Теория больших отклонений - Large deviations theory

В теория вероятности, теория большие отклонения касается асимптотики удаленных хвостов последовательностей вероятностных распределений. Хотя некоторые основные идеи теории можно проследить до Лаплас, формализация началась со страховой математики, а именно теория разорения с Крамер и Lundberg. Единая формализация теории больших уклонений была разработана в 1966 г. в статье Варадхан.^[1] Теория больших уклонений формализует эвристические идеи концентрация мер и широко обобщает понятие сходимость вероятностных мер.

Грубо говоря, теория больших уклонений занимается экспоненциальным убыванием вероятностных мер определенных видов крайних или хвост События.

Вводные примеры

Элементарный пример

Рассмотрим последовательность независимых подбрасываний честной монеты. Возможный исход может быть орлом или решкой. Обозначим возможный исход i-го испытания через ${displaystyle X_{i},}$ где мы кодируем голову как 1 и хвост как 0. Теперь пусть ${displaystyle M_{N}}$ обозначают среднее значение после ${displaystyle N}$ судебные процессы, а именно

${displaystyle M_{N}={frac {1}{N}}sum _{i=1}^{N}X_{i}.}$

потом ${displaystyle M_{N}}$ лежит между 0 и 1. Из закон больших чисел следует, что с ростом N распределение ${displaystyle M_{N}}$ сходится к ${displaystyle 0.5=operatorname {E} [X]}$ (ожидаемая стоимость одного подбрасывания монеты).

Более того, по Центральная предельная теорема, следует, что ${displaystyle M_{N}}$ примерно нормально распределяется для больших ${displaystyle N}$. Центральная предельная теорема может предоставить более подробную информацию о поведении ${displaystyle M_{N}}$ чем закон больших чисел. Например, мы можем приблизительно найти хвостовую вероятность ${displaystyle M_{N}}$, ${displaystyle P(M_{N}>x)}$, который ${displaystyle M_{N}}$ больше, чем ${displaystyle x}$, для фиксированного значения ${displaystyle N}$. Однако приближение центральной предельной теоремой может быть неточным, если ${displaystyle x}$ далеко от ${displaystyle operatorname {E} [X_{i}]}$ пока не ${displaystyle N}$ достаточно большой. Кроме того, он не предоставляет информацию о сходимости вероятностей хвоста, поскольку ${displaystyle N o infty }$. Однако теория больших отклонений может дать ответы на такие проблемы.

Уточним это утверждение. Для заданного значения ${displaystyle 0.5<x<1}$, вычислим хвостовую вероятность ${displaystyle P(M_{N}>x)}$. Определять

${displaystyle I(x)=xln {x}+(1-x)ln(1-x)+ln {2}.}$

Обратите внимание, что функция ${displaystyle I(x)}$ - выпуклая неотрицательная функция, равная нулю при ${displaystyle x={ frac {1}{2}}}$ и увеличивается как ${displaystyle x}$ подходы ${displaystyle 1}$. Это негатив Энтропия Бернулли с ${displaystyle p={ frac {1}{2}};}$ что он подходит для подбрасывания монет следует из асимптотическое свойство равнораспределения применяется к Бернулли суд. Затем по Неравенство Чернова, можно показать, что ${displaystyle P(M_{N}>x)<exp(-NI(x)).}$^[2] Эта оценка довольно точна в том смысле, что ${displaystyle I(x)}$ нельзя заменить на большее число, которое привело бы к строгому неравенству для всех положительных ${displaystyle N.}$^[3] (Тем не менее, экспоненциальную границу все еще можно уменьшить на субэкспоненциальный множитель порядка ${displaystyle 1/{sqrt {N}}}$; это следует из Приближение Стирлинга применяется к биномиальный коэффициент появляясь в Распределение Бернулли.) Отсюда получаем следующий результат:

${displaystyle P(M_{N}>x)approx exp(-NI(x)).}$

Вероятность ${displaystyle P(M_{N}>x)}$ экспоненциально затухает как ${displaystyle N o infty }$ по ставке в зависимости от Икс. Эта формула аппроксимирует любую хвостовую вероятность выборочного среднего значения i.i.d. переменных и дает свою сходимость по мере увеличения числа выборок.

Большие отклонения для сумм независимых случайных величин

Основная статья: Теорема Крамера (большие уклонения)

В приведенном выше примере подбрасывания монеты мы явно предполагали, что каждое подбрасывание - это независимое испытание, и вероятность выпадения головы или хвоста всегда одинакова.

Позволять ${displaystyle X,X_{1},X_{2},ldots }$ быть независимые и одинаково распределенные (i.i.d.) случайные величины, общее распределение которых удовлетворяет определенному условию роста. Тогда существует следующий предел:

${displaystyle lim _{N o infty }{frac {1}{N}}ln P(M_{N}>x)=-I(x).}$

Здесь

${displaystyle M_{N}={frac {1}{N}}sum _{i=1}^{N}X_{i},}$

как прежде.

