Teoria: 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 → (forme esatte e semplificate); per la binomiale Bernoulli, binomiale e uniforme discretaBernoulli Be(p): un solo tentativo, vale 1 con probabilità p; binomiale Bin(n, p): numero di successi in n prove indipendenti, P(X = k) = C(n,k) p^k (1−p)^(n−k), media np e varianza np(1−p); uniforme discreta: n valori equiprobabili.Bernoulli, binomiale e uniforme discreta → .
Testo. X ∼ B i n ( 100 , 0 , 2 ) X\sim\mathrm{Bin}(100,0{,}2) X ∼ Bin ( 100 , 0 , 2 ) conta i pacchetti persi su 100 100 100 trasmessi indipendenti, μ = 20 \mu=20 μ = 20 .
Limitare P ( X ≥ 30 ) P(X\ge30) P ( X ≥ 30 ) con Markov, Chebyshev, Chernoff esatto e semplificato.
Limitare P ( X ≤ 10 ) P(X\le10) P ( X ≤ 10 ) con Chebyshev e Chernoff.
Limitare P ( ∣ X − 20 ∣ ≥ 10 ) P(|X-20|\ge10) P ( ∣ X − 20∣ ≥ 10 ) con la forma bilatera semplificata.
Per Y ∼ B i n ( 1000 , 0 , 01 ) Y\sim\mathrm{Bin}(1000,0{,}01) Y ∼ Bin ( 1000 , 0 , 01 ) (μ = 10 \mu=10 μ = 10 ) limitare P ( Y ≥ 60 ) P(Y\ge60) P ( Y ≥ 60 ) con la regola R ≥ 6 μ R\ge6\mu R ≥ 6 μ .
Confrontare tutto con i valori esatti.
Soluzione
1. Coda superiore, δ = 30 − 20 20 = 0 , 5 \delta=\frac{30-20}{20}=0{,}5 δ = 20 30 − 20 = 0 , 5 .
Markov: 20 30 = 0 , 667 \frac{20}{30}=0{,}667 30 20 = 0 , 667 .
Chebyshev: V a r = 100 ⋅ 0 , 2 ⋅ 0 , 8 = 16 \mathrm{Var}=100\cdot0{,}2\cdot0{,}8=16 Var = 100 ⋅ 0 , 2 ⋅ 0 , 8 = 16 , P ( X ≥ 30 ) ≤ P ( ∣ X − 20 ∣ ≥ 10 ) ≤ 16 100 = 0 , 16 P(X\ge30)\le P(|X-20|\ge10)\le\frac{16}{100}=0{,}16 P ( X ≥ 30 ) ≤ P ( ∣ X − 20∣ ≥ 10 ) ≤ 100 16 = 0 , 16 .
Chernoff esatto: [ e 0 , 5 1 , 5 1 , 5 ] 20 = [ 1 , 64872 1 , 83712 ] 20 = 0 , 8974 5 20 = 0 , 115 \big[\frac{e^{0{,}5}}{1{,}5^{1{,}5}}\big]^{20}=\big[\frac{1{,}64872}{1{,}83712}\big]^{20}=0{,}89745^{20}=\mathbf{0{,}115} [ 1 , 5 1 , 5 e 0 , 5 ] 20 = [ 1 , 83712 1 , 64872 ] 20 = 0 , 8974 5 20 = 0 , 115 .
Chernoff semplificato: e − 0 , 5 2 ⋅ 20 / 3 = e − 1 , 667 = 0 , 189 e^{-0{,}5^2\cdot20/3}=e^{-1{,}667}=0{,}189 e − 0 , 5 2 ⋅ 20/3 = e − 1 , 667 = 0 , 189 .
2. Coda inferiore, δ = 20 − 10 20 = 0 , 5 \delta=\frac{20-10}{20}=0{,}5 δ = 20 20 − 10 = 0 , 5 . Chebyshev: 0 , 16 0{,}16 0 , 16 . Chernoff esatto: [ e − 0 , 5 0 , 5 0 , 5 ] 20 = [ 0 , 60653 0 , 70711 ] 20 = 0 , 8577 6 20 = 0 , 0465 \big[\frac{e^{-0{,}5}}{0{,}5^{0{,}5}}\big]^{20}=\big[\frac{0{,}60653}{0{,}70711}\big]^{20}=0{,}85776^{20}=\mathbf{0{,}0465} [ 0 , 5 0 , 5 e − 0 , 5 ] 20 = [ 0 , 70711 0 , 60653 ] 20 = 0 , 8577 6 20 = 0 , 0465 . Semplificato: e − 0 , 25 ⋅ 20 / 2 = e − 2 , 5 = 0 , 0821 e^{-0{,}25\cdot20/2}=e^{-2{,}5}=0{,}0821 e − 0 , 25 ⋅ 20/2 = e − 2 , 5 = 0 , 0821 . La coda inferiore è più leggera della superiore (stessa δ \delta δ ) perché la forma ha δ 2 μ / 2 \delta^2\mu/2 δ 2 μ /2 invece di / 3 /3 /3 .
