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Note per Studenti Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzata

Momenti e deviazioni - Markov, Chebyshev e mediana randomizzata

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Il valore atteso dice dove sta una variabile aleatoria, non quanto se ne allontana. Qui si usano il secondo momento e la varianza per limitare le code, cioè la probabilità di scostarsi dalla media, e si applicano a un algoritmo (la mediana). Prerequisiti: Linearità del valore atteso e variabili indicatriciLa linearità $E[X+Y]=E[X]+E[Y]$ vale sempre, anche senza indipendenza; con le variabili indicatrici ($E[I_A]=P(A)$) trasforma un conteggio in una somma di probabilità. Applicazioni: attesa del primo successo $1/p$, collezionista di figurine $nH_n$, punti fissi di una permutazione (media $1$), record (media $H_n$), inversioni ($n(n-1)/4$), attesa condizionata, identità di Wald $E[S_N]=E[N]E[X]$.Linearità del valore atteso e variabili indicatrici →, Valore attesoIl valore atteso E[X] = Σ x p_X(x) è la media dei valori di X pesata con le loro probabilità (esiste se la serie converge assolutamente); per una funzione g vale E[g(X)] = Σ g(x) p_X(x) senza trovare la legge di g(X), ed E è lineare: E[aX + bY + c] = aE[X] + bE[Y] + c.Valore atteso →, Varianza e momentiI momenti E[X^k] e i momenti centrati E[(X − μ)^k] descrivono la forma di una legge; la varianza Var(X) = E[(X − μ)²] = E[X²] − E[X]² misura quanto X si disperde attorno alla media, vale Var(aX + b) = a² Var(X) e Var(X) = 0 solo se X è costante.Varianza e momenti →, Indipendenza di eventiA e B sono indipendenti se P(A ∩ B) = P(A) P(B), cioè se sapere che uno si è verificato non cambia la probabilità dell'altro; l'indipendenza passa ai complementari, non va confusa con l'incompatibilità, e per più eventi va richiesta su ogni sottofamiglia.Indipendenza di eventi →. Il passo successivo, con code esponenziali, è Limiti di Chernoff e di HoeffdingMarkov applicato a e^(tX) dà code esponenziali. Per somme di Bernoulli indipendenti con media μ: P(X ≥ (1+δ)μ) ≤ [e^δ/(1+δ)^(1+δ)]^μ ≤ e^(-δ²μ/3) per 0<δ≤1, P(X ≤ (1-δ)μ) ≤ e^(-δ²μ/2), P(X ≥ R) ≤ 2^(-R) se R ≥ 6μ. Hoeffding per X_i in [a_i,b_i]: P(|S-E[S]| ≥ t) ≤ 2exp(-2t²/Σ(b_i-a_i)²). Applicazioni: n ≥ ln(2/δ)/(2ε²) campioni per stimare una probabilità, amplificazione BPP con k = O(log 1/ε) ripetizioni, bilanciamento di insiemi con scarto √(4m ln n).Limiti di Chernoff e di Hoeffding →.

Markov e Chebyshev con i numeri

Si richiamano soltanto gli enunciati; la dimostrazione è in Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e JensenMarkov: per X ≥ 0, P(X ≥ a) ≤ E[X]/a; Chebyshev: P(|X − μ| ≥ ε) ≤ Var(X)/ε²; Jensen: per φ convessa, φ(E[X]) ≤ E[φ(X)]. Stimano probabilità e medie conoscendo solo media e varianza.Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e Jensen →.

Markov. Se X≥0X \ge 0 e a>0a > 0: P(X≥a)≤E[X]/aP(X \ge a) \le E[X]/a. Chebyshev. Se Var(X)\mathrm{Var}(X) è finita e a>0a > 0: P(∣X−E[X]∣≥a)≤Var(X)/a2P(|X - E[X]| \ge a) \le \mathrm{Var}(X)/a^2.

Chebyshev è Markov applicato alla variabile non negativa (X−E[X])2(X - E[X])^2 con soglia a2a^2. Il prezzo di usare solo i primi due momenti è che la coda decresce come 1/a21/a^2, non in modo esponenziale: nei limiti sotto lo si vede con i numeri. Se la variabile ha un minimo noto diverso da 00, o si vuole la coda inferiore, Markov si applica alla variabile traslata o ribaltata: Esercizio - Markov traslato e ribaltato sui punteggi di un esame (lezioni MIT).

Varianza di una somma

Per X=X1+⋯+XnX = X_1 + \dots + X_n con medie finite:

Var(X)=∑iVar(Xi)+2∑i<jCov(Xi,Xj),Cov(Xi,Xj)=E[XiXj]−E[Xi]E[Xj].\mathrm{Var}(X) = \sum_i \mathrm{Var}(X_i) + 2\sum_{i<j} \mathrm{Cov}(X_i, X_j), \qquad \mathrm{Cov}(X_i,X_j) = E[X_iX_j] - E[X_i]E[X_j].