Функция ${displaystyle I(cdot )}$ называется "функция оценки "или" функция Крамера "или иногда" функция энтропии ".

Вышеупомянутый предел означает, что для больших ${displaystyle N}$,

${displaystyle P(M_{N}>x)approx exp[-NI(x)],}$

что является основным результатом теории больших уклонений.^[4][5]

Если мы знаем распределение вероятностей ${displaystyle X}$, можно получить явное выражение для функции скорости. Это дается Преобразование Лежандра – Фенхеля,^[6]

${displaystyle I(x)=sup _{ heta >0}[ heta x-lambda ( heta )],}$

куда

${displaystyle lambda ( heta )=ln operatorname {E} [exp( heta X)]}$

называется кумулянтная производящая функция (CGF) и ${displaystyle operatorname {E} }$ обозначает математическое ожидание.

Если ${displaystyle X}$ следует за нормальное распределение, функция скорости становится параболой с вершиной в среднем нормального распределения.

Если ${displaystyle {X_{i}}}$ это Цепь Маркова, изложенный выше вариант результата основных больших отклонений может иметь место.^{[нужна цитата ]}

Формальное определение

Учитывая Польское пространство ${displaystyle {mathcal {X}}}$ позволять ${displaystyle {mathbb {P} _{N}}}$ быть последовательностью Борель вероятностные меры на ${displaystyle {mathcal {X}}}$, позволять ${displaystyle {a_{N}}}$ последовательность положительных действительных чисел такая, что ${displaystyle lim _{N}a_{N}=infty ,}$ и наконец позвольте ${displaystyle I:{mathcal {X}} o [0,infty ]}$ быть полунепрерывный снизу функционирует на ${displaystyle {mathcal {X}}.}$ Последовательность ${displaystyle {mathbb {P} _{N}}}$ считается, что удовлетворяет принцип большого отклонения с скорость ${displaystyle {a_{n}}}$ и ставка ${displaystyle I}$ тогда и только тогда, когда для каждого Бореля измеримый набор ${displaystyle Esubset {mathcal {X}},}$

${displaystyle -inf _{xin E^{circ }}I(x)leq varliminf _{N}a_{N}^{-1}log(mathbb {P} _{N}(E))leq varlimsup _{N}a_{N}^{-1}log(mathbb {P} _{N}(E))leq -inf _{xin {overline {E}}}I(x),}$

куда ${displaystyle {overline {E}}}$ и ${displaystyle E^{circ }}$ обозначим соответственно закрытие и интерьер из ${displaystyle E.}$^{[нужна цитата ]}

Краткая история

Первые строгие результаты о больших уклонениях принадлежат шведскому математику. Харальд Крамер, который применил их для моделирования страхового бизнеса.^[7] С точки зрения страховой компании, ежемесячный доход фиксируется (ежемесячный взнос), но претензии приходят случайным образом. Чтобы компания была успешной в течение определенного периода времени (желательно много месяцев), общая прибыль должна превышать общую сумму требований. Таким образом, чтобы оценить премию, необходимо задать следующий вопрос: «Что выбрать в качестве премии? ${displaystyle q}$ так что за ${displaystyle N}$ месяцев общая претензия ${displaystyle C=Sigma X_{i}}$ должно быть меньше чем ${displaystyle Nq}$? "Очевидно, это тот же вопрос, который задает теория больших отклонений. Крамер дал решение этого вопроса для i.i.d. случайные переменные, где функция скорости выражается как степенной ряд.

Очень неполный список математиков, добившихся важных успехов, будет включать: Петров,^[8] Санов,^[9] S.R.S. Варадхан (который получил премию Абеля за вклад в теорию), Д. Рюэль, О. Lanford, Амир Дембо, и Офер Зейтуни.^[10]

Приложения

Принципы больших отклонений могут быть эффективно применены для сбора информации из вероятностной модели. Таким образом, теория больших уклонений находит свое применение в теория информации и управление рисками. В физике наиболее известные приложения теории больших уклонений возникают в термодинамика и статистическая механика (в связи с энтропия с функцией скорости).

