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定理Theorem

Dvoretzky–Kiefer–Wolfowitz 不等式

Dvoretzky-Kiefer-Wolfowitz inequality · DKW inequality · DKW-Massart inequality

经验分布函数在全部实数阈值上的最大误差具有统一有限样本指数界,可直接形成整条分布函数的置信带。

形式陈述 ​

一个阈值处的样本比例容易控制;若阈值看完数据后再挑,怎样仍有共同保证?设 n≥1,X1,…,Xn 为实值独立同分布样本,总体分布函数为 F,经验分布函数为

Fn(x)=1n∑i=1n1{Xi≤x}.

Dvoretzky–Kiefer–Wolfowitz 不等式的 Massart 常数版本为

P(supx∈R|Fn(x)−F(x)|>ε)≤2e−2nε2,ε>0.

它对每个有限样本量成立,允许 F 离散或有原子。右端超过一时当然可再取与一的较小值。对给定 α∈(0,1),令

εn,α=log⁡(2/α)2n,

便有概率至少 1−α,同时对全部 x 成立

max{0,Fn(x)−εn,α}≤F(x)≤min{1,Fn(x)+εn,α}.

这是整条 CDF 的同时置信带,不是一串分别有 1−α 覆盖率的点态区间。

直觉

所有半直线 (−∞,x] 都按包含关系排成一条链。一个观测随阈值增大只会被纳入一次,所以各阈值上的误差高度相关,不是无穷多个互不相干的估计问题。

对固定 x,Hoeffding 不等式已经给出同样的指数尺度。但不能对不可数多个 x 直接取并集界,也不能对所有样本阶跃分别取界后还保留前因子二。尖锐结果利用这条嵌套链的鞅结构,一次控制所有可能越界的位置。

例子与边界

二百个样本的一条共同带 ​

若 n=200,α=0.05,则

ε200,0.05=log⁡40400≈0.0960.

例如某阈值处 Fn(x)=0.70,带给 F(x)∈[0.6040,0.7960];但更重要的是,这次概率保证同时覆盖所有其他阈值。看过数据后选一个感兴趣的阈值,并不会额外花掉一份错误概率,因为它已经在上确界事件里。

要让这条 95% 同时带的半宽不超过 0.02,充分样本量为

n≥log⁡402(0.02)2,

即至少 4612 个独立同分布观测。半宽缩小一半,需要的样本量约增为四倍。

离散总体仍有界,相关样本却不能直接套 ​

即使 X 只取零和一,定理仍成立;经验 CDF 的有效阈值更少,只可能让通用界保守。

若所有观测都复制同一个 Bernoulli 变量,虽然每个边缘相同,样本却不独立。取 F(0)=1/2,则 |Fn(0)−F(0)|=1/2 对所有 n 成立,不会随样本量缩小。把重复读数误当独立样本,会与 DKW 的指数衰减结论直接冲突。

推论与应用

第一步:化为均匀样本 ​

取独立 Ui∼Unif(0,1),用广义逆构造 Xi=F←(Ui)。若 Gn 是均匀样本的经验 CDF,则同时对全部 x 有 Fn(x)=Gn(F(x)),所以

supx|Fn(x)−F(x)|≤sup0≤t≤1|Gn(t)−t|.

连续 F 给出同分布的等号版本;有跳跃时只需要这条不等式。因此以下证明可集中在均匀样本上。

第二步:把全部上越界放进一条反向鞅 ​

只须考虑 0<ε<1。令 i∗=⌊nε⌋+1、ui=i/n−ε,并设

Ni=∑j=1n1{Uj<ui},i∗≤i≤n.

经验阶梯的上越界发生当且仅当某个 U(i)<i/n−ε,也就是某个 Ni≥i。固定 λ>0,定义

Mi=(1+λ/ui)Ni(1+λ)n.

EMi=1。给定较大阈值 ui+1 下的点数,更小阈值下的点数服从参数 ui/ui+1 的二项稀疏化,因此

E(Mi∣Ni+1,…,Nn)=Mi+1.

按 i 递减读取,这就是非负鞅。由Doob 最大不等式,可一次界住任意位置的 Mi 越界概率。

具体地,记

g(x,λ)=nlog⁡(1+λ)−xlog⁡(1+λx/n−ε),i∗≤x≤n.

在事件 Ni≥i 上,Mi≥e−g(i,λ)。若 Q=P(supt[Gn(t)−t]>ε),最大不等式与放宽整数位置给

log⁡Q≤infλ>0maxx∈[i∗,n]g(x,λ).

这一步没有对 n 个位置求概率和,所以没有额外的 n 因子。

第三步:同一个指数参数如何照顾最坏阈值 ​

这里用 Sion 极小极大定理的一维形式:若 x 遍历紧区间,λ 遍历凸区间,连续函数对 x 准凹、对 λ 准凸,则可交换 infλmaxx 与 maxxinfλ。在一维,“准凹”可理解为上水平集是区间,“准凸”则是下水平集是区间。

对当前 g,∂λg 的符号等于 (n−x)λ−nε 的符号,因此关于 λ 先降后升(x=n 时一直下降),确实准凸。

准凹性也可直接核验。设 e=nε,ℓ=nλ,y=x−e>0,则除去与 x 无关的项,

h(y)=(y+e)log⁡yy+ℓ,h″(y)=−ℓ[(2e−ℓ)y+eℓ]y2(y+ℓ)2.

若 ℓ≤2e,h″≤0,函数凹。若 ℓ>2e,h″ 先负后正,h′ 从正无穷下降,再从负值上升趋零,因此 h 先升后降,上水平集仍是区间。极小极大交换的条件成立。

对固定 x<n,最小值在 λ=nε/(n−x) 取得;x=n 时令 λ→∞。代回得到

infλ>0g(x,λ)=−nd(x/n‖x/n−ε),

其中 d(a‖b)=alog⁡(a/b)+(1−a)log(1−a)/(1−b) 是两个 Bernoulli 分布之间以自然对数计算的KL 散度,本段的 log 均为自然对数。固定 b,该函数在 a=b 处值与一阶导数都为零,二阶导数 1/[a(1−a)]≥4,所以 d(a‖b)≥2(a−b)2。于是 log⁡Q≤−2nε2。

对均匀样本作反射 Ui↦1−Ui,下越界具有相同的概率界。最后只对“上越界”与“下越界”这两个事件取并集界,就得到前因子二。

一次反演得到多处分位保证 ​

在共同带事件上,对 0<p−ε<p+ε<1,有

Fn←(p−ε)≤F←(p)≤Fn←(p+ε).

若概率索引越过零或一,分别使用 −∞、+∞ 作为外端点。n=200 的上述带对中位数给出 [X(81),X(120)];同一事件还同时约束其他分位数。若只关心一个预先指定的分位,精确二项秩区间通常能更有针对性地使用错误概率。

参考资料
关系图谱17 个相邻概念 · 2 类关系

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