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高维概率 I · 从真实尾概率到集中不等式
路线:MGF 与常数 → 独立和 → 稀有计数 → 高维薄壳。前置:期望与积分、大数定律、鞅与集中。 做了 32 次试验,观察到一个看起来很极端的结果,它究竟有多罕见?回答需要分清分布模型、有效上界和数值计算。独立性本身不保证指数尾;方差很小也不保证某一种不等式在所有阈值上最好。
学习层:一个概率,为什么有几本不同的账?
1. 先算一个真正有限的例子
令 \(R_i\) 独立地以相同概率取 \(-1,+1\),\(S_n=\sum_{i=1}^nR_i\)。在 \(n=32,t=12\) 时,二项式求和给
同一事件的亚高斯上界却是
两者并不冲突:第一项用了完整离散分布,第二项只用了一个统一的 MGF 证书。上界容许比真实概率大。再保护 \(m=5\) 个事件时,union bound 截断到 \(1\),表示这个界已经不能提供有用的小失败率,不能解释成“失败必然发生”。
现在把独立性去掉,让 \(R_1=\cdots=R_{32}=R\)。此时 \(S_{32}=32R\),同一事件的概率变成 \(1\)。每一个坐标的边缘分布完全没变,改变的是联合分布。
2. 揭示前的五个预测
- 两个分布有相同的 MGF 代理尺度,真实尾概率是否必须相同?
- 重尾分布的 MGF 在一个极小但非零的 \(\lambda\) 上,能否直接当成 \(1\)?
- 所有变量都共用同一个随机量时,和的方差按 \(n\) 还是 \(n^2\) 增长?
- 稀有 Bernoulli 计数中,Bernstein 是否永远比 Hoeffding 紧?
- 将 \(m\) 个事件的概率上界相加,是否需要事件独立?
3. 三种实验
无 JavaScript 时的默认账本。
| 模型与事件 | 分布模型值 | 有效上界或对照 |
|---|---|---|
| 独立 Rademacher,n=32,和的绝对值至少 12 | 0.05010246 | 亚高斯界 0.2107984 |
| 共用同一个 R,其余参数不变 | 1 | 独立公式已不适用 |
| B 服从 Bin(32, 0.01),计数至少 5 | 0.00001607659 | Hoeffding 0.2543866 |
| 同一个二项式事件 | 同上 | Bernstein 0.002783779 |
| 同一个二项式事件 | 同上 | 优化 Chernoff/KL 0.00008040405 |
| 独立 32 维标准 Gaussian,壳厚 t=2 | 0.004324824 | Gaussian 壳界 0.2706706 |
| X=(Z,…,Z),同一维数和壳厚 | 0.6578887 | 不满足上述独立性假设 |
第一场景比较五种中心化模型、全部 MGF 与单变量尾节点,再看独立和与共用变量的和。第二场景保留所有整数 k=0,…,n 的二项式质量和上尾。第三场景用卡方分布计算 Gaussian 壳概率,并保留相关坐标反例。
实验同时列出 \(P\) 和 \(\ln P\)。\(\ln P=-853.55\) 对应极小正概率,转成普通浮点数可能下溢;\(\ln P=-\infty\) 才在这里表示数学上严格为零。MGF 的 \(+\infty\) 表示发散。表格中“不适用”则是另一回事,不能把这些空缺都填成 \(0\)。
解释完实验,再问一个迁移问题:面对实际数据,你知道的是变量范围、真实方差,还是完整分布?能用哪一个界,首先取决于这份信息。
1. Chernoff:先把尾事件变成一个可优化的函数
令 \(X\) 是已中心化的实随机量,\(\Lambda_X(\lambda)=\ln Ee^{\lambda X}\) 是对数矩母函数。对 \(\lambda>0\),指数函数保持大小关系,因此 Markov 不等式给
只能在 MGF 有限的定义域内优化 \(\lambda\)。如果这个期望发散,式子仍形式上给一个无限大上界,却没有提供集中信息。
假设对所有实数 \(\lambda\) 都有
当 \(K_{\rm mgf}>0\) 时,上侧选择 \(\lambda=t/K_{\rm mgf}^2\);下侧对 \(-X\) 重复。得到
\(t=0\) 的事件概率是 \(1\);\(K_{\rm mgf}=0\) 时 \(X=0\) 几乎处处,正阈值事件概率为零,应直接处理,而不是计算 \(0/0\)。有限 MGF 图只是有限个函数读数,不能代替“所有 \(\lambda\)”的假设。
为什么必须中心化?