3. Bilatero. P ( ∣ X − 20 ∣ ≥ 10 ) = P ( ∣ X − μ ∣ ≥ 0 , 5 μ ) ≤ 2 e − 0 , 25 ⋅ 20 / 3 = 2 ⋅ 0 , 189 = 0 , 378 P(|X-20|\ge10)=P(|X-\mu|\ge0{,}5\mu)\le2e^{-0{,}25\cdot20/3}=2\cdot0{,}189=0{,}378 P ( ∣ X − 20∣ ≥ 10 ) = P ( ∣ X − μ ∣ ≥ 0 , 5 μ ) ≤ 2 e − 0 , 25 ⋅ 20/3 = 2 ⋅ 0 , 189 = 0 , 378 : più debole di Chebyshev (0 , 16 0{,}16 0 , 16 )! Il fattore 2 2 2 e la forma semplificata costano; con le forme esatte si ha 0 , 115 + 0 , 0465 = 0 , 1615 0{,}115+0{,}0465=0{,}1615 0 , 115 + 0 , 0465 = 0 , 1615 , praticamente come Chebyshev.
4. R ≥ 6 μ R\ge6\mu R ≥ 6 μ . R = 60 = 6 μ R=60=6\mu R = 60 = 6 μ : P ( Y ≥ 60 ) ≤ 2 − 60 = 8 , 7 × 1 0 − 19 P(Y\ge60)\le2^{-60}=8{,}7\times10^{-19} P ( Y ≥ 60 ) ≤ 2 − 60 = 8 , 7 × 1 0 − 19 . Dal limite intermedio ( e μ / R ) R = ( e / 6 ) 60 = 2 , 3 × 1 0 − 21 (e\mu/R)^R=(e/6)^{60}=2{,}3\times10^{-21} ( e μ / R ) R = ( e /6 ) 60 = 2 , 3 × 1 0 − 21 (più stretto). Markov darebbe solo 10 60 = 0 , 167 \frac{10}{60}=0{,}167 60 10 = 0 , 167 .
5. Valori esatti (somme binomiali): P ( X ≥ 30 ) = 0 , 01125 P(X\ge30)=0{,}01125 P ( X ≥ 30 ) = 0 , 01125 , P ( X ≤ 10 ) = 0 , 00570 P(X\le10)=0{,}00570 P ( X ≤ 10 ) = 0 , 00570 , P ( ∣ X − 20 ∣ ≥ 10 ) = 0 , 01695 P(|X-20|\ge10)=0{,}01695 P ( ∣ X − 20∣ ≥ 10 ) = 0 , 01695 , P ( Y ≥ 60 ) = 1 , 8 × 1 0 − 27 P(Y\ge60)=1{,}8\times10^{-27} P ( Y ≥ 60 ) = 1 , 8 × 1 0 − 27 .
P ( X ≥ 30 ) P(X\ge30) P ( X ≥ 30 )
P ( X ≤ 10 ) P(X\le10) P ( X ≤ 10 )
bilatero
Markov
0 , 667 0{,}667 0 , 667
Chebyshev
0 , 16 0{,}16 0 , 16
0 , 16 0{,}16 0 , 16
0 , 16 0{,}16 0 , 16
Chernoff esatto
0 , 115 0{,}115 0 , 115
0 , 0465 0{,}0465 0 , 0465
0 , 1615 0{,}1615 0 , 1615
Chernoff semplificato
0 , 189 0{,}189 0 , 189
0 , 0821 0{,}0821 0 , 0821
0 , 378 0{,}378 0 , 378
Esatto
0 , 01125 0{,}01125 0 , 01125
0 , 00570 0{,}00570 0 , 00570
0 , 01695 0{,}01695 0 , 01695
Qui μ = 20 \mu=20 μ = 20 è piccolo, quindi Chernoff è prudente (10 volte sopra l'esatto): il limite perde il fattore polinomiale ≈ 1 / μ \approx1/\sqrt{\mu} ≈ 1/ μ della stima fine. Cresce di utilità con μ \mu μ grande o δ \delta δ grande.
Risultato. P ( X ≥ 30 ) ≤ 0 , 115 P(X\ge30)\le0{,}115 P ( X ≥ 30 ) ≤ 0 , 115 , P ( X ≤ 10 ) ≤ 0 , 0465 P(X\le10)\le0{,}0465 P ( X ≤ 10 ) ≤ 0 , 0465 , P ( Y ≥ 60 ) ≤ 2 − 60 P(Y\ge60)\le2^{-60} P ( Y ≥ 60 ) ≤ 2 − 60 .