Dimostrazione. Var(X)=E[(X−E[X])2]=E[(∑i(Xi−E[Xi]))2]\mathrm{Var}(X) = E[(X - E[X])^2] = E\big[\big(\sum_i (X_i - E[X_i])\big)^2\big]. Sviluppando il quadrato compaiono i termini (Xi−E[Xi])2(X_i - E[X_i])^2, di media Var(Xi)\mathrm{Var}(X_i), e per ogni coppia i≠ji \neq j il prodotto (Xi−E[Xi])(Xj−E[Xj])(X_i - E[X_i])(X_j - E[X_j]), di media Cov(Xi,Xj)\mathrm{Cov}(X_i,X_j); ogni coppia non ordinata compare due volte. ■\blacksquare (La covarianza è trattata in Covarianza e coefficiente di correlazioneCov(X, Y) = E[(X − E X)(Y − E Y)] = E[XY] − E[X]E[Y] misura quanto X e Y variano insieme; è bilineare, Cov(X, X) = Var(X), Var(X + Y) = Var X + Var Y + 2Cov(X, Y); ρ = Cov / (σ_X σ_Y) sta in [−1, 1] e vale ±1 solo per legami lineari. Indipendenti ⇒ non correlate, ma non viceversa (tranne per i vettori gaussiani).Covarianza e coefficiente di correlazione →.)

Indipendenza a coppie. Le variabili X1,…,XnX_1,\dots,X_n sono indipendenti a coppie se ogni coppia (Xi,Xj)(X_i,X_j) con i≠ji\neq j è indipendente. Allora Cov(Xi,Xj)=0\mathrm{Cov}(X_i,X_j)=0 e la varianza si somma: Var(X)=∑iVar(Xi)\mathrm{Var}(X)=\sum_i \mathrm{Var}(X_i). È più debole dell'indipendenza di tutte insieme, e per Chebyshev basta.

Esempio (a coppie ma non insieme). X1,X2X_1, X_2 bit uniformi indipendenti e X3=X1⊕X2X_3 = X_1 \oplus X_2 (somma modulo 2). Le quattro coppie di esiti (X1,X2)(X_1,X_2) danno X3X_3 = 0,1,1,00,1,1,0. Ogni coppia, per esempio (X1,X3)(X_1,X_3), assume ciascuno dei 4 valori con probabilità 1/41/4: indipendenza a coppie. Ma P(X1=X2=X3=1)=0≠1/8P(X_1=X_2=X_3=1)=0\neq 1/8: non sono indipendenti insieme.

Costruzione. Da kk bit uniformi indipendenti Y1,…,YkY_1,\dots,Y_k si ottengono 2k−12^k - 1 bit uniformi indipendenti a coppie: per ogni sottoinsieme non vuoto S⊆{1,…,k}S\subseteq\{1,\dots,k\}, XS=⨁i∈SYiX_S = \bigoplus_{i\in S} Y_i. Se S≠S′S \neq S', un ii che sta in uno solo dei due (diciamo in SS) cambia XSX_S e non XS′X_{S'} quando si inverte YiY_i: quindi XSX_S è uniforme anche dato XS′X_{S'}, e ogni coppia di valori ha probabilità 1/41/4. Con k=3k=3 si hanno 7 bit. Il loro numero di uni NN vale 00 se Y=000Y=000 e 44 negli altri 7 casi su 8 (fissato Y≠000Y\neq 000, esattamente metà degli 8 sottoinsiemi SS, vuoto compreso, dà XS=1X_S=1, e il vuoto dà sempre 00), quindi E[N]=78⋅4=72E[N]=\frac78\cdot 4=\frac72, E[N2]=78⋅16=14E[N^2]=\frac78\cdot 16=14 e Var(N)=14−494=74\mathrm{Var}(N)=14-\frac{49}{4}=\frac74, come per sette bit davvero indipendenti (7⋅147\cdot\frac14). Chebyshev con soglia E[N]E[N]: P(N=0)≤P(∣N−72∣≥72)≤7/4(7/2)2=17P(N=0)\le P(|N-\frac72|\ge\frac72)\le \frac{7/4}{(7/2)^2}=\frac17, contro il valore vero 18\frac18. Si risparmiano bit casuali: servono log⁡2(n+1)\log_2(n+1) bit per nn bit a coppie.