在零点展开 \(Ee^{\lambda X}=1+\lambda EX+O(\lambda^2)\)。右边的代理包络没有一次项,若要求正负 \(\lambda\) 都满足不等式,就必须有 \(EX=0\)。同理比较二次项给
代理方差可以大于真实方差;不能反过来仅凭有限方差就补上 MGF 不等式。
2. 五个具体模型:同一个“尺度”也有不同尾部
| 中心化模型 | \(Ee^{\lambda X}\) | 方差 | MGF 代理结论 |
|---|---|---|---|
| \(G\sim N(0,1)\) | \(e^{\lambda^2/2}\) | \(1\) | 最优 \(K_{\rm mgf}^2=1\) |
| \(R=\pm1\),各半 | \(\cosh\lambda\) | \(1\) | 最优 \(K_{\rm mgf}^2=1\) |
| \(U\sim\mathrm{Unif}[-1,1]\) | \(\sinh\lambda/\lambda\),零点取 \(1\) | \(1/3\) | 最优 \(K_{\rm mgf}^2=1/3\) |
| Laplace,密度 \(e^{-\sqrt2\lvert x\rvert}/\sqrt2\) | \((1-\lambda^2/2)^{-1}\),仅 \(\lvert\lambda\rvert<\sqrt2\) | \(1\) | 亚指数,非亚高斯 |
| \(P(\lvert H\rvert\ge t)=(1+t)^{-3}\) | 非零 \(\lambda\) 时发散 | \(1\) | 无有限亚高斯代理 |
Rademacher 的尾在 \(t=1\) 仍是 \(1\),在 \(t>1\) 则是 \(0\)。Uniform 的尾为 \((1-t)_+\);Gaussian 的尾永远为正。这已经说明,相同的代理常数没有规定相同的真实尾。
Uniform 的最优常数可以直接证明。比较幂级数:
原因是 \((2k+1)!\ge6^k k!\):从第 \(k\) 项到第 \(k+1\) 项,多乘的 \((2k+3)(2k+2)\) 至少为 \(6(k+1)\)。再用方差下界 \(K_{\rm mgf}^2\ge1/3\),最优性就确定了。若只知道取值范围 \([-1,1]\),Hoeffding 引理会给较宽的 \(K_{\rm mgf}^2=1\);两种常数使用的信息不同。
重尾例子的二阶矩由尾积分给
但其密度是 \(3/[2(1+|x|)^4]\),非零指数权重总会在一侧压倒多项式衰减,所以 MGF 发散。即使 \(\lambda=10^{-15}\) 也不会改变这个结论;数值上的“很接近零”不等于量词中的“等于零”。
3. Hoeffding:范围怎样变成证书?
若 \(X\in[a,b]\),记中心化对数 MGF 为 \(F(\lambda)=\ln Ee^{\lambda(X-EX)}\)。指数倾斜只改变区间内的概率权重,不改变取值范围。求导得到
最后一步可用区间中点验证:方差是 \(E(X-c)^2\) 对常数 \(c\) 的最小值,而取 \(c=(a+b)/2\) 时每个平方都不超过 \((b-a)^2/4\)。二次积分于是给
这里的二阶导数是倾斜分布下的方差;不能只在 \(\lambda=0\) 使用原分布方差后,便宣称整个实轴上的二阶导都一样小。
对独立 \(X_i\),期望的乘积分解才允许
因此
代入 \(K_i=(b_i-a_i)/2\),得到范围形式的 Hoeffding:
这些表达式都可以再与 \(1\) 取最小值。若所有 \(X_i\) 共用同一个中心化 \(X\),实际 MGF 是 \(Ee^{n\lambda X}\),应使用 \(n^2K_{\rm mgf}^2\);独立时才是 \(nK_{\rm mgf}^2\)。
样本量和多事件
独立 \([0,1]\) 变量的样本均值要满足失败率不超过 \(\delta\),充分条件是
若有 \(m\) 个这样的待保护事件,可以用
并集这一步不需要事件独立;每个单事件上界本身仍需要它自己的假设。将 \(p^m\) 当成并集概率会把“全部发生”与“至少一个发生”混淆。
4. Bernstein:把真实方差放进来,但保留适用范围
设独立中心化变量满足 \(|X_i|\le M\),令 \(V=\sum_iEX_i^2\)。对 \(|\lambda|M<3\),展开指数并使用 \(|EX_i^k|\le M^{k-2}EX_i^2\) 与 \(k!\ge2\cdot3^{k-2}\):
上式中二次项乘在几何级数前;它不是额外再加一次二次项。用 \(\ln(1+x)\le x\) 并利用独立性,得到
上侧选择 \(\lambda=t/(V+Mt/3)\),当 \(V>0,t>0\) 时位于允许区间。代回 Chernoff:
两侧合起来多一个因子 \(2\)。若 \(V=0\),所有中心化变量都是零,正偏差事件直接不可能。
小偏差时 \(Mt/3\) 比 \(V\) 小,方差控制主要尺度;大偏差时线性项变重要。这是上界指数的两段行为,不保证真实分布的尾在两段都恰好等于这些指数,更不是有界变量能够越过自身有限支撑。
