形式陈述
已知一大批独立样本出现了异常统计结果,再回头看其中几项,它们会像从哪个分布抽出来的?Gibbs 条件化原理把这个问题转为一个最小相对熵问题。
采用有限字母表 ,真实分布 每个分量均正, 为IID 样本公理库独立同分布样本IID sample · Independent and identically distributed sample以乘积分布描述来自同一总体的独立重复观测。,经验向量公理库经验测度Empirical measure · Empirical distribution把有限观测的重复频数编码为原子概率测度。为 。以下 表示采用自然对数的KL 散度公理库KL 散度Kullback–Leibler divergence · Relative entropy同一可测空间上分布 P 相对于 Q 的对数 Radon–Nikodym 导数在 P 下的积分。,即比特版本的 倍。设 为概率单纯形中的闭集,内部按单纯形的相对拓扑理解,满足
再假设 上的最小化者 唯一。则条件于 ,经验向量在该条件概率下趋于 ;对每个固定 ,
上式中固定坐标的联合分布按总变差公理库总变差距离Total variation distance · TV distance两个概率分布对最优可测事件所赋概率之差的最大值。收敛。这里的条件分布由正概率事件上的条件概率公理库条件概率Conditional probability在已知正概率事件发生后,把交集概率重新规范到该事件内部。定义;上面的有限成本与Sanov 下界公理库Sanov 定理Sanov theorem以相对熵刻画 IID 经验测度偏离总体分布的指数成本,有限字母表下可由类型计数推导。保证 对充分大的 成立。 必须保持固定,不能同时取成全部 个样本。
直觉
稀有约束允许很多种经验分布,最小相对熵的那一种花费最少指数成本。给定约束以后,更贵的方案相对概率会指数下降,所以典型条件样本集中在 附近。
对任何包含 的开邻域 ,紧性、连续性和唯一性给出严格成本差
条件概率是分子 除以分母 。Sanov 的上下界分别控制两者,成本差使该比值趋零。给定经验频率后,交换性使前 个坐标相当于从这份频率表无放回抽样。用耦合法公理库耦合法Coupling method · Probability coupling在共同概率空间中构造具有指定边缘的随机变量,并用它们相遇的概率比较分布。把它与有放回抽样比较:先独立均匀抽取 个位置,只要没有重复,两组位置可取成相同;发生重复时,另抽一组均匀无放回位置。共有 对抽样次序,每一对抽到同一位置的概率为 ;由并合界公理库并集界Union bound · Boole 不等式多个坏事件中至少一个发生的概率,不超过各事件概率之和。,至少发生一次位置碰撞的概率至多 ,所以两种值向量的总变差也不超过这个数。固定 时该误差消失,而有限单纯形上的 连续;结合条件经验律集中于 ,便得到所需乘积分布。
例子与边界
原样本为 Bernoulli,条件事件是 ,其中 。二元相对熵在 上唯一最小于 ,内部可以逼近同一成本,所以
原始成功率没有真的被改写;这是知道全样本异常以后,对少量样本作出的条件推断。
精确等式约束需要另外处理,因为它通常没有内部。若 ,条件为 ,其中 是 的整数且 ,则事件有正概率。交换性直接给出(第二式取 )
有限 时两坐标仍相关,整个样本还受到总和约束;只有固定小块渐近独立。若 不是整数,却直接条件于总和等于 ,事件概率为零,普通条件概率没有定义。
唯一性不能省略。对公平硬币,约束成功比例落在 、,有两个对称最小点。条件经验律可能分别集中在两端,少量样本的极限是相应乘积律的混合,不能任选一端作为答案。
推论与应用
线性均值约束下,最小相对熵分布常有指数族形式 ,参数由约束决定。它与 Cramér 倾斜相连,但“约束后看起来像新分布”是一条条件极限定理,不是只写出一个最大熵优化就自动成立。
参考资料