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概率论-CH6-集中不等式与大数定理

概率论-CH6-集中不等式与大数定理,待补充摘要。

May 27, 2026 修考 37 min read

https://www.eecs70.org/assets/pdf/notes/n19.pdf

集中不等式与大数定理 (Concentration Inequalities & LLN)

本篇笔记基于 UC Berkeley CS 70 概率论部分,结合手写笔记的逻辑进行整理与深度润色。旨在用最直观的语言解释核心定理的推导,解决学习中的疑难点。

目录

  1. 核心背景与问题引入
  2. 马尔可夫不等式 (Markov’s Inequality)
  3. 切比雪夫不等式 (Chebyshev’s Inequality)
  4. 应用:估计值偏离的界限 (Estimating Bias)
  5. 弱大数定理 (Weak Law of Large Numbers)

1. 核心背景与问题引入

1.1 什么是大数定理?

大数定理(Law of Large Numbers)是我们日常经验的数学化描述:随着实验次数 nn 的增加,样本的平均值会越来越接近其理论期望值 μ\mu。

  • 直观例子:假设我们有一枚硬币,其真实的正面概率为 pp(此参数未知)。我们将其抛掷 nn 次,观察到正面朝上的总次数为 SnS_n。

  • 根据二项分布,正面朝上次数的期望值为 E[Sn]=np\mathbb{E}[S_n] = np。

  • 我们用样本均值(Sample Average) p^=Snn\hat{p} = \frac{S_n}{n} 作为对真实概率 pp 的估计值。

  • 根据期望的线性性质,这个估计是无偏的:

    E[p^]=E[Snn]=1nE[Sn]=1n(np)=p\mathbb{E}[\hat{p}] = \mathbb{E}\left[\frac{S_n}{n}\right] = \frac{1}{n}\mathbb{E}[S_n] = \frac{1}{n}(np) = p

  • 为什么要抛很多次硬币,而不是只抛一次? 因为抛的次数 nn 越多,估计值 p^\hat{p} 偏离真实值 pp 的可能性就越小。

1.2 误差区间与置信度:nn 应该取多大?

如果我们希望估计误差在 ϵ\epsilon 以内(即 ∣p^−p∣≤ϵ|\hat{p} - p| \le \epsilon),我们需要多大的样本量 nn?

  • 痛点纠正:我们不可能“完全百分之百”保证估计值落在误差区间内。因为即使硬币是均匀的(p=0.5p=0.5),在极小概率下,我们也有可能连续抛出 nn 次正面(概率为 0.5n0.5^n),此时 p^=1\hat{p}=1,误差极大。

  • 妥协方案:我们不要求“绝对保证”,而是要求“高概率保证”。引入置信度(Confidence) 1−δ1-\delta,即:

    P[∣p^−p∣≤ϵ]≥1−δ\mathbb{P}[|\hat{p} - p| \le \epsilon] \ge 1 - \delta

    或者等价地,限制估计失败(偏离均值超过 ϵ\epsilon)的概率在 δ\delta 以内:

    P[∣p^−p∣≥ϵ]≤δ\mathbb{P}[|\hat{p} - p| \ge \epsilon] \le \delta

💡 核心公式:如何记住样本量 nn 的下界?

在后续的推导中,我们会得到一个非常著名的样本量界限公式:

n≥14ϵ2δn \ge \frac{1}{4\epsilon^2\delta}

学习助手提示:你提到“我记不住这个公式”。别担心!这个公式并不是凭空产生的,

它是由切比雪夫不等式推导出来的。在 第 4 节 中,我们会一步步推导它。

理解了它的来龙去脉,你就再也不需要死记硬背了!

2. 马尔可夫不等式 (Markov’s Inequality)

马尔可夫不等式是集中不等式中最基础的一个,它仅适用于非负随机变量。

2.1 定理内容

设 XX 是一个非负随机变量(即对所有样本点, X(ω)≥0X(\omega) \ge 0),且其期望 E[X]\mathbb{E}[X] 存在。则对于任意常数 c>0c > 0:

P[X≥c]≤E[X]c\mathbb{P}[X \ge c] \le \frac{\mathbb{E}[X]}{c}

  • 直观物理理解:如果大家的平均财富是 1 万元(E[X]=1\mathbb{E}[X]=1),那么拥有至少 5 万元(c=5c=5)的人数比例不可能超过 15=20%\frac{1}{5} = 20\%。如果超过了 20%20\%,哪怕其他所有人的财富都是 0,总体的平均财富也会超过 1 万元,这与事实矛盾。

2.2 两种证明方法详解(带你彻底看懂)

学习助手提示:你提到“两种证明方法我没怎么看明白”。我们用最直观、展开的方式重新推导它们。

证明方法一:代数求和/积分法(最经典、直观)

假设 XX 是离散随机变量,其值域为 A\mathcal{A}(因为 XX 非负,所以 A\mathcal{A} 中的元素都 ≥0\ge 0)。 我们要计算 XX 的期望 E[X]\mathbb{E}[X]。根据期望的定义,我们将求和拆分为“小于 cc”和“大于等于 cc”两部分:

E[X]=∑a∈Aa⋅P[X=a] =∑a<ca⋅P[X=a]+∑a≥ca⋅P[X=a]\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{a \in \mathcal{A}} a \cdot \mathbb{P}[X = a] \ &= \sum_{a < c} a \cdot \mathbb{P}[X = a] + \sum_{a \ge c} a \cdot \mathbb{P}[X = a] \end{aligned}