Chebyshev sul collezionista di figurine

Si sceglie a caso, con reinserimento, tra nn tipi. TT è il numero di estrazioni per averli tutti. Come in Linearità del valore atteso e variabili indicatriciLa linearità $E[X+Y]=E[X]+E[Y]$ vale sempre, anche senza indipendenza; con le variabili indicatrici ($E[I_A]=P(A)$) trasforma un conteggio in una somma di probabilità. Applicazioni: attesa del primo successo $1/p$, collezionista di figurine $nH_n$, punti fissi di una permutazione (media $1$), record (media $H_n$), inversioni ($n(n-1)/4$), attesa condizionata, identità di Wald $E[S_N]=E[N]E[X]$.Linearità del valore atteso e variabili indicatrici →, T=T1+⋯+TnT = T_1 + \dots + T_n, dove TiT_i è il numero di estrazioni dopo il (i−1)(i-1)-esimo tipo nuovo fino all'ii-esimo. Le TiT_i sono geometriche indipendenti (Distribuzione geometricaGeo(p) è il numero della prova in cui arriva il primo successo in prove indipendenti: P(X = n) = (1−p)^(n−1) p per n ≥ 1, P(X > n) = (1−p)^n (lunga attesa), media 1/p, varianza (1−p)/p², ed è senza memoria.Distribuzione geometrica →) di parametro pi=n−i+1np_i = \frac{n - i + 1}{n} (i tipi ancora mancanti sono n−i+1n-i+1). Sono indipendenti perché riguardano estrazioni disgiunte.

  • E[Ti]=1/piE[T_i] = 1/p_i, quindi E[T]=∑k=1nnk=nHnE[T] = \sum_{k=1}^{n}\frac nk = nH_n (con Hn=∑k≤n1/kH_n = \sum_{k\le n} 1/k).
  • Var(Ti)=1−pipi2≤1pi2=n2(n−i+1)2\mathrm{Var}(T_i) = \frac{1 - p_i}{p_i^2} \le \frac{1}{p_i^2} = \frac{n^2}{(n-i+1)^2}, e per l'indipendenza Var(T)≤n2∑k=1n1k2<n2 π26.\mathrm{Var}(T) \le n^2 \sum_{k=1}^{n} \frac{1}{k^2} < n^2\,\frac{\pi^2}{6}.

Chebyshev con scostamento cncn (c>0c>0): P(T≥nHn+cn)≤P(∣T−E[T]∣≥cn)≤n2π2/6c2n2=π26c2.P(T \ge nH_n + cn) \le P(|T - E[T]| \ge cn) \le \frac{n^2\pi^2/6}{c^2n^2} = \frac{\pi^2}{6c^2}.

Numeri, n=50n = 50. E[T]=50 H50=224,96E[T] = 50\,H_{50} = 224{,}96; la varianza esatta è 3837,873837{,}87 (il limite n2π2/6n^2\pi^2/6 dà 4112,34112{,}3), deviazione standard 61,9561{,}95. Per T≥375T \ge 375, cioè scostamento c n=150c\,n = 150 da E[T]E[T] (c=3c=3): Chebyshev dà ≤3837,87/1502=0,171\le 3837{,}87/150^2 = 0{,}171. La probabilità esatta (programma dinamico sul numero di tipi già visti) è 0,02590{,}0259.

La stima è corretta ma lontana. La coda vera è esponenziale, come dice anche il union bound: dopo tt estrazioni il tipo jj manca con probabilità (1−1/n)t≤e−t/n(1-1/n)^t \le e^{-t/n}, quindi P(T>t)≤ne−t/nP(T > t) \le n e^{-t/n}; per n=50n = 50 e t=374t=374 vale 50⋅0,98374=0,026250\cdot 0{,}98^{374} = 0{,}0262, quasi l'esatto. Con soli due momenti non si va oltre 1/c21/c^2.

Metodo del secondo momento

Serve a dimostrare che una quantità non vale zero, cioè che un oggetto esiste.

Teorema. Se XX è a valori interi non negativi con E[X]>0E[X] > 0: P(X=0)≤Var(X)E[X]2,P(X>0)≥E[X]2E[X2].P(X = 0) \le \frac{\mathrm{Var}(X)}{E[X]^2}, \qquad P(X > 0) \ge \frac{E[X]^2}{E[X^2]}.

Dimostrazione. Se X=0X = 0 allora ∣X−E[X]∣=E[X]|X - E[X]| = E[X], e Chebyshev dà P(X=0)≤Var(X)/E[X]2P(X=0) \le \mathrm{Var}(X)/E[X]^2. Per la seconda: E[X]=E[X⋅1{X>0}]≤E[X2] P(X>0)E[X] = E[X\cdot \mathbf 1_{\{X>0\}}] \le \sqrt{E[X^2]\,P(X>0)} (Cauchy-Schwarz), e si eleva al quadrato. ■\blacksquare

Se E[X]→0E[X]\to 0 basta Markov: P(X≥1)≤E[X]P(X \ge 1)\le E[X]. Se Var(X)/E[X]2→0\mathrm{Var}(X)/E[X]^2 \to 0 allora X>0X>0 con probabilità che tende a 1.

