วิธีการพิสูจน์ว่า


9

ฉันพยายามสร้างความไม่เท่าเทียมกัน

|Ti|=|Xi−X¯|S≤n−1n

โดยที่คือค่าเฉลี่ยตัวอย่างและเป็นส่วนเบี่ยงเบนมาตรฐานตัวอย่างนั่นคือ {n-1}}X¯SS=∑i=1n(Xi−X¯)2n−1

มันง่ายที่จะเห็นว่าและแต่สิ่งนี้ไม่ใกล้เคียงกับสิ่งที่ฉันค้นหามามากและมันก็ไม่มีประโยชน์ ฉันได้ทดลองกับ Cauchy-Schwarz และความไม่เท่าเทียมกันของรูปสามเหลี่ยม แต่ไม่มีที่ไหนเลย จะต้องมีขั้นตอนที่บอบบางที่ฉันหายไปที่ไหนสักแห่ง ฉันขอขอบคุณความช่วยเหลือบางส่วนขอบคุณ∑i=1nTi2=n−1|Ti|<n−1

คำตอบ:


10

นี่คือความไม่เท่าเทียมกันของแซมวลและมันต้องการเข้าสู่ระบบ ถ้าคุณใช้รุ่นวิกิพีเดียและการทำงานซ้ำมันเป็นความหมายของคุณจะพบว่ามันจะกลายเป็น≤n−1S,

|Xi−X¯|S≤n−1n

มันได้รับความไม่เท่าเทียมกันอย่างเข้มงวดในหนังสือ แต่ฉันได้แก้ไขแล้วขอบคุณ
— JohnK

5

หลังจากทำให้ปัญหาง่ายขึ้นโดยใช้วิธีการตามปกติมันสามารถแก้ไขได้โดยการแปลงให้เป็นโปรแกรมย่อขนาดคู่ซึ่งมีคำตอบที่รู้จักกันดีพร้อมหลักฐานเบื้องต้น บางทีการทำให้เป็นคู่นี้อาจเป็น "ขั้นตอนที่ละเอียดอ่อน" ที่อ้างถึงในคำถาม ความไม่เท่าเทียมกันยังสามารถสร้างขึ้นในลักษณะเชิงกลอย่างหมดจดโดยการเพิ่มผ่านตัวคูณ Lagrange|Ti|

ก่อนอื่นฉันขอนำเสนอโซลูชันที่สง่างามยิ่งขึ้นโดยยึดตามรูปทรงสี่เหลี่ยมน้อยที่สุด มันไม่จำเป็นต้องมีการทำให้เข้าใจง่ายเบื้องต้นและเกือบจะทันทีโดยให้สัญชาติญาณโดยตรงในผลลัพธ์ ตามที่แนะนำในคำถามปัญหาจะลดความไม่เท่าเทียมกันของ Cauchy-Schwarz


วิธีการแก้ปัญหาทางเรขาคณิต

พิจารณาเป็นเวกเตอร์ -dimensional ในปริภูมิแบบยุคลิดด้วยผลิตภัณฑ์แบบจุดปกติ ปล่อยเป็นเวกเตอร์พื้นฐานและ1) เขียนและสำหรับประมาณการมุมฉากของและเข้ามาเติมเต็มมุมฉากของ{1} (ในทางสถิติคำศัพท์พวกเขาเป็นคนที่เหลือด้วยความเคารพหมายถึง) แล้วตั้งแต่และx=(X1,X2,…,Xn)ny=(0,0,…,0,1,0,…,0)ith1=(1,1,…,1)x^y^xy1Xi−X¯=x^⋅yS=||x^||/n−1 ,

|Ti|=n−1|x^⋅y|||x^||=n−1|x^⋅y^|||x^||

เป็นส่วนประกอบของในทิศทาง โดย Cauchy-Schwarz มันจะถูกขยายให้มากที่สุดเมื่อขนานกับ , ซึ่ง QEDy^x^x^y^=(−1,−1,…,−1,n−1,−1,−1,…,−1)/n

Ti=±n−1y^⋅y^||y^||=±n−1||y^||=±n−1n,

อนึ่งโซลูชันนี้ให้การจำแนกลักษณะเฉพาะของทุกกรณีที่ถูกขยายให้ใหญ่สุด: มันเป็นแบบฟอร์มทั้งหมด|Ti|

x=σy^+μ1=σ(−1,−1,…,−1,n−1,−1,−1,…,−1)+μ(1,1,…,1)

สำหรับจริงทั้งหมด\μ,σ

การวิเคราะห์นี้สรุปได้อย่างง่ายดายในกรณีที่จะถูกแทนที่ด้วยชุด regressors ใด ๆ เห็นได้ชัดว่าสูงสุดของเป็นสัดส่วนกับความยาวของส่วนที่เหลือของ ,.{1}Tiy||y^||


