有界隨機(jī)變量是Sub-Gaussian

定理X是一個隨機(jī)變量,而且X \in[a, b],設(shè)\mu=E[X],\sigma=\frac{b-a}{2},我們證明X是一個次高斯隨機(jī)變量而且有次高斯系數(shù)\sigma =\frac{b-a}{2} ,也就是說:

E\left(e^{\lambda(X-\mu)}\right) \leqslant e^{\lambda^{2}(b-a)^{2} / 8}


證明:我們設(shè)\psi(\lambda)=\log E\left[e^{\lambda X}\right] \quad \lambda \in R?,

容易計(jì)算得到:\psi(0)=0 \quad \psi^{\prime}(\lambda)=\frac{E\left[X e^{\lambda X}\right]}{E\left[e^{\lambda X}\right]},\psi^{\prime}(0)=\mu

\psi^{\prime \prime}(\lambda)=E_{\lambda}\left[X^{2}\right]-\left(E_{\lambda}[X]\right)^{2}

其中E_{\lambda}[f(X)]:=\frac{E\left[f(X) e^{\lambda X}\right]}{E\left[e^{\lambda X}\right]}? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (\star

引入下面的概率測度:在\lambda\in R,隨機(jī)變量X 固定的時(shí)候,P_{\lambda}(A):=\frac{E\left[1_{A} e^{\lambda X}\right]}{E\left[e^{\lambda X}\right]}

有了概率測度就可以定義積分,容易知道在這個概率測度下,一個隨機(jī)變量Y的積分為:

E_{\lambda }(Y)=\frac{E\left[Ye^{\lambda X}\right]}{E\left[e^{\lambda X}\right]}

所以(\star )就是f(X)在這個概率測度下的積分。

因此\psi^{\prime \prime}(\lambda)是X在這個概率測度下的方差。

然而X \in[a, b],所以他在任何概率測度下,方差 都小于等于(b-a)^2/4

所以對\psi 在0處展開:

\begin{aligned}\psi(\lambda) &=\psi(0)+\psi^{\prime}(0) \lambda+\frac{\psi^{\prime \prime} (\epsilon)}{2} \lambda^{2} \\&\leq\mu \lambda+\frac{\lambda^{2}}{2} \sup \psi^{\prime \prime}(\epsilon) \\& \leq \mu \lambda+\frac{\lambda^{2}}{2} \cdot \frac{(b-a)^{2}}{4}=\mu \lambda+\frac{\lambda^{2}(b-a)^{2}}{8}\end{aligned}

所以代回就得到要求的結(jié)論。



另一個比較有意思的方法,采用對稱技術(shù),但是得不到這么好的結(jié)果:


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