Esempio: triangoli in G(n,p)G(n,p). Nel grafo casuale ogni arco compare con probabilità pp, indipendenti. XX = numero di triangoli =∑TIT=\sum_T I_T sui (n3)\binom n3 triangoli possibili; E[IT]=p3E[I_T]=p^3, quindi E[X]=(n3)p3E[X] = \binom n3 p^3.

Varianza. Var(IT)=p3−p6\mathrm{Var}(I_T) = p^3 - p^6. Due triangoli distinti hanno in comune al più due vertici, quindi al più un arco. Se non condividono archi IT,IT′I_T, I_{T'} sono indipendenti (covarianza 0). Se ne condividono uno, insieme usano 55 archi: Cov=p5−p3p3=p5−p6\mathrm{Cov} = p^5 - p^3p^3 = p^5 - p^6. Le coppie ordinate (T,T′)(T,T') con un arco in comune sono (n2)(n−2)(n−3)\binom n2 (n-2)(n-3) (arco comune, poi i due terzi vertici distinti). Quindi Var(X)=(n3)(p3−p6)+(n2)(n−2)(n−3)(p5−p6).\mathrm{Var}(X) = \binom n3 (p^3 - p^6) + \binom n2 (n-2)(n-3)(p^5 - p^6). Controllo per enumerazione di tutti i grafi: per n=5, p=12n=5,\,p=\frac12 si ha E[X]=54E[X]=\frac54, Var(X)=6532\mathrm{Var}(X)=\frac{65}{32}; per n=6, p=13n=6,\,p=\frac13, 2027\frac{20}{27} e 880729\frac{880}{729}: coincidono.

Soglia. Per nn grande Var(X)/E[X]2≈6(np)3+18n2p\mathrm{Var}(X)/E[X]^2 \approx \frac{6}{(np)^3} + \frac{18}{n^2 p}. Se np→∞np \to \infty tende a 00: ci sono triangoli con probabilità →1\to 1. Se np→0np\to 0 allora E[X]→0E[X]\to 0 e per Markov non ce ne sono. Quindi la soglia è p≈1/np \approx 1/n. Con n=100n=100, p=0,1p=0{,}1: E[X]=161,7E[X]=161{,}7, Var(X)/E[X]2=0,022\mathrm{Var}(X)/E[X]^2=0{,}022, P(X>0)≥0,978P(X>0)\ge 0{,}978. Con p=0,02p=0{,}02: E[X]=1,29E[X]=1{,}29, rapporto 0,860{,}86, P(X>0)≥0,537P(X>0) \ge 0{,}537; la simulazione dà P(X>0)≈0,70P(X>0)\approx 0{,}70 (il limite è corretto ma prudente).

Mediana con un algoritmo randomizzato

Trovare la mediana di nn numeri con ordinamento costa Θ(nlog⁡n)\Theta(n\log n) (Algoritmi di ordinamentoSelection sort e insertion sort (quadratici, con invarianti), merge sort (divide et impera, Theta(n log n)), quick sort (caso pessimo quadratico, medio n log n), heap sort (in loco, Theta(n log n)), ordinamento senza confronti per chiavi intere in un intervallo piccolo, limite inferiore Omega(n log n) per gli algoritmi basati su confronti.Algoritmi di ordinamento →). L'idea del campionamento: un campione piccolo ordinato dà due elementi d≤ud \le u che con alta probabilità racchiudono la mediana e lasciano in mezzo pochi elementi, che si ordinano da soli. Per semplicità nn dispari, elementi distinti, mediana di rango k=(n+1)/2k = (n+1)/2.

Algoritmo (mediana per campionamento).

  1. Si estraggono m=⌈n3/4⌉m = \lceil n^{3/4}\rceil elementi con reinserimento e si ordinano, ottenendo RR.
  2. dd = elemento di RR di rango m/2−nm/2 - \sqrt n, uu = elemento di rango m/2+nm/2 + \sqrt n.
  3. Con un solo passaggio sull'input si calcolano ℓd=#{x<d}\ell_d = \#\{x<d\}, ℓu=#{x>u}\ell_u = \#\{x>u\} e C={x:d≤x≤u}C = \{x: d\le x\le u\}.
  4. Se ℓd≥k\ell_d \ge k o ℓu≥k\ell_u \ge k (la mediana non è in CC) oppure ∣C∣>4m|C| > 4m, si ricomincia.
  5. Si ordina CC e si restituisce l'elemento di rango k−ℓdk - \ell_d in CC.
python
import random, math

def mediana(a, rng=random):
    n = len(a); m = math.ceil(n ** 0.75); r = math.isqrt(n)
    k = (n + 1) // 2                                   # rango della mediana
    while True:
        R = sorted(rng.choice(a) for _ in range(m))    # campione con reinserimento
        d = R[max(0, m // 2 - r - 1)]
        u = R[min(m - 1, m // 2 + r)]
        sotto = sum(1 for x in a if x < d)
        sopra = sum(1 for x in a if x > u)
        C = [x for x in a if d <= x <= u]
        if sotto < k and sopra < k and len(C) <= 4 * m:
            C.sort()
            return C[k - sotto - 1]

