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 定义在共同概率空间,取值于度量空间公理库度量空间Metric space用满足正定性、对称性与三角不等式的实值距离刻画点间远近的空间。 ,速度 且 ,并假设距离误差 可测。若对每个 ,
则称二者在该速度下指数等价。也可以对两族分布公理库概率分布Probability distribution · Law可测空间上总质量为一的测度;随机变量的律是由样本概率推出的一类分布。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 以良速率 满足LDP公理库大偏差原理Large deviation principle · LDP用开集下界和闭集上界刻画概率的指数衰减,区分速率函数、拓扑与精确概率。,且 指数等价,则 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 消失;可原本关心的事件可能只有 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 ,设 ,有
第二项超指数小,第一项使用原 LDP 上界。令 时,良速率的紧性保证 。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 为任意已知具有 LDP 的实值随机量,设 ,其中确定误差 。对每个固定 ,充分大的 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 超过每个固定容差,则在速度 下指数等价,因为 。但在速度 下,这个界只有成本 ,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 , 的概率为 ,其余为零。二者之差依概率趋零,但速度 下 的速率在 为无穷,而 在 的速率为 。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 定理公理库Schilder 定理Schilder theorem在一致路径拓扑下,以平方速度能量刻画小噪声 Brownian 路径的大偏差成本。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