现在我们进行两步“缩放”:

  1. 因为所有 a≥0a \ge 0,第一项 ∑a<ca⋅P[X=a]≥0\sum_{a < c} a \cdot \mathbb{P}[X = a] \ge 0。如果直接扔掉第一项,求和的值只会变小(或不变):

    E[X]≥∑a≥ca⋅P[X=a]\mathbb{E}[X] \ge \sum_{a \ge c} a \cdot \mathbb{P}[X = a]

  2. 对于在第二项中求和的所有 aa,它们都满足 a≥ca \ge c。如果我们把所有的 aa 替换成更小的常数 cc,整个和式会进一步变小(或不变):

    E[X]≥∑a≥cc⋅P[X=a]=c∑a≥cP[X=a]\mathbb{E}[X] \ge \sum_{a \ge c} c \cdot \mathbb{P}[X = a] = c \sum_{a \ge c} \mathbb{P}[X = a]

由于 ∑a≥cP[X=a]\sum_{a \ge c} \mathbb{P}[X = a] 恰好就是随机变量 X≥cX \ge c 的概率 P[X≥c]\mathbb{P}[X \ge c],我们得到:

E[X]≥c⋅P[X≥c]\mathbb{E}[X] \ge c \cdot \mathbb{P}[X \ge c]

两边同除以 cc(因为 c>0c > 0),即得证:

P[X≥c]≤E[X]c\mathbb{P}[X \ge c] \le \frac{\mathbb{E}[X]}{c}

证明方法二:指示随机变量法(最现代、简洁)

首先引入指示随机变量(Indicator Random Variable)。对于事件 E\mathcal{E},定义: IE={1,若 E 发生 0,若 E 未发生I{\mathcal{E}} = \begin{cases} 1, & \text{若 } \mathcal{E} \text{ 发生} \ 0, & \text{若 } \mathcal{E} \text{ 未发生} \end{cases} 它的一个关键性质是:其期望值等于该事件发生的概率,即 E[I{E}]=P[E]\mathbb{E}[I\{\mathcal{E}\}] = \mathbb{P}[\mathcal{E}]。

对于任意样本点 ω\omega,因为 X(ω)≥0X(\omega) \ge 0 且 c>0c > 0,我们有以下必然成立的不等式:

X(ω)≥c⋅I{X(ω)≥c}X(\omega) \ge c \cdot I\{X(\omega) \ge c\}

  • 为什么成立?分两种情况验证:
    1. 若 X(ω)<cX(\omega) < c,则指示变量为 00,右边为 c⋅0=0c \cdot 0 = 0。显然 X(ω)≥0X(\omega) \ge 0 成立。
    2. 若 X(ω)≥cX(\omega) \ge c,则指示变量为 11,右边为 c⋅1=cc \cdot 1 = c。显然 X(ω)≥cX(\omega) \ge c 成立。

既然在每一个样本点上,左边的函数值都大于等于右边,那么它们的期望也必然满足同样的大小关系(期望单调性):

E[X]≥E[c⋅I{X≥c}]\mathbb{E}[X] \ge \mathbb{E}[c \cdot I\{X \ge c\}]

利用期望的线性性质,把常数 cc 提出来,并将指示变量的期望换写为概率:

E[X]≥c⋅E[I{X≥c}]=c⋅P[X≥c]\mathbb{E}[X] \ge c \cdot \mathbb{E}[I\{X \ge c\}] = c \cdot \mathbb{P}[X \ge c]

同除以 cc 即得证:

P[X≥c]≤E[X]c\mathbb{P}[X \ge c] \le \frac{\mathbb{E}[X]}{c}

2.3 经典例题:抛硬币的马尔可夫上界

【题目】 抛掷一枚均匀的硬币 nn 次,用 XX 表示正面朝上的次数。求观察到正面朝上次数超过 34n\frac{3}{4}n 的概率上界。

【解析过程】

  1. 确定分布与期望: 硬币正面朝上次数 XX 服从二项分布 X∼Binomial(n,0.5)X \sim \text{Binomial}(n, 0.5)。(此处手写笔记中写成了超几何分布,需要修正为二项分布,因为每次抛硬币是相互独立的重复实验)。 所以期望值为:

    E[X]=n⋅p=12n\mathbb{E}[X] = n \cdot p = \frac{1}{2}n

  2. 应用马尔可夫不等式: 因为 X≥0X \ge 0 恒成立,且常数 c=34n>0c = \frac{3}{4}n > 0,可直接代入公式:

    P[X≥34n]≤E[X]34n=12n34n=23\mathbb{P}\left[X \ge \frac{3}{4}n\right] \le \frac{\mathbb{E}[X]}{\frac{3}{4}n} = \frac{\frac{1}{2}n}{\frac{3}{4}n} = \frac{2}{3}

  3. 结果分析与“不等式与实际的区别”:

    • 通过马尔可夫不等式得到的概率上界是 23≈0.667\frac{2}{3} \approx 0.667,这个界限完全不依赖于抛掷次数 nn。

    • 但实际概率是多少呢?根据二项分布的精确求和公式:

      P[X≥34n]=∑k=⌈34n⌉n(nk)(12)n\mathbb{P}\left[X \ge \frac{3}{4}n\right] = \sum_{k=\lceil \frac{3}{4}n \rceil}^{n} \binom{n}{k} \left(\frac{1}{2}\right)^n