Esempio piccolo. a={0,…,10}a=\{0,\dots,10\} rimescolato (n=11n=11): k=6k=6, m=⌈113/4⌉=7m=\lceil 11^{3/4}\rceil = 7, n≈3\sqrt n\approx 3. Un campione ordinato è R=(1,2,4,5,5,8,9)R=(1,2,4,5,5,8,9). I ranghi m/2−n≈0,2m/2-\sqrt n\approx 0{,}2 e m/2+n≈6,8m/2+\sqrt n\approx 6{,}8 si portano ai bordi, cioè 11 e 77: d=1d=1, u=9u=9. Allora ℓd=1\ell_d=1 (solo lo 00), ℓu=1\ell_u=1 (solo il 1010), C={1,…,9}C=\{1,\dots,9\} e ∣C∣=9≤28|C|=9\le 28. Le condizioni ℓd=1<6\ell_d=1<6 e ℓu=1<6\ell_u=1<6 valgono, quindi si ordina CC e si prende il rango k−ℓd=5k-\ell_d=5: il quinto elemento di CC è 55, la mediana. (Per nn piccolo CC è quasi tutto l'insieme: il vantaggio si vede solo per nn grande.)

Il risultato è sempre corretto (Las Vegas): la condizione al passo 4 garantisce che la mediana è in CC e il rango di CC si conosce. Resta da limitare il tempo, cioè la probabilità di dover ricominciare.

Teorema. Un giro dell'algoritmo fallisce con probabilità al più n−1/4n^{-1/4} (a meno di arrotondamenti di ±1\pm1 nei ranghi). Il costo di un giro è 2n+O(n3/4log⁡n)2n + O(n^{3/4}\log n) confronti, quindi il costo atteso totale è 2n+o(n)2n + o(n).

Dimostrazione. Siano xmedx_{\mathrm{med}} la mediana e m=n3/4m = n^{3/4}. Il fallimento è l'unione di quattro eventi, ciascuno di probabilità ≤14n−1/4\le \frac{1}{4}n^{-1/4}.

  1. E1E_1: d>xmedd > x_{\mathrm{med}}. Significa che meno di m/2−nm/2 - \sqrt n elementi del campione sono ≤xmed\le x_{\mathrm{med}}. Il numero Y1Y_1 di campioni ≤xmed\le x_{\mathrm{med}} è binomiale Bin(m,q)\mathrm{Bin}(m, q) con q=k/n≥1/2q = k/n \ge 1/2, quindi E[Y1]≥m/2E[Y_1]\ge m/2 e Var(Y1)=mq(1−q)≤m/4\mathrm{Var}(Y_1) = mq(1-q)\le m/4. Il fallimento richiede uno scostamento verso il basso di almeno n\sqrt n: per Chebyshev P(E1)≤m/4n=14n−1/4P(E_1)\le \frac{m/4}{n} = \frac{1}{4}n^{-1/4}.
  2. E2E_2: u<xmedu < x_{\mathrm{med}}, simmetrico: stessa limitazione.
  3. E3E_3: il rango di uu in SS supera k+2mk + 2m. Allora più di m/2−nm/2 - \sqrt n campioni hanno rango ≥k+2m\ge k+2m. Il loro numero Y3∼Bin(m,q3)Y_3\sim\mathrm{Bin}(m, q_3) con q3≈12−2mn=12−2n−1/4q_3 \approx \frac12 - \frac{2m}{n} = \frac12 - 2n^{-1/4}, quindi E[Y3]≈m/2−2nE[Y_3] \approx m/2 - 2\sqrt n e l'evento richiede uno scostamento ≥n\ge \sqrt n sopra la media. Chebyshev: P(E3)≤m/4nP(E_3)\le \frac{m/4}{n}.
  4. E4E_4: il rango di dd è sotto k−2mk - 2m: simmetrico.