一个“并非永远更紧”的数值反例
对 \(B\sim\mathrm{Bin}(n,p)\),中心变量 \(Y_i-p\) 可取 \(M=\max(p,1-p)\)、\(V=np(1-p)\)。比较同一个正偏差 \(t\) 的单侧 Hoeffding 和 Bernstein:
在 \(n=32,p=0.01,k=5\) 时 \(t=4.68\),Bernstein 确实紧得多。可是在 \(k=32\) 时,
| 同一事件 \(B\ge32\) | 概率 / 界 |
|---|---|
| 真实值 \(p^{32}\) | \(10^{-64}\) |
| Hoeffding | \(5.731531\times10^{-28}\) |
| Bernstein | \(5.847719\times10^{-21}\) |
此时 Hoeffding 反而更紧。稀有性有价值,但“方差小就永远选 Bernstein”不是正确规则。实际可以对所有已经证明适用的上界取最小值。若 \(p\) 未知,用样本方差代替 \(np(1-p)\) 需要另行证明经验 Bernstein 型结论。
5. 完整 Bernoulli MGF:再利用一层分布信息
二项式模型给
对 \(q=k/n>p\),优化得到
内部最优参数满足 \(e^{\lambda_*}=q(1-p)/[p(1-q)]\)。\(q=1\) 用 \(\lambda\to\infty\) 的极限,界恰好等于 \(p^n\)。\(k\le np\) 时此上尾方法取平凡界 \(1\),不能拿正偏差优化公式随意外推;\(p=0,1\) 则直接处理确定性模型。
实验的“模型尾”来自完整有限和
计算保留每一项的对数,并公开浮点归一化修正量。它不是“无限精度精确值”,但也不是只抽几千次样本之后把未出现事件记成零。独立和的 Rademacher 场景同理使用 \(S_n=2B-n\),按真实的 \(\ge\) 边界选择计入项。
6. 亚高斯范数:统一语言,但不要混淆常数
定义
这是对应的 Orlicz 范数。标准等价定理(此处引用)指出,平方指数矩、Gaussian 型尾与 \(\|X\|_{L^p}\lesssim\sqrt p\) 的增长条件等价到绝对常数;中心化后还等价到全实轴的 MGF 代理条件。这里“等价”不等于各定义的最优常数数值相同。
例如标准 Gaussian 有 \(K_{\rm mgf}=1\),但 \(\|G\|_{\psi_2}=\sqrt{8/3}\);Rademacher 也有 \(K_{\rm mgf}=1\),却有 \(\|R\|_{\psi_2}=1/\sqrt{\ln2}\)。这些由各自的指数平方矩直接解出。
亚指数的 \(\psi_1\) 条件容许指数尾,而不要求全实轴 Gaussian 型 MGF。直接代入定义得
使用 Bernstein 时还需中心化平方。三角不等式与 Jensen 给 \(\|X^2-EX^2\|_{\psi_1}\le2\|X\|_{\psi_2}^2\)。于是独立平方和自然进入亚指数和的集中理论;这里不能漏掉中心化。
7. 高维薄壳:为什么半径约为 \(\sqrt d\)?
若各坐标独立、中心化、方差为 \(1\),则 \(E\|X\|_2^2=d\)。仅有这个期望还不保证薄壳;进一步假设 \(\|X_i\|_{\psi_2}\le K\),引用亚指数和的 Bernstein 定理给
把平方半径翻译回半径时,需要区分两段:
- \(0<t\le\sqrt d\):\(|\|X\|-\sqrt d|\ge t\) 蕴含 \(|\|X\|^2-d|\ge t\sqrt d\)。
- \(t>\sqrt d\):下侧事件已经不可能;上侧蕴含 \(\|X\|^2-d\ge t^2\)。
代入前式并使用 Jensen 给出的 \(K\ge1/\sqrt{\ln2}>1\),两段指数都至少是绝对常数乘 \(t^2/K^4\),可合并为
这才补全了大偏差段;只用一次“开平方 Lipschitz”估计,并不足以自动得到整个 \(t\) 轴上的 Gaussian 指数。厚度 \(O(1)\) 指在 \(K\) 和目标失败率固定时不随维度增大;如果要求失败率 \(\delta\) 越来越小,充分壳厚仍约为 \(CK^2\sqrt{\ln(2/\delta)}\)。
Gaussian 例子:常数明确、概率可计算
对独立 \(G_i\sim N(0,1)\),
在 \(q>1\) 的上侧,或 \(0<q<1\) 的下侧,分别优化正负 \(\lambda\),得到对应单侧界
令 \(q=(1\pm t/\sqrt d)^2\)。用 \(\ln(1+a)\le a\) 和 \(-\ln(1-a)\ge a\),每侧指数至少为 \(t^2/2\),故可使用明确常数的
实验用 \(\chi^2\) 的上下尾算模型概率;此界仍是一个较宽的统一证书。偶数 \(d=2m\) 时,上尾还可以通过有限和检查:
很小的下尾不能总用浮点 \(1-\text{上尾}\) 计算,因此程序分别使用稳定级数与连分式,并保留两侧的对数。
密度与概率质量在哪里不同?