      • 当 n=10n = 10 时,实际概率约为 5.5×10−2=0.0555.5 \times 10^{-2} = 0.055
      • 当 n=100n = 100 时,实际概率约为 2.8×10−72.8 \times 10^{-7}
    • 结论:随着 nn 增大,实际概率会呈指数级衰减。然而马尔可夫不等式给出的界依然死板地停留在 23\frac{2}{3}。这说明马尔可夫不等式给出的上界非常宽松(Loose),它没有考虑方差,因此无法捕捉随着样本量增大而产生的“集中效应”。

3. 切比雪夫不等式 (Chebyshev’s Inequality)

为了解决马尔可夫不等式过于宽松的问题,我们引入了考虑方差(衡量数据散布程度的工具)的切比雪夫不等式。

3.1 定理内容

设 XX 是一个具有有限期望值 E[X]=μ\mathbb{E}[X] = \mu 和有限方差 Var(X)Var(X) 的任意随机变量。则对任意常数 c>0c > 0:

P[∣X−μ∣≥c]≤Var(X)c2\mathbb{P}[|X - \mu| \ge c] \le \frac{Var(X)}{c^2}

  • 直观物理理解:随机变量偏离其均值 μ\mu 的距离超过 cc 的概率,绝对不会超过它的方差除以 c2c^2。偏离的阈值 cc 越大,不确定性(概率)就以二次方的速度迅速衰减。

3.2 证明推导

切比雪夫不等式的妙处在于,它实际上就是对一个精心构造的非负随机变量应用马尔可夫不等式。

  1. 定义一个新的随机变量 Y=(X−μ)2Y = (X - \mu)^2。

    • 因为任何实数的平方都是非负的,所以 YY 必然是一个非负随机变量(Y≥0Y \ge 0)。
    • 根据方差的定义,其期望值为:E[Y]=E[(X−μ)2]=Var(X)\mathbb{E}[Y] = \mathbb{E}[(X - \mu)^2] = Var(X)。
  2. 注意到以下两个事件是完全等价的:

    {∣X−μ∣≥c}  ⟺  {(X−μ)2≥c2}  ⟺  {Y≥c2}\{|X - \mu| \ge c\} \iff \left\{(X - \mu)^2 \ge c^2\right\} \iff \{Y \ge c^2\}

    所以它们的概率也完全相同:

    P[∣X−μ∣≥c]=P[Y≥c2]\mathbb{P}[|X - \mu| \ge c] = \mathbb{P}[Y \ge c^2]

  3. 因为 YY 非负,且常数 c2>0c^2 > 0,我们对 YY 应用马尔可夫不等式:

    P[Y≥c2]≤E[Y]c2\mathbb{P}[Y \ge c^2] \le \frac{\mathbb{E}[Y]}{c^2}

  4. 将 E[Y]=Var(X)\mathbb{E}[Y] = Var(X) 代回,即得证:

    P[∣X−μ∣≥c]≤Var(X)c2\mathbb{P}[|X - \mu| \ge c] \le \frac{Var(X)}{c^2}

3.3 经典例题:重新讨论硬币问题

【题目】 抛掷一枚均匀硬币 nn 次,用 XX 表示正面朝上的次数。利用切比雪夫不等式求 P[X≥34n]\mathbb{P}[X \ge \frac{3}{4}n] 的上界。

【解析过程】

  1. 计算均值与方差: 由于 X∼Binomial(n,0.5)X \sim \text{Binomial}(n, 0.5),我们有:

    • 期望 μ=E[X]=n2\mu = \mathbb{E}[X] = \frac{n}{2}
    • 方差 Var(X)=n⋅p⋅(1−p)=n⋅12⋅12=n4Var(X) = n \cdot p \cdot (1-p) = n \cdot \frac{1}{2} \cdot \frac{1}{2} = \frac{n}{4}
  2. 将单边概率转化为双边绝对值概率: 我们想估算 X≥34nX \ge \frac{3}{4}n 的概率。注意到当 X≥34nX \ge \frac{3}{4}n 时,它偏离期望的距离为 X−n2≥n4X - \frac{n}{2} \ge \frac{n}{4}。 因此,单边事件是双边偏差事件的子集:

    P[X≥34n]=P[X−n2≥n4]≤P[∣X−n2∣≥n4]\mathbb{P}\left[X \ge \frac{3}{4}n\right] = \mathbb{P}\left[X - \frac{n}{2} \ge \frac{n}{4}\right] \le \mathbb{P}\left[\left|X - \frac{n}{2}\right| \ge \frac{n}{4}\right]

  3. 应用切比雪夫不等式: 这里偏差阈值 c=n4c = \frac{n}{4}。代入公式得:

    P[∣X−n2∣≥n4]≤Var(X)c2=n4(n4)2=1n4=4n\mathbb{P}\left[\left|X - \frac{n}{2}\right| \ge \frac{n}{4}\right] \le \frac{Var(X)}{c^2} = \frac{\frac{n}{4}}{\left(\frac{n}{4}\right)^2} = \frac{1}{\frac{n}{4}} = \frac{4}{n}

  4. 结论对比:

    • 切比雪夫上界为 4n\frac{4}{n}。
    • 对比马尔可夫:马尔可夫给出的上界是常数 23\frac{2}{3},而切比雪夫给出的上界随 nn 的增大而逐渐减小(当 n=100n=100 时,上界仅为 0.040.04)。这明显是一个好得多的界!

