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定义Definition

检验鞅与 e-process

Test martingale · Test supermartingale · e-process · 检验上鞅

区分固定时刻的 e 值与可在停时读取的证据过程,并用非负检验上鞅构造随时有效检验。

形式陈述 ​

固定一个统计检验问题,零假设 H0 是一族数据生成分布,所有过程使用共同的滤过 (Ft)。以下对象承担不同层次的保证。

**e 值(e-value)**是非负随机变量 E,满足

supP∈H0EPE≤1.

它是一份在指定抽样规则下校准的静态证据。检验鞅是初值 M0=1、在每个 P∈H0 下均为非负鞅的过程;把条件期望等式换成 EP[Mt∣Ft−1]≤Mt−1,得到检验上鞅。

本页采用有限停时版本的 e-process 定义:非负适应过程 (Et)t≥0 对每个 P∈H0 和每个在 P 下几乎必然有限的停时 τ,都满足

EPEτ≤1.

确定时刻也是停时,因而 e-process 的每个 Et 都是 e 值,反向推论不成立。检验上鞅是 e-process 的一个充分构造:对 τ∧N 使用有界停止,再利用非负性和 Fatou 引理,即有 EPMτ≤1。一般 e-process 不必自身满足上鞅的逐步条件期望不等式。

直觉

e 值像一次下注后的财富,零模型下平均不超过一元。e-process 的承诺更强:读者可以根据已经看到的历史决定何时结算,平均预算仍不超过一元。检验上鞅通过每一步都遵守预算实现这一承诺,e-process 则直接要求所有合法结算规则都有效。

较大的财富表示零模型很难经常支付这样的回报。它不是零假设的后验概率,也不是把普通 p 值重新命名。一个 e 值等于 20,通过 Markov 界给出相应拒绝规则的错误上限 1/20;它不表示零假设有 5% 的概率为真。

从条件公平到可预测投注 ​

检验 H0:p=p0,其中 0<p0<1,并假设给定 Ft−1 后 Xt 服从 Bernoulli(p0)。在看见 Xt 之前选择 Ft−1 可测的 qt∈[0,1],定义

Bt={qt/p0,Xt=1,(1−qt)/(1−p0),Xt=0,Mt=∏i=1tBi,M0=1.

这是按历史选择备择成功率后得到的条件似然比。由于

E[Bt∣Ft−1]=p0qtp0+(1−p0)1−qt1−p0=1,

乘上已知的 Mt−1 就证明了鞅性质。qt 可以随过去变化,但不能取看见当前结果才确定的 qt=Xt;后者让单步因子的条件期望变成 2。分段写法也明确允许 qt=0 或 1,无需给 00 另作约定。

例子与边界

一条会回落的证据路径 ​

取 p0=1/2、始终 qt=3/4。成功乘 1.5,失败乘 0.5。对数据 1,1,1,1,0,财富为

t 0 1 2 3 4 5
Mt 1 1.5 2.25 3.375 5.0625 2.53125

设 α=0.2,阈值为 5。第四次观测触发拒绝;第五次的回落不撤销“曾经越界”的事实。预先定义的拒绝事件是整条路径是否越界,而不是最后一次显示的财富是否仍然足够高。

两个不能混淆的反例 ​

令 Yt 独立地以各一半概率取 0 或 2。每个固定时刻 Yt 都是 e 值;然而首次出现 2 的停时几乎必然有限,在该时刻读到的值恒为 2。所以这串 e 值不是 e-process,其最终越过 2 的概率为一。

反过来,确定性过程 E0=1,E1=0,Et=1(t≥2)在每个停时的取值都不超过一,因而是 e-process,但从第一步到第二步条件均值从零升到一,不是上鞅。它说明检验上鞅是易于验证的结构条件,而非 e-process 的另一种名称。

复合均值零假设 ​

设零假设包含所有满足 Xt∈[0,1] 和 E[Xt∣Ft−1]≤p0 的过程,其中 0<p0<1。对可预测的 λt∈[0,1/p0],取

Bt=1+λt(Xt−p0).

下界 Bt≥1−λtp0≥0,且条件均值不超过一,所以乘积给出在整个复合零假设下共同有效的检验上鞅。若允许负 λt,条件均值的不等号会反向,原来的单侧零假设就不够用了。

把一串 e 值连乘时,真正需要检查的是每个新因子给定历史的条件均值预算。若在每个零假设分布下,新因子都独立于当前历史,其条件均值就等于不超过一的边际均值;相互独立的 e 值配合由已观察因子生成的自然滤过,是满足这一要求的例子。若历史还包含其他信息,则仍须相对于这份完整历史检查条件预算,不能只凭因子之间相互独立便下结论。各自边际均值不超过一而可能依赖时,也不能直接连乘;用同一数据重复计算几个 e 值尤其如此。

推论与应用

Ville 不等式给检验上鞅以无限时间越界界。对一般 e-process,同样令 τ 为首次达到 1/α 的时刻;在有界停时 τ∧N 上,

1≥EPEτ∧N≥α−1P(τ≤N).

令 N→∞ 即得对每个 P∈H0 都有 P(∃t:Et≥1/α)≤α。因此

pt=min{1,1max0≤s≤tEs}

是随时有效的 p 值过程(最大值为零时把倒数视为无穷大)。它记录历史最强证据;运行最大值本身通常不是 e-process,因为它保留收益而抹去亏损,未必还有均值一的预算。

混合序贯边界把许多合法策略按固定概率权重平均,得到无需预先押中单一备择的新过程。对每个候选参数分别构造这样的证据,再保留尚未被拒绝的候选值,就得到置信序列。这一步把证据过程转成整条时间轴上的参数不确定性。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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