Gaussian 向量的点密度在原点最大,但半径 \(R=\|G\|\) 的密度还乘入球壳面积:
它的众数是 \(\sqrt{d-1}\);\(\sqrt d\) 是平方半径均值的平方根,不是半径均值或众数的精确值。图示径向密度时不应标成“原点附近的点密度”。
再看 \(X=(Z,\ldots,Z)\):每个坐标仍是单位方差 Gaussian,但 \(\|X\|=\sqrt d\,|Z|\),随机起伏也随 \(\sqrt d\) 放大。默认 \(d=32,t=2\) 时,相关模型的壳外概率约 \(0.6579\),远大于独立 Gaussian 的 \(0.004325\)。不是定理失败,而是独立性不成立。
这些集中机制会继续用于协方差估计、随机投影、经验过程和二次型;进入下一页时,仍要逐项检查独立性、中心化、方差或各向同性,以及控制的是一个方向还是所有方向。
8. 完整练习
练习 A:一个常数的两种定义
证明 Uniform 的最优 MGF 代理方差为 \(1/3\),再计算 Rademacher 的 \(\psi_2\) 范数。二者能否直接互换?
展开级数与范数定义
使用前文逐系数比较,得到 \(\sinh\lambda/\lambda\le e^{\lambda^2/6}\)。二次项比较又要求 \(K_{\rm mgf}^2\ge EU^2=1/3\),所以这是最优代理。对 Rademacher,\(R^2=1\),故 \(Ee^{R^2/s^2}=e^{1/s^2}\le2\) 当且仅当 \(s\ge1/\sqrt{\ln2}\)。它与 Rademacher 的 \(K_{\rm mgf}=1\) 不同,不能把 MGF 公式的常数偷偷替换为同名的 Orlicz 范数。
练习 B:错误的独立性代价
在默认 \(n=32,t=12\) 下,分别写出独立 Rademacher 和共用一个 Rademacher 的真实事件。再解释 \(m=5\) 的 union bound 为何是 \(1\)。
展开有限和与并集
独立时 \(S=2B-32\),事件是 \(B\le10\) 或 \(B\ge22\),二项式求和为 \(0.05010246\)。共用时 \(|S|=32\) 恒成立,所以 \(P(|S|\ge12)=1\)。独立 MGF 上界为 \(0.2107984\),乘 \(5\) 得 \(1.053992\),截断成 \(1\);这只是信息不足的上界。共用结构应使用 \(n^2K^2\),不能保留错误的独立证书。
练习 C:何时该换一个界?
对 \(n=32,p=0.01\),计算 Bernstein 比 Hoeffding 更紧的偏差范围。检查 \(k=5\) 与 \(k=32\),并说明后者的 KL 界。
展开三个指数
\(V=0.3168,M=0.99\),条件为 \(t<3(8-0.3168)/0.99\simeq23.28242\)。\(k=5\) 给 \(t=4.68\),位于该范围;\(k=32\) 给 \(t=31.68\),不在其中。后者真实事件要求全部成功,概率为 \(p^{32}=10^{-64}\)。\(q=1\) 时 \(D(1\|p)=\ln(1/p)\),因此优化 Chernoff 界也恰好等于 \(p^{32}\)。这里用到了完整分布信息,不是说任何有限方差模型都能得到这个答案。
练习 D:薄壳、相关性和极小概率
为什么 Rademacher 向量的范数无波动,而共用一个 Gaussian 的向量不集中在固定厚度的壳中?若程序给 \(\ln P=-853.55\),概率输出为 \(0\),该怎样写实验结论?
展开范数与数值边界
Rademacher 每个平方恒为 \(1\),所以范数恒为 \(\sqrt d\);正壳厚的壳外事件严格不可能。共用 Gaussian 的范数为 \(\sqrt d|Z|\),坐标并不独立,波动尺度随 \(\sqrt d\) 增大。有限的 \(\ln P=-853.55\) 对应正概率 \(e^{-853.55}\),普通双精度指数运算下溢才输出 \(0\);应报告对数概率和下溢状态,不能声称已经证明概率等于零。
继续阅读:Vershynin 的高维概率教材入口(第二版)、作者公开讲义 §1.1–1.4:亚高斯、亚指数与和的集中。本页各具体模型、常数计算、有限计数例子和实验按上述假设逐步推导;讲义中的绝对常数结论与这里的显式模型常数分别标明。