4. 应用:估计值偏离的界限 (Estimating Bias)

学习助手提示:你提到“这个例题的求解没太看明白,但很重要”。这就是课本核心应用部分——如何用抛硬币估计概率 pp,并推导出那个“记不住”的样本量公式。我们在此进行最细致的拆解:

4.1 问题建模与方差推导

我们有独立同分布(i.i.d.)的硬币抛掷结果 X1,X2,…,XnX_1, X_2, \dots, X_n,其中每次抛掷 Xi∈{0,1}X_i \in \{0, 1\},且 P[Xi=1]=p\mathbb{P}[X_i = 1] = p。

  • 单次抛掷的均值与方差:

    E[Xi]=p\mathbb{E}[X_i] = p

    Var(Xi)=p(1−p)Var(X_i) = p(1-p)

  • 样本均值的期望:

    p^=Snn=1n∑i=1nXi  ⟹  E[p^]=p\hat{p} = \frac{S_n}{n} = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i \implies \mathbb{E}[\hat{p}] = p

  • 样本均值的方差(注意常数提到方差外面要平方,且独立变量相加方差也相加):

    Var(p^)=Var(1n∑i=1nXi)=1n2∑i=1nVar(Xi)=1n2⋅n⋅p(1−p)=p(1−p)nVar(\hat{p}) = Var\left(\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i\right) = \frac{1}{n^2} \sum_{i=1}^n Var(X_i) = \frac{1}{n^2} \cdot n \cdot p(1-p) = \frac{p(1-p)}{n}

4.2 核心不等式推导

我们希望估计偏离误差超过 ϵ\epsilon 的概率被控制在 δ\delta 以内。直接对 p^\hat{p} 应用切比雪夫不等式:

P[∣p^−p∣≥ϵ]≤Var(p^)ϵ2=p(1−p)nϵ2\mathbb{P}[|\hat{p} - p| \ge \epsilon] \le \frac{Var(\hat{p})}{\epsilon^2} = \frac{p(1-p)}{n\epsilon^2}

为了实现置信度要求,我们只要让这个概率的上界小于等于 δ\delta 即可:

p(1−p)nϵ2≤δ  ⟹  n≥p(1−p)ϵ2δ\frac{p(1-p)}{n\epsilon^2} \le \delta \implies n \ge \frac{p(1-p)}{\epsilon^2\delta}

4.3 为什么最大化 p(1−p)p(1-p) 得到常数 14\frac{1}{4}?

在实际情况中,真实的 pp 正是我们想要去估计的未知数,我们根本不知道 p(1−p)p(1-p) 是多少! 为了保证在任何可能的真实 pp 下,我们的样本量 nn 都足够大,我们需要采用最坏情况(Worst-case),即寻找 p(1−p)p(1-p) 的最大可能值。

  • 极值推导: 设函数 f(p)=p(1−p)=p−p2f(p) = p(1-p) = p - p^2,其中 0≤p≤10 \le p \le 1。 求导数并令其为 0:

    f′(p)=1−2p=0  ⟹  p=12f'(p) = 1 - 2p = 0 \implies p = \frac{1}{2}

    因为二阶导数 f′′(p)=−2<0f''(p) = -2 < 0,所以在 p=12p=\frac{1}{2} 处取得极大值(也是最大值):

    max⁡pp(1−p)=12(1−12)=14\max_{p} p(1-p) = \frac{1}{2}\left(1 - \frac{1}{2}\right) = \frac{1}{4}

  • 最保守的样本量界限: 既然对任意 pp,都有 p(1−p)≤14p(1-p) \le \frac{1}{4},我们直接把 p(1−p)p(1-p) 替换成其最大上限 14\frac{1}{4}:

    n≥p(1−p)ϵ2δ  ⟸  n≥1/4ϵ2δ=14ϵ2δn \ge \frac{p(1-p)}{\epsilon^2\delta} \impliedby n \ge \frac{1/4}{\epsilon^2\delta} = \frac{1}{4\epsilon^2\delta}

这就是公式 n≥14ϵ2δn \ge \frac{1}{4\epsilon^2\delta} 的完整诞生过程!

4.4 补充应用例题(巩固理解)

学习助手提示:为你补充一个简单的数值例题,帮助你切实掌握公式应用。

【题目】 民意调查机构想要估算大选中某候选人的支持率 pp。要求估计值 p^\hat{p} 与真实支持率 pp 的误差不超过 0.050.05(即 ϵ=0.05\epsilon = 0.05)的概率至少为 95%95\%(即置信度 1−δ=0.951-\delta = 0.95,得出置信失败允许的最大概率 δ=0.05\delta = 0.05)。请问最少需要随机电话采访多少位选民?

