霍夫丁不等式、马尔科夫不等式证明

本文介绍了概率论中两个重要的不等式——马尔科夫不等式与霍夫丁不等式。马尔科夫不等式为理解随机变量的概率上界提供了基础,而霍夫丁不等式则用于评估独立随机变量之和偏离其期望值的概率。这两个不等式对于统计学习理论及概率论的学习都至关重要。
马尔可夫不等式表述为:对于非负随机变量 \(X\) 和任意 \(a>0\),有 \(P(X\geq a)\leq\frac{E(X)}{a}\)。 下面使用示性函数 \(I_A\)(这里可以理解为你所说的 \(1_a\) 函数,通常示性函数 \(I_{\{X\geq a\}}\) 定义为:当 \(X\geq a\) 时,\(I_{\{X\geq a\}} = 1\);当 \(X < a\) 时,\(I_{\{X\geq a\}} = 0\))来证明马尔可夫不等式。 首先,由于 \(X\) 是非负随机变量,对于任意 \(a > 0\),有 \(X\geq aI_{\{X\geq a\}}\)。 对不等式两边同时取期望,根据期望的性质:若 \(Y_1\leq Y_2\),则 \(E(Y_1)\leq E(Y_2)\)。 所以 \(E(X)\geq E(aI_{\{X\geq a\}})\)。 又因为期望的线性性质 \(E(cY)=cE(Y)\)(其中 \(c\) 为常数,\(Y\) 为随机变量),对于 \(E(aI_{\{X\geq a\}})\),这里 \(c = a\),\(Y = I_{\{X\geq a\}}\),则 \(E(aI_{\{X\geq a\}})=aE(I_{\{X\geq a\}})\)。 而根据示性函数的期望定义,\(E(I_{\{X\geq a\}})=P(X\geq a)\)。 所以 \(E(X)\geq aP(X\geq a)\),两边同时除以 \(a\)(因为 \(a>0\)),得到 \(P(X\geq a)\leq\frac{E(X)}{a}\),即证明了马尔可夫不等式。 以下是使用 Python 简单验证马尔可夫不等式的代码示例: ```python import numpy as np # 生成一个非负随机变量样本 np.random.seed(0) X = np.random.exponential(scale=2, size=1000) # 指数分布,非负 a = 5 # 计算 P(X >= a) 的估计值 p_estimate = np.mean(X >= a) # 计算 E(X) 的估计值 e_estimate = np.mean(X) # 计算马尔可夫不等式右边的值 markov_bound = e_estimate / a print(f"P(X >= {a}) 估计值: {p_estimate}") print(f"马尔可夫不等式右边的值: {markov_bound}") print(f"马尔可夫不等式是否成立: {p_estimate <= markov_bound}") ```
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