Se nessuno dei quattro accade, la mediana è in CC (non E1,E2E_1,E_2) e ∣C∣≤4m|C| \le 4m (non E3,E4E_3,E_4). Per l'unione, P(fallimento)≤n−1/4P(\text{fallimento})\le n^{-1/4}. Il numero di giri è geometrico, quindi in media meno di 1/(1−n−1/4)1/(1-n^{-1/4}). Il costo di un giro: ordinare RR costa O(mlog⁡m)O(m\log m), i due confronti per elemento nel passo 3 costano 2n2n, ordinare CC costa O(mlog⁡m)O(m\log m). ■\blacksquare

Verifica numerica. Con n=10001n = 10001 (m=⌈100013/4⌉=1001m=\lceil 10001^{3/4}\rceil=1001, n=100\sqrt n=100), il limite teorico di fallimento è n−1/4=0,10n^{-1/4}=0{,}10; in 30003000 prove non si è mai fallito e la mediana restituita è sempre quella giusta. Con n=106+1n=10^6+1 (m=31623m=31623): 0 fallimenti su 100 (limite 0,0320{,}032). In media ∣C∣≈2000|C|\approx 2000 per n=10001n=10001: tra dd e uu ci sono 2n=2002\sqrt n=200 posizioni del campione su m≈1000m\approx 1000, cioè circa il 20%20\% dell'input. Il costo per n=10001n=10001 è quindi 2n=200022n=20002 confronti per il passaggio sull'input più circa mlog⁡2m+∣C∣log⁡2∣C∣≈104+2,2⋅104m\log_2 m + |C|\log_2|C| \approx 10^4 + 2{,}2\cdot 10^4 per i due ordinamenti: il termine O(n3/4log⁡n)O(n^{3/4}\log n) diventa trascurabile rispetto a 2n2n solo per nn molto grande. Il limite di Chebyshev è prudente: la vera probabilità di fallire è molto più bassa, perché le code della binomiale sono esponenziali (Limiti di Chernoff e di HoeffdingMarkov applicato a e^(tX) dà code esponenziali. Per somme di Bernoulli indipendenti con media μ: P(X ≥ (1+δ)μ) ≤ [e^δ/(1+δ)^(1+δ)]^μ ≤ e^(-δ²μ/3) per 0<δ≤1, P(X ≤ (1-δ)μ) ≤ e^(-δ²μ/2), P(X ≥ R) ≤ 2^(-R) se R ≥ 6μ. Hoeffding per X_i in [a_i,b_i]: P(|S-E[S]| ≥ t) ≤ 2exp(-2t²/Σ(b_i-a_i)²). Applicazioni: n ≥ ln(2/δ)/(2ε²) campioni per stimare una probabilità, amplificazione BPP con k = O(log 1/ε) ripetizioni, bilanciamento di insiemi con scarto √(4m ln n).Limiti di Chernoff e di Hoeffding →), e con quelle si può prendere un campione più piccolo.

Lo stesso schema (campione per scegliere un pivot buono) è alla base della selezione lineare di Analisi probabilistica di quicksort e quickselectCon pivot casuale due elementi di rango $i<j$ vengono confrontati con probabilità $2/(j-i+1)$; sommando sulle coppie il numero atteso di confronti di quicksort è esattamente $2(n+1)H_n-4n\approx2n\ln n-2{,}85,n$ (stessa formula dalla ricorrenza $C_n=n-1+\frac2n\sum_{k<n}C_k$). Quickselect trova il $k$-esimo elemento con attesa lineare, al più $4n$ confronti (mediana $\approx3{,}39,n$). Pivot fisso su input casuale equivale a pivot casuale su input qualunque.Analisi probabilistica di quicksort e quickselect →.

Domande d'esame

  1. Dimostra che Var(∑Xi)=∑Var(Xi)\mathrm{Var}(\sum X_i)=\sum \mathrm{Var}(X_i) se le XiX_i sono indipendenti a coppie. Nella formula della varianza di una somma ogni Cov(Xi,Xj)\mathrm{Cov}(X_i,X_j) con i≠ji\neq j è nulla perché E[XiXj]=E[Xi]E[Xj]E[X_iX_j]=E[X_i]E[X_j] per due variabili indipendenti.
  2. Varianza del numero di punti fissi di una permutazione casuale di n≥2n\ge 2 elementi. X=∑IiX=\sum I_i con E[Ii]=1/nE[I_i]=1/n, E[IiIj]=1n(n−1)E[I_iI_j]=\frac{1}{n(n-1)} per i≠ji\ne j. Quindi E[X]=1E[X]=1, E[X2]=n⋅1n+n(n−1)1n(n−1)=2E[X^2]=n\cdot\frac1n+n(n-1)\frac{1}{n(n-1)}=2 e Var(X)=2−1=1\mathrm{Var}(X)=2-1=1 (verificato per n=6n=6 con tutte le 720720 permutazioni).
  3. Dimostra che P(X=0)≤Var(X)/E[X]2P(X=0)\le \mathrm{Var}(X)/E[X]^2. Se X=0X=0 allora ∣X−E[X]∣=E[X]|X-E[X]|=E[X], e si applica Chebyshev con soglia E[X]E[X].
  4. Nell'algoritmo della mediana, perché m=n3/4m=n^{3/4} e scarto n\sqrt n? La varianza del conteggio nel campione è ≤m/4\le m/4; con scarto n\sqrt n Chebyshev dà m/4n=14n−1/4\frac{m/4}{n}=\frac14 n^{-1/4}, che tende a 00. Il campione deve essere abbastanza grande per questo, ma abbastanza piccolo perché ordinarlo e ordinare CC (di circa 4m4m elementi) costi o(n)o(n).