【解析过程】

  1. 明确已知参数:

    • 允许误差极限 ϵ=0.05\epsilon = 0.05
    • 允许失败概率 δ=1−0.95=0.05\delta = 1 - 0.95 = 0.05
  2. 套用推导出的样本量下界公式:

    n≥14ϵ2δn \ge \frac{1}{4\epsilon^2\delta}

  3. 代入具体数值计算:

    n≥14⋅(0.05)2⋅0.05=14⋅0.0025⋅0.05=10.01⋅0.05=10.0005=2000n \ge \frac{1}{4 \cdot (0.05)^2 \cdot 0.05} = \frac{1}{4 \cdot 0.0025 \cdot 0.05} = \frac{1}{0.01 \cdot 0.05} = \frac{1}{0.0005} = 2000

  4. 答案: 最少需要调查 20002000 位选民。 (值得注意的是,这个选民样本量的大小完全不依赖于整个国家总人口的多寡。)

5. 弱大数定理 (Weak Law of Large Numbers)

通过切比雪夫不等式,我们终于可以严谨地证明弱大数定理。

5.1 定理内容

设 X1,X2,…X_1, X_2, \dots 是一组独立同分布(i.i.d.)的随机变量序列,它们具有共同的有限期望 E[Xi]=μ\mathbb{E}[X_i] = \mu 和有限方差 Var(Xi)=σ2Var(X_i) = \sigma^2。 用 Sn=X1+⋯+XnS_n = X_1 + \dots + X_n 表示前 nn 项和,则对任意给定的任意小的误差 ϵ>0\epsilon > 0:

P[∣1nSn−μ∣≥ϵ]→0(当 n→∞ 时)\mathbb{P}\left[\left|\frac{1}{n}S_n - \mu\right| \ge \epsilon\right] \to 0 \quad (\text{当 } n \to \infty \text{ 时})

5.2 证明推导

  1. 计算样本均值 Xˉn=1nSn\bar{X}_n = \frac{1}{n}S_n 的均值和方差:

    • E[Xˉn]=μ\mathbb{E}[\bar{X}_n] = \mu
    • Var(Xˉn)=σ2nVar(\bar{X}_n) = \frac{\sigma^2}{n}
  2. 对 Xˉn\bar{X}_n 直接应用切比雪夫不等式:

    P[∣1nSn−μ∣≥ϵ]≤Var(Xˉn)ϵ2=σ2nϵ2\mathbb{P}\left[\left|\frac{1}{n}S_n - \mu\right| \ge \epsilon\right] \le \frac{Var(\bar{X}_n)}{\epsilon^2} = \frac{\sigma^2}{n\epsilon^2}

  3. 令 n→∞n \to \infty。由于 σ2\sigma^2 和 ϵ2\epsilon^2 是固定的常数,当分母中的 nn 趋于无穷大时,右侧的上界趋于 0:

    lim⁡n→∞σ2nϵ2=0\lim_{n\to\infty} \frac{\sigma^2}{n\epsilon^2} = 0

  4. 因为概率值不可能为负数,夹逼定理可证:

    lim⁡n→∞P[∣1nSn−μ∣≥ϵ]=0\lim_{n\to\infty} \mathbb{P}\left[\left|\frac{1}{n}S_n - \mu\right| \ge \epsilon\right] = 0

定理直观结语:只要我们取样足够多,样本均值与理论均值产生任何细微偏差(ϵ\epsilon)的概率,在极限下都将归于零。


集中不等式与大数定律:教材经典习题精析

本学习文件精心挑选了日本概率论教材中与《集中不等式与大数定理》高度匹配的 3 道核心习题。每道题均配有日汉双语对照、直观的解题思路、严谨的数学推导以及方法论总结,旨在帮助你彻底攻克学习难关。

习题一:馬爾可夫与切比雪夫不等式的通用推导 (問題 49)

1.1 日语原题 (Original Textbook Text)

問題 49 (確率不等式と大数の弱法則)

(1) 確率変数 XX の確率密度関数を f(x)f(x) とする。任意の非負値関数 h(x)≥0h(x) \ge 0 と、任意の定数 a>0a > 0 に対して、次を示せ。

P[h(X)≥a]≤E[h(X)]a\mathbb{P}[h(X) \ge a] \le \frac{\mathbb{E}[h(X)]}{a}

(2) (1) を用いて、平均 μ\mu、分散 σ2\sigma^2 をもつ任意の確率変数 XX に対するチェビシェフの不等式:

P[∣X−μ∣≥k]≤σ2k2(k>0)\mathbb{P}[|X - \mu| \ge k] \le \frac{\sigma^2}{k^2} \quad (k > 0)

を証明せよ。

(3) 互いに独立に平均 μ\mu、分散 σ2\sigma^2 の同一の分布に従う確率変数序列 X1,X2,…,XnX_1, X_2, \dots, X_n に対し、大数の弱法則:

lim⁡n→∞P[∣X1+X2+⋯+Xnn−μ∣≥ϵ]=0(ϵ>0)\lim_{n \to \infty} \mathbb{P}\left[\left|\frac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{n} - \mu\right| \ge \epsilon\right] = 0 \quad (\epsilon > 0)

を示せ。

1.2 中文翻译

问题 49 (概率不等式与大数弱定律)

(1) 设 XX 的概率密度函数为 f(x)f(x)。对于任意非负函数 h(x)≥0h(x) \ge 0 和任意常数 a>0a > 0,证明:

P[h(X)≥a]≤E[h(X)]a\mathbb{P}[h(X) \ge a] \le \frac{\mathbb{E}[h(X)]}{a}

(2) 利用 (1) 的结论,证明具有均值 μ\mu、方差 σ2\sigma^2 的任意随机变量 XX 均满足切比雪夫不等式:

P[∣X−μ∣≥k]≤σ2k2(k>0)\mathbb{P}[|X - \mu| \ge k] \le \frac{\sigma^2}{k^2} \quad (k > 0)

