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定义Definition

指数等价

Exponential equivalence

当两种表示之间的固定误差概率超指数消失时,把良速率大偏差原理从一种表示转给另一种。

形式陈述 ​

数值近似、插值或小修正通常会改变随机量。误差需要小到什么程度,才能连稀有事件的指数成本也不改变?

设 Xn,Yn 定义在共同概率空间,取值于度量空间 (E,d),速度 an>0 且 an→∞,并假设距离误差 d(Xn,Yn) 可测。若对每个 δ>0,

lim supn1anlog⁡P(d(Xn,Yn)>δ)=−∞,

则称二者在该速度下指数等价。也可以对两族分布寻找满足该条件的耦合,而不要求原来就用同一组随机数生成。

在上述度量空间中,若 Xn 以良速率 I 满足LDP,且 Xn,Yn 指数等价,则 Yn 具有相同速度、相同良速率的 LDP。可分度量空间上的 Borel 随机变量自动满足上述距离可测性;一般值域则应明确核验它。

直觉

仅依概率接近,允许误差事件以 1/n 消失;可原本关心的事件可能只有 e−n 大,近似误差反而完全覆盖了它。指数等价要求任意固定容差的失败概率比每个有限指数成本都更小,因此不会在原有大偏差尺度上制造新的实现路线。

对非空闭集 F,设 Fδ={x:d(x,F)≤δ},有

P(Yn∈F)≤P(Xn∈Fδ)+P(d(Xn,Yn)>δ).

第二项超指数小,第一项使用原 LDP 上界。令 δ↓0 时,良速率的紧性保证 infFδI→infFI。下界则在输出开集内部选一个带正距离余量的小球,减去误差事件,再使用原 LDP 下界。紧性与开集余量分别防止最优点逃逸和边界误差。

例子与边界

令 Xn 为任意已知具有 LDP 的实值随机量,设 Yn=Xn+rn,其中确定误差 |rn|≤1/n。对每个固定 δ>0,充分大的 n 后误差概率恰为零,所以两者在任何速度下指数等价。这个例子常用于去掉取整误差,而不需要估计额外随机尾部。

更一般地,若误差以概率至多 e−n2 超过每个固定容差,则在速度 n 下指数等价,因为 n−1log⁡e−n2=−n→−∞。但在速度 n2 下,这个界只有成本 1,尚不足以证明指数等价。定义始终与速度绑定。

普通概率收敛不足的反例很直接:取 Xn≡0,Yn=1 的概率为 e−n,其余为零。二者之差依概率趋零,但速度 n 下 Xn 的速率在 1 为无穷,而 Yn 在 1 的速率为 1。误差事件本身成为新的一条有限成本路线。

“指数等价”也不意味着二者有限样本分布相同,或期望差小。极罕见却极大的数值仍可能改变无界函数的期望。结论只保留指定拓扑和速度下的 LDP。

推论与应用

路径大偏差常先对网格上的分段线性近似证明有限维结论,再控制路径与插值之间的最大误差。若需要网格逐渐加密,通常使用两重极限的“指数好逼近”,它比本页的一对序列版本多一个逼近参数。Schilder 定理正体现了这种从有限网格到整条路径的证明思路。

参考资料
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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