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Markov 和 Chebyshev 不等式

2023-08-23 10:16 作者:樂吧的數(shù)學  | 我要投稿

這篇小文章講一下概率中的幾個界,也就是幾個不等式。是為了給后面通信中的一些理論提供基礎,例如極化碼中極化特性的推導,需要用到 Chernoff-Hoeffding 不等式。


我們先講講這些界的出發(fā)點,即馬爾可夫不等式 (Markov Inequality).


X 是一個非負的隨機變量,均值是?%5Cmu , 那么 %5Cforall%20a%20%3E%200:

P(X%5Cge%20a)%20%5Cle%20%5Cfrac%7B%5Cmu%7D%7Ba%7D%20%5Ctag%201

證明:

%5Cmu%20%3D%20E(X)%20%3D%20%5Cint_0%5E%7B%2B%5Cinfty%7D%20xF_X(x)dx%20%3D%20%5Cint_0%5Ea%20xF_X(x)dx%20%2B%20%5Cint_a%5E%7B%2B%5Cinfty%7D%20xF_X(x)dx%20%5Cge%0A%0A%5Cint_a%5E%7B%2B%5Cinfty%7D%20xF_X(x)dx%20%20%5C%5C%0A%0A%5Cge%20%5Cint_a%5E%7B%2B%5Cinfty%7D%20aF_X(x)dx%20%3D%20a%20%20%5Cint_a%5E%7B%2B%5Cinfty%7D%20F_X(x)dx%20%3D%20a%20P(X%5Cge%20a)%20%20%5Ctag%202

簡單整理后得到公式 (1).




如果再知道方差,那么我們可以得到更好的估計(Chebyshev 不等式):

P(%7CX-%5Cmu%7C%5Cge%20a)%20%5Cle%20%5Cfrac%7B%5Csigma%5E2%7D%7Ba%5E2%7D%20%5Ctag%203

其中 %5Csigma%5E2?是隨機變量 X 的方差。


證明:


構建一個新的隨機變量

Y%20%3D%20(X-%5Cmu)%5E2


則根據(jù)方差的定義

E(Y)%20%3D%20E%5B(X-%5Cmu)%5E2%5D%20%3D%20%5Csigma%5E2


使用 Markov 不等式:

P(Y%5Cge%20a%5E2)%20%5Cle%20%5Cfrac%7BE(Y)%7D%7Ba%5E2%7D%20%3D%20%5Cfrac%7B%5Csigma%5E2%7D%7Ba%5E2%7D


則:

P(%7CX-%5Cmu%7C%5Cge%20a)%20%3D%20P((X-%5Cmu)%5E2%20%5Cge%20a%5E2)%20%3D%20P(Y%5Cge%20a%5E2)%20%5Cle%20%5Cfrac%7B%5Csigma%5E2%7D%7Ba%5E2%7D

注意:

? ? ? 在公式 (3) 中,不需要有 X%3E0 這個條件。


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