(3) 设 X1,X2,…,XnX_1, X_2, \dots, X_n 是独立同分布(i.i.d.)的随机变量序列,其共同均值为 μ\mu,共同方差为 σ2\sigma^2。证明大数弱定律:

lim⁡n→∞P[∣X1+X2+⋯+Xnn−μ∣≥ϵ]=0(ϵ>0)\lim_{n \to \infty} \mathbb{P}\left[\left|\frac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{n} - \mu\right| \ge \epsilon\right] = 0 \quad (\epsilon > 0)

1.3 详细解答过程 (Step-by-Step Solution)

第一问证明:广义马尔可夫不等式

由于 XX 是连续型随机变量(教材本章主题),我们利用其概率密度函数 f(x)f(x) 进行积分推导。 期望 E[h(X)]\mathbb{E}[h(X)] 的定义式为:

E[h(X)]=∫−∞∞h(x)f(x)dx\mathbb{E}[h(X)] = \int_{-\infty}^{\infty} h(x) f(x) dx

我们定义实数集上的一个子集 M={x∈R∣h(x)≥a}M = \{x \in \mathbb{R} \mid h(x) \ge a\}。由于 h(x)≥0h(x) \ge 0 且 f(x)≥0f(x) \ge 0,我们可以将积分区间拆分为 MM 和 MM 的补集 McM^c: E[h(X)]=∫Mh(x)f(x)dx+∫Mch(x)f(x)dx ≥∫Mh(x)f(x)dx(因为在补集 Mc 上 h(x)f(x)≥0)\begin{aligned} \mathbb{E}[h(X)] &= \int_{M} h(x) f(x) dx + \int_{M^c} h(x) f(x) dx \ &\ge \int_{M} h(x) f(x) dx \quad (\text{因为在补集 } M^c \text{ 上 } h(x)f(x) \ge 0) \end{aligned}

对于属于集合 MM 的所有 xx,根据定义均有 h(x)≥ah(x) \ge a。我们将积分中的 h(x)h(x) 替换为更小的常数 aa:

E[h(X)]≥∫Ma⋅f(x)dx=a∫Mf(x)dx\mathbb{E}[h(X)] \ge \int_{M} a \cdot f(x) dx = a \int_{M} f(x) dx

根据概率密度的物理意义,在区间 MM 上的积分恰好等于事件 {h(X)≥a}\{h(X) \ge a\} 发生的概率:

∫Mf(x)dx=P[h(X)≥a]\int_{M} f(x) dx = \mathbb{P}[h(X) \ge a]

因此,我们得到:

E[h(X)]≥a⋅P[h(X)≥a]\mathbb{E}[h(X)] \ge a \cdot \mathbb{P}[h(X) \ge a]

两边同除以 aa(因为 a>0a > 0),不等式得证:

P[h(X)≥a]≤E[h(X)]a■\mathbb{P}[h(X) \ge a] \le \frac{\mathbb{E}[h(X)]}{a} \quad \blacksquare

第二问证明:切比雪夫不等式

我们要证明 P[∣X−μ∣≥k]≤σ2k2\mathbb{P}[|X - \mu| \ge k] \le \frac{\sigma^2}{k^2}。

  1. 构造辅助函数:令 h(X)=(X−μ)2h(X) = (X - \mu)^2,显然对任意实数,平方值 h(X)≥0h(X) \ge 0 恒成立。

  2. 设定阈值:令常数 a=k2a = k^2(由于 k>0k > 0,故 a>0a > 0)。

  3. 利用第一问结论:

    P[(X−μ)2≥k2]≤E[(X−μ)2]k2\mathbb{P}[(X - \mu)^2 \ge k^2] \le \frac{\mathbb{E}[(X - \mu)^2]}{k^2}

  4. 化简不等式:

    • 左侧事件:(X−μ)2≥k2  ⟺  ∣X−μ∣≥k(X - \mu)^2 \ge k^2 \iff |X - \mu| \ge k。
    • 右侧期望:根据方差的定义,E[(X−μ)2]=Var(X)=σ2\mathbb{E}[(X - \mu)^2] = Var(X) = \sigma^2。

    直接代入即得:

    P[∣X−μ∣≥k]≤σ2k2■\mathbb{P}[|X - \mu| \ge k] \le \frac{\sigma^2}{k^2} \quad \blacksquare

第三问证明:大数弱定律 (WLLN)

  1. 构建样本均值变量: 设样本均值为 Xˉn=X1+X2+⋯+Xnn\bar{X}_n = \frac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{n}。

  2. 计算其期望与方差:

    • 期望的线性性质:

      E[Xˉn]=E[1n∑i=1nXi]=1n∑i=1nE[Xi]=1n(nμ)=μ\mathbb{E}[\bar{X}_n] = \mathbb{E}\left[\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i\right] = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n \mathbb{E}[X_i] = \frac{1}{n} (n\mu) = \mu

    • 独立变量方差的性质:

      Var(Xˉn)=Var(1n∑i=1nXi)=1n2∑i=1nVar(Xi)=1n2(nσ2)=σ2nVar(\bar{X}_n) = Var\left(\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i\right) = \frac{1}{n^2} \sum_{i=1}^n Var(X_i) = \frac{1}{n^2} (n\sigma^2) = \frac{\sigma^2}{n}

  3. 对 Xˉn\bar{X}_n 应用切比雪夫不等式: 对于任意给定的 ϵ>0\epsilon > 0,将 Xˉn\bar{X}_n 的期望 μ\mu 和方差 σ2n\frac{\sigma^2}{n} 代入:

    P[∣Xˉn−μ∣≥ϵ]≤Var(Xˉn)ϵ2=σ2nϵ2\mathbb{P}[|\bar{X}_n - \mu| \ge \epsilon] \le \frac{Var(\bar{X}_n)}{\epsilon^2} = \frac{\sigma^2}{n\epsilon^2}

  4. 求极限: 由于 σ2\sigma^2 和 ϵ2\epsilon^2 是常数,当 n→∞n \to \infty 时:

    lim⁡n→∞σ2nϵ2=0\lim_{n\to\infty} \frac{\sigma^2}{n\epsilon^2} = 0

    因此:

    lim⁡n→∞P[∣X1+X2+⋯+Xnn−μ∣≥ϵ]=0■\lim_{n \to \infty} \mathbb{P}\left[\left|\frac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{n} - \mu\right| \ge \epsilon\right] = 0 \quad \blacksquare

习题二:大数定律的极限定理计算应用 (問題 47)

2.1 日语原题 (Original Textbook Text)

問題 47 (大数の法則の応用)

X1,X2,…X_1, X_2, \dots は互いに独立に、同一の分布に従う確率変数で、その平均は E[X1]=μ\mathbb{E}[X_1] = \mu、二乗の期待値は E[X12]=α\mathbb{E}[X_1^2] = \alpha(ただし α>0\alpha > 0)とする。 このとき、次の極限値を求めよ。

lim⁡n→∞X1+X2+⋯+XnX12+X22+⋯+Xn2\lim_{n \to \infty} \frac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{X_1^2 + X_2^2 + \dots + X_n^2}

2.2 中文翻译

问题 47 (大数定律的应用)

设 X1,X2,…X_1, X_2, \dots 是独立同分布的随机变量序列,其共同均值为 E[X1]=μ\mathbb{E}[X_1] = \mu,共同二阶矩(平方的期望)为 E[X12]=α\mathbb{E}[X_1^2] = \alpha(其中 α>0\alpha > 0)。 求以下随机变量序列的极限值:

lim⁡n→∞X1+X2+⋯+XnX12+X22+⋯+Xn2\lim_{n \to \infty} \frac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{X_1^2 + X_2^2 + \dots + X_n^2}

2.3 详细解答过程 (Step-by-Step Solution)

第一步:代数变换(同除以 nn)

由于极限式中的分子和分母都随着 n→∞n \to \infty 而发散,我们无法直接求极限。数学上的经典技巧是:将分子和分母同时除以 nn,构造出“样本均值”的形式:

Yn=X1+X2+⋯+XnX12+X22+⋯+Xn2=1n∑i=1nXi1n∑i=1nXi2Y_n = \frac{X_1 + X_2 + \dots + X_n}{X_1^2 + X_2^2 + \dots + X_n^2} = \frac{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i}{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i^2}

第二步:分子应用大数定律

分子部分 Un=1n∑i=1nXiU_n = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i 是独立同分布变量 XiX_i 的样本均值。 根据大数定律(LLN),当 n→∞n \to \infty 时,它在概率上收敛于其期望值:

Un→PE[X1]=μU_n \xrightarrow{\mathbb{P}} \mathbb{E}[X_1] = \mu

第三步:分母应用大数定律

分母部分 Vn=1n∑i=1nXi2V_n = \frac{1}{n}\sum_{i=1}^n X_i^2 可以看作是一组新随机变量 Wi=Xi2W_i = X_i^2 的样本均值。 因为 X1,X2,…X_1, X_2, \dots 独立同分布,所以其平方序列 X12,X22,…X_1^2, X_2^2, \dots 也必定是独立同分布的。 该新序列的期望值为:

E[W1]=E[X12]=α\mathbb{E}[W_1] = \mathbb{E}[X_1^2] = \alpha

根据大数定律(LLN),分母在概率上收敛于:

Vn→PE[X12]=αV_n \xrightarrow{\mathbb{P}} \mathbb{E}[X_1^2] = \alpha

第四步:利用连续映射定理(Continuous Mapping Theorem)合并极限

若 Un→PμU_n \xrightarrow{\mathbb{P}} \mu 且 Vn→PαV_n \xrightarrow{\mathbb{P}} \alpha(其中 α>0\alpha > 0),则根据极限的代数性质,它们的商也收敛于极限值的商:

lim⁡n→∞Yn=lim⁡n→∞Unlim⁡n→∞Vn=μα\lim_{n \to \infty} Y_n = \frac{\lim_{n \to \infty} U_n}{\lim_{n \to \infty} V_n} = \frac{\mu}{\alpha}

【本题答案】

μα(或 μσ2+μ2)\frac{\mu}{\alpha} \quad \left(\text{或 } \frac{\mu}{\sigma^2 + \mu^2}\right)

习题三:硬币投掷中集中不等式界限的精确对比 (問題 33)

3.1 日语原题 (Original Textbook Text)

問題 33 (不等式の評価の比較)

公正なコインを n=100n = 100 回投げるとき、表が出る回数を XX とする。

(1) マルコフの不等式を用いて、P[X≥75]\mathbb{P}[X \ge 75] の上界を求めよ。

(2) チェビシェフの不等式を用いて、P[∣X−50∣≥25]\mathbb{P}[|X - 50| \ge 25] の上界を求めよ。これを用いて P[X≥75]\mathbb{P}[X \ge 75] の上界について何が言えるか。

(3) 二項分布の正規近似(ド・モアブル=ラプラスの定理)を用いて、P[X≥75]\mathbb{P}[X \ge 75] の実際の近似確率を求めよ。(必要ならば標準正規分布表より Φ(5.0)≈0.0000003\Phi(5.0) \approx 0.0000003 を用いよ)

3.2 中文翻译

问题 33 (不等式估计的比较)

抛掷一枚均匀的硬币 n=100n = 100 次,用 XX 表示正面朝上的次数。

(1) 使用马尔可夫不等式,求概率 P[X≥75]\mathbb{P}[X \ge 75] 的上界。

(2) 使用切比雪夫不等式,求概率 P[∣X−50∣≥25]\mathbb{P}[|X - 50| \ge 25] 的上界。由此,能对 P[X≥75]\mathbb{P}[X \ge 75] 的上界做出怎样的推论?