Versione ripasso

Markov P(X≥a)≤E[X]/aP(X\ge a)\le E[X]/a per X≥0X\ge0. Chebyshev P(∣X−E[X]∣≥a)≤Var(X)/a2P(|X-E[X]|\ge a)\le \mathrm{Var}(X)/a^2 (Markov su (X−E[X])2(X-E[X])^2): la coda va come 1/a21/a^2 (Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e JensenMarkov: per X ≥ 0, P(X ≥ a) ≤ E[X]/a; Chebyshev: P(|X − μ| ≥ ε) ≤ Var(X)/ε²; Jensen: per φ convessa, φ(E[X]) ≤ E[φ(X)]. Stimano probabilità e medie conoscendo solo media e varianza.Disuguaglianze di Markov, Chebyshev e Jensen →).

Somma. Var(∑Xi)=∑Var(Xi)+2∑i<jCov(Xi,Xj)\mathrm{Var}(\sum X_i)=\sum\mathrm{Var}(X_i)+2\sum_{i<j}\mathrm{Cov}(X_i,X_j) (si sviluppa il quadrato di ∑(Xi−E[Xi])\sum(X_i-E[X_i]); Covarianza e coefficiente di correlazioneCov(X, Y) = E[(X − E X)(Y − E Y)] = E[XY] − E[X]E[Y] misura quanto X e Y variano insieme; è bilineare, Cov(X, X) = Var(X), Var(X + Y) = Var X + Var Y + 2Cov(X, Y); ρ = Cov / (σ_X σ_Y) sta in [−1, 1] e vale ±1 solo per legami lineari. Indipendenti ⇒ non correlate, ma non viceversa (tranne per i vettori gaussiani).Covarianza e coefficiente di correlazione →). Con indipendenza a coppie le covarianze sono nulle e la varianza si somma.

  • Esempio: X3=X1⊕X2X_3=X_1\oplus X_2 è a coppie ma non insieme (P(111)=0≠1/8P(111)=0\ne1/8).
  • Da kk bit YiY_i si fanno 2k−12^k-1 bit a coppie con XS=⨁i∈SYiX_S=\bigoplus_{i\in S}Y_i: con k=3k=3, 7 bit il cui numero di uni NN ha E[N]=7/2E[N]=7/2, Var(N)=7/4\mathrm{Var}(N)=7/4, P(N=0)=1/8≤1/7P(N=0)=1/8\le 1/7 (Chebyshev).

Collezionista. T=∑TiT=\sum T_i, TiT_i geometrica di parametro pi=n−i+1np_i=\frac{n-i+1}{n} (Distribuzione geometricaGeo(p) è il numero della prova in cui arriva il primo successo in prove indipendenti: P(X = n) = (1−p)^(n−1) p per n ≥ 1, P(X > n) = (1−p)^n (lunga attesa), media 1/p, varianza (1−p)/p², ed è senza memoria.Distribuzione geometrica →), indipendenti perché su estrazioni disgiunte.

  • E[T]=nHnE[T]=nH_n, Var(T)≤n2∑1/k2<n2π2/6\mathrm{Var}(T)\le n^2\sum 1/k^2<n^2\pi^2/6, quindi P(T≥nHn+cn)≤π2/(6c2)P(T\ge nH_n+cn)\le \pi^2/(6c^2).
  • n=50n=50, T≥375T\ge375: E[T]=224,96E[T]=224{,}96, Var=3837,87\mathrm{Var}=3837{,}87, Chebyshev 0,1710{,}171; union bound ne−t/nn e^{-t/n}: 0,0260{,}026; esatto 0,02590{,}0259. La coda vera è esponenziale.

Secondo momento. P(X=0)≤Var(X)/E[X]2P(X=0)\le \mathrm{Var}(X)/E[X]^2 (se X=0X=0 allora ∣X−E[X]∣=E[X]|X-E[X]|=E[X]) e P(X>0)≥E[X]2/E[X2]P(X>0)\ge E[X]^2/E[X^2] (Cauchy-Schwarz su E[X1X>0]E[X\mathbf 1_{X>0}]).

  • Triangoli in G(n,p)G(n,p): E[X]=(n3)p3E[X]=\binom n3p^3; solo due triangoli con un arco in comune sono correlati (Cov=p5−p6\mathrm{Cov}=p^5-p^6, in (n2)(n−2)(n−3)\binom n2(n-2)(n-3) coppie ordinate): Var(X)=(n3)(p3−p6)+(n2)(n−2)(n−3)(p5−p6)\mathrm{Var}(X)=\binom n3(p^3-p^6)+\binom n2(n-2)(n-3)(p^5-p^6).
  • Var/E2≈6/(np)3+18/(n2p)\mathrm{Var}/E^2\approx 6/(np)^3+18/(n^2p): soglia p≈1/np\approx1/n. Numeri: n=100,p=0,1n=100,p=0{,}1 rapporto 0,0220{,}022; p=0,02p=0{,}02 rapporto 0,860{,}86.

