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定义Definition

次指数分布

Subexponential distribution · Principle of a single big jump

次指数重尾的固定有限和超过高门槛时,主要由一个分量单独超过门槛造成,其和尾渐近为单项尾的项数倍。

形式陈述 ​

两个非负量的和特别大时,究竟是两者一起偏大,还是其中一个极大?设 F 是 [0,∞) 上的概率分布,且 F―(x)=1−F(x)>0 对每个有限 x 成立。若

F∗F―(x)F―(x)⟶2,x→∞,

则称 F 为次指数分布,记作 F∈S。这里 F∗F 是两个独立同分布变量之和的卷积分布,横线表示整个卷积分布的尾,不是尾函数的普通卷积。

等价地,对 X,Y 独立且同分布为 F,

P(X+Y>x)∼P(max(X,Y)>x)∼2F―(x).

该性质还能推广到每个固定正整数 m:

P(X1+⋯+Xm>x)∼mF―(x).

“固定”很重要。若项数随门槛增长,需要另外的统一条件,不能直接把 m 换成任意 m(x)。

直觉

只要其中一项超过门槛,非负的和就一定超过门槛。两个变量各自超过的事件提供约 2F―(x) 的概率。次指数性说:剩下那种“两项都没超过,却合力越过”的机制,相比之下可以忽略。

因此它研究的是大和事件的成因,而不仅是尾部看起来“下降得慢”。在浓缩不等式中,sub-exponential 有时另指具有指数型尾上界的随机变量类;那是不同术语约定。本页的卷积尾等价属于重尾理论,精确指数分布反而不满足它。

例子与边界

幂尾为何只需一次大跳 ​

设 F―∈RV−α,α>0。由独立性,

P(X+Y>x)≥P(max(X,Y)>x)=2F―(x)−F―(x)2.

为得到匹配上界,固定 0<ε<1/2。若 X+Y>x,要么至少一项超过 (1−ε)x,要么两项都超过 εx。因此

P(X+Y>x)≤2F―((1−ε)x)+F―(εx)2.

除以 F―(x),正则变化使第二项趋零,第一项趋于 2(1−ε)−α。先让 x→∞,再让 ε↓0,上、下极限都变成二。

这里的次序不能反过来:固定 ε 时才可以使用固定倍率的尾比值极限。证明既覆盖精确 Pareto,也覆盖带慢变化修正的全部正则变化尾。

指数尾给出完全不同的答案 ​

若 X,Y 独立服从率一的指数分布,卷积密度为 se−s,所以

P(X+Y>x)=e−x(1+x),P(X+Y>x)P(X>x)=1+x→∞.

而最大值尾只有约 2e−x。此时很多不同的分配方式都能让和超过 x,不能仅保留单项直接越界的两个事件。于是

P(max(X,Y)>x∣X+Y>x)→0,

正好与次指数分布的极限一相反。

推论与应用

“一大跳”是一个条件概率结论 ​

因为 {max(X,Y)>x}⊆{X+Y>x},次指数性等价于

P(max(X,Y)>x∣X+Y>x)→1.

同时两项都超过门槛的条件概率趋零,因为 F―(x)2/F∗F―(x)→0。因此在极大的和事件里,通常恰有一个分量独自越过门槛。它并未说另一项必为零,也未说对普通大小的和有同样规律。

固定多项与中部误差 ​

对正则变化尾,上面的分割可直接推广。m=1 时结论直接成立;以下固定 m≥2。若 m 项的和超过 x,但没有单项超过 (1−ε)x,则至少两个分量超过 cm,εx,其中可以取

cm,ε=min{1/m,ε/(m−1)}.

对有限多个成对事件使用并集界,其概率至多 (m2)F―(cm,εx)2=o(F―(x))。配合最大值下界,就得到 mF―(x)。

一般的次指数类不一定正则变化。它仍有固定卷积次幂的尾等价;证明把卷积拆为两端与中部,先由次指数性取得对有限平移不敏感的长尾性质,再控制两项同时离开端部的余量,归纳得到每个固定项数。正则变化例子的固定倍率分割给出了这一机制最透明的版本。

为什么不能任意增加项数 ​

取精确 Pareto 尾 P(X>x)=x−2,x≥1,并让 m(x)=⌈x3⌉。由于每项至少为一,和必然超过 x,其概率等于一;但 m(x)F―(x)∼x→∞,已经不可能是概率近似。

即使 m(x)F―(x) 很小,也还可能需要控制均值积累与多项共同偏移,不能仅凭这个反例的反面就宣称公式成立。Cramér 大偏差定理研究有正指数矩时随项数增长的另一种机制;把固定和的重尾结论直接拿来代替它,会混淆两个极限问题。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 2 类关系

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