逼近来完成证明;不能在矩母函数域外随意解导数方程。上界由Chernoff 方法、有限覆盖与指数紧性给出。

例子与边界

令 Xi∼Bernoulli(p),0<p<1。则 Λ(θ)=log⁡(1−p+peθ)。对 0<q<1,令导数等于 q,得到

eθq=q(1−p)p(1−q),I(q)=qlog⁡qp+(1−q)log⁡1−q1−p=D(q‖p).

倾斜后的 Pθq 恰为 Bernoulli(q)。因此在原来的 Bernoulli(p) 世界里稀有的“平均值接近 q”,在新世界里以概率趋于一发生。上面的似然比下界把它带回去,证明相对熵不只是某个方便的上界指数,而是实际的大偏差成本。

在 q=1,事件“所有样本都为一”概率为 pn,直接给出 I(1)=−log⁡p;q=0 同理得到 −log⁡(1−p)。区间外不可能发生,速率为 ∞。不能把趋于无穷的倾斜参数当作有限数代回导数式来跳过端点检查。

对 p<q<1,I 在 [q,1] 上的最小值为 I(q),而开尾 (q,1] 可由靠近 q 的点逼近。因此 LDP 的上下界合拢,得到 n−1log⁡P(X―n≥q)→−D(q‖p)。但单点 {q} 可能因 nq 不是整数而概率为零,所以不能照抄尾事件的等式。

若服务时长或损失具有正则变化重尾,虽可能有有限方差,却没有零附近的有限正指数矩,本定理的假设不满足。对于固定项数的独立非负和,次指数分布以卷积尾等价精确表达“一次大跳”机制;要再让项数随门槛增长,需要额外的统一控制。中央极限定理成立并不能替代这里的指数矩条件。

推论与应用

指数倾斜也能用于稀有事件仿真,但必须保留似然比才能无偏地估计原概率。若研究非 IID 序列,可尝试Gärtner–Ellis 定理;仅存在极限对数矩母函数时,匹配下界仍需要额外的光滑性与边界条件。

参考资料
关系图谱23 个相邻概念 · 2 类关系

拖动节点调整位置。

显示关系

显示:依赖

  1. 前置三跳
  2. 前置二跳
  3. 前置一跳
  4. 当前条目
  5. 后续一跳
  6. 后续二跳
  7. 后续三跳
文字版关系按与当前条目的最短距离分组
类型化关系