Verifica.
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import math
def ge (n, p, k ): return sum (math.comb(n, i) * p**i * (1 - p)**(n - i) for i in range (k, n + 1 ))
def le (n, p, k ): return sum (math.comb(n, i) * p**i * (1 - p)**(n - i) for i in range (k + 1 ))
mu, d = 20 , 0.5
sup = (math.exp(d) / (1 + d)**(1 + d))**mu
inf = (math.exp(-d) / (1 - d)**(1 - d))**mu
print (sup, math.exp(-d * d * mu / 3 ), inf, math.exp(-d * d * mu / 2 ))
print (ge(100 , .2 , 30 ), le(100 , .2 , 10 ), ge(100 , .2 , 30 ) + le(100 , .2 , 10 ))
print (2.0 **-60 , (math.e / 6 )**60 , ge(1000 , .01 , 60 ))
Versione ripasso
Dati. X ∼ B i n ( 100 , 0 , 2 ) X\sim\mathrm{Bin}(100,0{,}2) X ∼ Bin ( 100 , 0 , 2 ) , μ = 20 \mu=20 μ = 20 , V a r = 16 \mathrm{Var}=16 Var = 16 ; soglie 30 30 30 e 10 10 10 (δ = 0 , 5 \delta=0{,}5 δ = 0 , 5 ).
Superiore (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 0 , 667 0{,}667 0 , 667 ; Chebyshev 16 100 = 0 , 16 \frac{16}{100}=0{,}16 100 16 = 0 , 16 ; esatto [ e 0 , 5 1 , 5 1 , 5 ] 20 = 0 , 115 \big[\frac{e^{0{,}5}}{1{,}5^{1{,}5}}\big]^{20}=0{,}115 [ 1 , 5 1 , 5 e 0 , 5 ] 20 = 0 , 115 ; semplificato e − δ 2 μ / 3 = 0 , 189 e^{-\delta^2\mu/3}=0{,}189 e − δ 2 μ /3 = 0 , 189 ; vero 0 , 01125 0{,}01125 0 , 01125 .
Inferiore. Esatto [ e − 0 , 5 0 , 5 0 , 5 ] 20 = 0 , 0465 \big[\frac{e^{-0{,}5}}{0{,}5^{0{,}5}}\big]^{20}=0{,}0465 [ 0 , 5 0 , 5 e − 0 , 5 ] 20 = 0 , 0465 ; semplificato e − δ 2 μ / 2 = 0 , 0821 e^{-\delta^2\mu/2}=0{,}0821 e − δ 2 μ /2 = 0 , 0821 ; vero 0 , 00570 0{,}00570 0 , 00570 .
Bilatero. 2 e − δ 2 μ / 3 = 0 , 378 2e^{-\delta^2\mu/3}=0{,}378 2 e − δ 2 μ /3 = 0 , 378 (peggio di Chebyshev 0 , 16 0{,}16 0 , 16 ); con le forme esatte 0 , 115 + 0 , 0465 = 0 , 1615 0{,}115+0{,}0465=0{,}1615 0 , 115 + 0 , 0465 = 0 , 1615 ; vero 0 , 01695 0{,}01695 0 , 01695 .
R ≥ 6 μ R\ge6\mu R ≥ 6 μ . Y ∼ B i n ( 1000 , 0 , 01 ) Y\sim\mathrm{Bin}(1000,0{,}01) Y ∼ Bin ( 1000 , 0 , 01 ) , μ = 10 \mu=10 μ = 10 , R = 60 R=60 R = 60 : P ( Y ≥ 60 ) ≤ 2 − 60 = 8 , 7 × 1 0 − 19 P(Y\ge60)\le2^{-60}=8{,}7\times10^{-19} P ( Y ≥ 60 ) ≤ 2 − 60 = 8 , 7 × 1 0 − 19 (più stretto: ( e / 6 ) 60 = 2 , 3 × 1 0 − 21 (e/6)^{60}=2{,}3\times10^{-21} ( e /6 ) 60 = 2 , 3 × 1 0 − 21 ; vero 1 , 8 × 1 0 − 27 1{,}8\times10^{-27} 1 , 8 × 1 0 − 27 ).
Errore tipico. Usare le forme semplificate fuori da 0 < δ ≤ 1 0<\delta\le1 0 < δ ≤ 1 (superiore) o 0 < δ < 1 0<\delta<1 0 < δ < 1 (inferiore), o credere che Chernoff sia stretto per μ \mu μ piccolo.