(3) 利用二项分布的德莫佛-拉普拉斯定理(即中心极限定理的二项分布特例,用正态分布逼近),求 P[X≥75]\mathbb{P}[X \ge 75] 的实际近似概率。对比三者结果。

3.3 详细解答过程 (Step-by-Step Solution)

(1) 马尔可夫不等式求解

XX 表示 100 次投掷中正面朝上的次数,服从二项分布 X∼Binomial(100,0.5)X \sim \text{Binomial}(100, 0.5)。 由于硬币是均匀的,期望值为:

E[X]=n⋅p=100×0.5=50\mathbb{E}[X] = n \cdot p = 100 \times 0.5 = 50

因为 X≥0X \ge 0 恒成立,我们直接对 c=75c = 75 使用马尔可夫不等式:

P[X≥75]≤E[X]75=5075=23≈0.6667\mathbb{P}[X \ge 75] \le \frac{\mathbb{E}[X]}{75} = \frac{50}{75} = \frac{2}{3} \approx 0.6667

(2) 切比雪夫不等式求解

首先计算 XX 的方差:

Var(X)=n⋅p⋅(1−p)=100×0.5×0.5=25Var(X) = n \cdot p \cdot (1-p) = 100 \times 0.5 \times 0.5 = 25

均值为 μ=50\mu = 50。 使用切比雪夫不等式估计偏离均值至少 2525 的概率(即 c=25c = 25):

P[∣X−50∣≥25]≤Var(X)252=25625=125=0.04\mathbb{P}[|X - 50| \ge 25] \le \frac{Var(X)}{25^2} = \frac{25}{625} = \frac{1}{25} = 0.04

【推论部分】: 由于事件 {X≥75}\{X \ge 75\} 意味着 X−50≥25X - 50 \ge 25。 这显然是双边偏差事件 {∣X−50∣≥25}\{|X - 50| \ge 25\} 的子集。因此其概率一定小于或等于双边概率:

P[X≥75]≤P[∣X−50∣≥25]≤0.04\mathbb{P}[X \ge 75] \le \mathbb{P}[|X - 50| \ge 25] \le 0.04

结论:切比雪夫不等式给出的上界为 0.040.04,比马尔可夫的 0.66670.6667 紧密了整整 16.6 倍。

(3) 正态近似(实际概率)求解

当 nn 较大时,二项分布 X∼Binomial(100,0.5)X \sim \text{Binomial}(100, 0.5) 可由正态分布 N(μ,σ2)\mathcal{N}(\mu, \sigma^2) 近似:

  • μ=50\mu = 50
  • σ=Var(X)=25=5\sigma = \sqrt{Var(X)} = \sqrt{25} = 5

为了让离散变量的近似更精确,我们加入连续性修正(Continuity Correction)(即把 X≥75X \ge 75 修正为 X≥74.5X \ge 74.5):

P[X≥75]≈P[Xcontinuous≥74.5]\mathbb{P}[X \ge 75] \approx \mathbb{P}[X_{continuous} \ge 74.5]

将其标准化(Standardization):

Z=Xcontinuous−μσ=74.5−505=24.55=4.9Z = \frac{X_{continuous} - \mu}{\sigma} = \frac{74.5 - 50}{5} = \frac{24.5}{5} = 4.9

因此:

P[X≥75]≈P[Z≥4.9]=1−Φ(4.9)\mathbb{P}[X \ge 75] \approx \mathbb{P}[Z \ge 4.9] = 1 - \Phi(4.9)

由于 Φ(5.0)≈1−3×10−7\Phi(5.0) \approx 1 - 3 \times 10^{-7},我们可以得知该概率数量级大约在:

P[X≥75]≈4.8×10−7=0.00000048\mathbb{P}[X \ge 75] \approx 4.8 \times 10^{-7} = 0.00000048

3.4 极重要:三者对比分析表 (Methodology Comparison)

估计方法概率上界 / 实际值核心使用参数特点分析
马尔可夫不等式≤0.6667\le 0.6667仅需期望值 E[X]\mathbb{E}[X]极易计算,但非常粗糙,无法随 nn 增大而收紧。
切比雪夫不等式≤0.0400\le 0.0400期望值 E[X]\mathbb{E}[X] + 方差 Var(X)Var(X)引入了二阶矩,能体现出大样本下的数据集中效应。
正态分布近似≈0.00000048\approx 0.00000048完整分布形态信息最贴近真实概率。说明在真实世界中,极端偏差发生的概率是以指数级衰减的(切比雪夫的二次方衰减依然是保守估计)。

通过这道题,你可以直观地明白,虽然切比雪夫不等式比马尔可夫不等式优秀得多,但在实际应用中,它依然是一个非常保守的上界约束。