Большие отклонения и энтропия

Основная статья: асимптотическое свойство равнораспределения

Функция ставки связана с энтропия в статистической механике. Эвристически это можно увидеть следующим образом. В статистической механике энтропия конкретного макросостояния связана с количеством микросостояний, которое соответствует этому макросостоянию. В нашем примере с подбрасыванием монеты среднее значение ${displaystyle M_{N}}$ может обозначать конкретное макросостояние. И определенная последовательность орла и решки, которая дает начало определенному значению ${displaystyle M_{N}}$ образует особое микрогосударство. Грубо говоря, макросостояние, имеющее большее количество вызывающих его микросостояний, имеет более высокую энтропию. А состояние с более высокой энтропией имеет больше шансов на реализацию в реальных экспериментах. Макросостояние со средним значением 1/2 (столько же орлов, сколько решек) имеет наибольшее количество микросостояний, порождающих его, и это действительно состояние с самой высокой энтропией. И в большинстве практических ситуаций мы действительно получим это макросостояние при большом количестве испытаний. С другой стороны, «функция скорости» измеряет вероятность появления определенного макросостояния. Чем меньше функция скорости, тем выше вероятность появления макросостояния. В нашем подбрасывании монеты значение «функции курса» для среднего значения, равного 1/2, равно нулю. Таким образом, можно рассматривать «функцию скорости» как отрицательную величину «энтропии».

Существует связь между "функцией скорости" в теории больших отклонений и Дивергенция Кульбака – Лейблера, соединение устанавливается Теорема Санова (см. Санов^[9] и Новак,^[11] гл. 14.5).

В частном случае большие отклонения тесно связаны с понятием Пределы Громова – Хаусдорфа..^[12]

Смотрите также

• Принцип большого отклонения
• Теорема Крамера о большом уклонении
• Неравенство Чернова
• Теорема Санова
• Принцип сжатия (теория больших отклонений), результат того, насколько большие отклонения принципов »продвигать "
• Теорема Фрейдлина – Вентцелля., принцип больших уклонений для Itō диффузии
• Принцип Лапласа, принцип больших отклонений в р^d
• Метод Лапласа
• Теорема шильдера, принцип больших уклонений для Броуновское движение
• Лемма Варадхана
• Теория экстремальных ценностей
• Большие отклонения гауссовских случайных функций

Рекомендации

1. S.R.S. Варадхан, Асимптотическая вероятность и дифференциальные уравнения, Comm. Pure Appl. Математика. 19 (1966),261-286.
2. «Большие отклонения для анализа производительности: очереди, связь и вычисления», Шварц, Адам, 1953 - TN: 1228486
3. Варадхан С.Р.С., Анналы вероятностей, 2008, т. 36, № 2, 397–419, г. [1]
4. http://math.nyu.edu/faculty/varadhan/Spring2012/Chapters1-2.pdf
5. S.R.S. Варадхан, Большие отклонения и приложения (SIAM, Филадельфия, 1984)
6. Тушетт, Хьюго (1 июля 2009 г.). «Подход больших уклонений в статистической механике». Отчеты по физике. 478 (1–3): 1–69. arXiv:0804.0327. Bibcode:2009ФР ... 478 .... 1Т. Дои:10.1016 / j.physrep.2009.05.002.
7. Крамер, Х. (1944). О новой предельной теореме теории вероятностей. Успехи математических наук, (10), 166-178.
8. Петров В.В. (1954) Обобщение предельной теоремы Крамера. Успехи Матем. Наук, т. 9, No 4 (62), 195--202.
9. Санов И.Н. (1957) О вероятности больших отклонений случайных величин. Матем. Сборник, т. 42 (84), 11--44.
10. Дембо, А., и Зейтуни, О. (2009). Техника больших отклонений и приложения (Том 38). Springer Science & Business Media
11. Новак С.Ю. (2011) Экстремальные методы ценности с приложениями к финансам. Чепмен и Холл / CRC Press. ISBN  978-1-4398-3574-6.
12. Котани М., Сунада Т. Большое отклонение и касательный конус на бесконечности кристаллической решетки, Математика. Z. 254, (2006), 837-870.

Библиография

• Специальная приглашенная статья: Большие отклонения С. Р. С. Варадхан. Анналы вероятности 2008, Vol. 36, № 2, 397–419 Дои:10.1214 / 07-AOP348
• Энтропия, большие отклонения и статистическая механика Р.С. Эллис, Издательство Springer. ISBN  3-540-29059-1
• Большие отклонения для анализа производительности Алана Вайса и Адама Шварца. Чепмен и Холл ISBN  0-412-06311-5
• Методы больших отклонений и их применение Амир Дембо и Офер Зейтуни. Springer ISBN  0-387-98406-2
• Случайные возмущения динамических систем М.И. Фрейдлин и А.Д.Вентцелль. Springer ISBN  0-387-98362-7
• «Большие уклонения для двумерного уравнения Навье-Стокса с мультипликативным шумом», С. С. Шритаран и П. Сундар, Стохастические процессы и их приложения, Vol. 116 (2006) 1636–1659.[2]
• «Большие отклонения для модели турбулентности со стохастической оболочкой», У. Манна, С. С. Шритаран, П. Сундар, NoDEA Nonlinear Differential Equations Appl. 16 (2009), нет. 4, 493–521.[3]

внешняя ссылка

• Элементарное введение в теорию больших уклонений