Mediana randomizzata (Las Vegas, nn dispari, rango k=(n+1)/2k=(n+1)/2).

  1. Campione con reinserimento di m=n3/4m=n^{3/4} elementi, ordinato; dd e uu ai ranghi m/2∓nm/2\mp\sqrt n.
  2. C={d≤x≤u}C=\{d\le x\le u\}, ℓd=#{x<d}\ell_d=\#\{x<d\}, ℓu=#{x>u}\ell_u=\#\{x>u\}.
  3. Si ricomincia se ℓd≥k\ell_d\ge k, ℓu≥k\ell_u\ge k o ∣C∣>4m|C|>4m; altrimenti si ordina CC e si restituisce il rango k−ℓdk-\ell_d.

Quattro eventi cattivi (mediana sotto dd, sopra uu, uu oltre k+2mk+2m, dd sotto k−2mk-2m): ciascuno è un conteggio binomiale con varianza ≤m/4\le m/4 e scostamento n\sqrt n, quindi Chebyshev dà ≤m/4n=14n−1/4\le \frac{m/4}{n}=\frac14 n^{-1/4}. Fallimento totale ≤n−1/4\le n^{-1/4}; costo 2n+o(n)2n+o(n) confronti. Verifica: n=10001n=10001, 0 fallimenti su 3000 (limite 0,100{,}10). Idea affine in Analisi probabilistica di quicksort e quickselectCon pivot casuale due elementi di rango $i<j$ vengono confrontati con probabilità $2/(j-i+1)$; sommando sulle coppie il numero atteso di confronti di quicksort è esattamente $2(n+1)H_n-4n\approx2n\ln n-2{,}85,n$ (stessa formula dalla ricorrenza $C_n=n-1+\frac2n\sum_{k<n}C_k$). Quickselect trova il $k$-esimo elemento con attesa lineare, al più $4n$ confronti (mediana $\approx3{,}39,n$). Pivot fisso su input casuale equivale a pivot casuale su input qualunque.Analisi probabilistica di quicksort e quickselect →; con Chernoff il campione si riduce (Limiti di Chernoff e di HoeffdingMarkov applicato a e^(tX) dà code esponenziali. Per somme di Bernoulli indipendenti con media μ: P(X ≥ (1+δ)μ) ≤ [e^δ/(1+δ)^(1+δ)]^μ ≤ e^(-δ²μ/3) per 0<δ≤1, P(X ≤ (1-δ)μ) ≤ e^(-δ²μ/2), P(X ≥ R) ≤ 2^(-R) se R ≥ 6μ. Hoeffding per X_i in [a_i,b_i]: P(|S-E[S]| ≥ t) ≤ 2exp(-2t²/Σ(b_i-a_i)²). Applicazioni: n ≥ ln(2/δ)/(2ε²) campioni per stimare una probabilità, amplificazione BPP con k = O(log 1/ε) ripetizioni, bilanciamento di insiemi con scarto √(4m ln n).Limiti di Chernoff e di Hoeffding →).

Esempio svolto (punti fissi). X=∑IiX=\sum I_i con E[Ii]=1/nE[I_i]=1/n e E[IiIj]=1n(n−1)E[I_iI_j]=\frac1{n(n-1)}: E[X]=1E[X]=1, E[X2]=n⋅1n+n(n−1)⋅1n(n−1)=2E[X^2]=n\cdot\frac1n+n(n-1)\cdot\frac1{n(n-1)}=2, quindi Var(X)=1\mathrm{Var}(X)=1 per ogni n≥2n\ge2 (verificato con le 720 permutazioni di n=6n=6). Chebyshev: P(X≥4)≤P(∣X−1∣≥3)≤1/9P(X\ge4)\le P(|X-1|\ge3)\le 1/9; valore vero 1/451/45.

Esempio piccolo (mediana). n=11n=11, k=6k=6, m=7m=7, campione (1,2,4,5,5,8,9)(1,2,4,5,5,8,9): d=1d=1, u=9u=9, ℓd=ℓu=1\ell_d=\ell_u=1, ∣C∣=9|C|=9: si ordina CC e il rango k−ℓd=5k-\ell_d=5 in CC è 55, la mediana.

Errori tipici. Sommare le varianze senza indipendenza (a coppie basta, ma serve); dimenticare che Markov richiede X≥0X\ge0; credere che Chebyshev sia stretto (è prudente).

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