การทำให้เข้าใจง่าย

เพราะคงที่อยู่ภายใต้การเปลี่ยนแปลงของสถานที่ตั้งและขนาดเราอาจคิดกับการสูญเสียของทั่วไปไม่ว่าผลรวมเป็นศูนย์รวมของพวกเขาและสี่เหลี่ยมเพื่อn-1สิ่งนี้จะระบุด้วยตั้งแต่ (ตารางค่าเฉลี่ย) เป็น1เพิ่มมันเป็นประหนึ่งการเพิ่ม 2 ไม่มีการสูญเสียโดยทั่วไปเมื่อใช้เนื่องจากสามารถแลกเปลี่ยนได้TiXin−1|Ti||Xi|S1|Ti|2=Ti2=Xi2i=1Xi


โซลูชันผ่านการกำหนดสูตรคู่

ปัญหาที่สองคือการแก้ไขค่าของและถามว่าค่าของจะต้องมีอะไรบ้างเพื่อลดผลรวมของกำลังสองที่0 เพราะจะได้รับปัญหานี้เป็นปัญหาของการลดกำหนดว่า-X_1X12Xj,j≠1∑j=1nXj2∑j=1nXj=0X1∑j=2nXj2∑j=2nXj=−X1

การแก้ปัญหาสามารถพบได้ง่ายในหลาย ๆ หนึ่งในขั้นพื้นฐานที่สุดคือการเขียน

Xj=−X1n−1+εj, j=2,3,…,n

ที่0 การขยายฟังก์ชั่นวัตถุประสงค์และใช้ข้อมูลประจำตัวแบบรวมถึงศูนย์เพื่อทำให้การสร้างง่ายขึ้น∑j=2nεj=0

∑j=2nXj2=∑j=2n(−X1n−1+εj)2=∑(−X1n−1)2−2X1n−1∑εj+∑εj2=Constant+∑εj2,

ทันทีที่แสดงให้เห็นถึงวิธีการแก้ปัญหาที่ไม่ซ้ำกันคือสำหรับทุกJสำหรับวิธีนี้εj=0j

(n−1)S2=X12+(n−1)(−X1n−1)2=(1+1n−1)X12=nn−1X12

และ

|Ti|=|X1|S=|X1|n(n−1)2X12=n−1n,

QED


โซลูชันผ่านเครื่องจักร

กลับไปที่โปรแกรมง่าย ๆ ที่เราเริ่มต้นด้วย:

Maximize X12

ภายใต้

∑i=1nXi=0 and ∑i=1nXi2−(n−1)=0.

วิธีการของตัวคูณลากรองจ์ (ซึ่งเกือบจะเป็นกลไกเชิงกลและตรงไปตรงมา) เท่ากับการรวมกันเชิงเส้นที่ไม่เกี่ยวข้องของการไล่ระดับสีของฟังก์ชันทั้งสามนี้ให้เป็นศูนย์:

(0,0,…,0)=λ1D(X12)+λ2D(∑i=1nXi)+λ3D(∑i=1nXi2−(n−1)).

ส่วนประกอบโดยส่วนประกอบสมการเหล่านี้คือn

0=2λ1X1+λ2+2λ3X10=λ2+2λ3X20=⋯0=λ2+2λ3Xn.

สุดท้ายของพวกเขาบ่งบอกทั้งหรือ 0 (เราอาจออกกฎกรณีหลังแล้วเพราะสมการแรกหมายถึง . trivializing การผสมผสานเชิงเส้น) ผลรวมการศูนย์ จำกัด ผลิต- ข้อ จำกัด ผลรวมของกำลังสองให้โซลูชันทั้งสองn−1X2=X3=⋯=Xn=−λ2/(2λ3)λ2=λ3=0λ1=0X1=−(n−1)X2

X1=±n−1n; X2=X3=⋯=Xn=∓1n.

พวกเขาทั้งสองให้ผลผลิต

|Ti|=|X1|≤|±n−1n|=n−1n.

ขอบคุณสำหรับภาคผนวกของคุณรูปทรงเรขาคณิตนั้นทรงพลังมากและในบรรดาโซลูชั่นทั้งสามนั้นเป็นสิ่งที่ใช้งานง่ายที่สุดสำหรับฉัน
— JohnK

0

ความไม่เท่าเทียมดังที่กล่าวไว้เป็นจริง มันค่อนข้างชัดเจนโดยสังหรณ์ว่าเราได้รับกรณีที่ยากที่สุดสำหรับความไม่เท่าเทียมกัน (นั่นคือการเพิ่มด้านซ้ายสุดสำหรับ ) โดยการเลือกค่าหนึ่งพูดให้ใหญ่ที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ให้เราดูตัวอย่างด้วยการกำหนดค่าดังกล่าว:S2x1

n=4,x1=x2=x3=0,x4=4,x¯=1,S2=4,
ตอนนี้ขึ้นอยู่กับในขณะที่ขีด จำกัด บนที่กำหนดเท่ากับซึ่งเป็นเพียง พอ. ความคิดนั้นสามารถพิสูจน์ให้สมบูรณ์ได้|xi−x¯|S={12 or 32i4−12=1.5

แก้ไข

ตอนนี้เราจะพิสูจน์การอ้างสิทธิ์ตามคำแนะนำข้างต้น อันดับแรกสำหรับเวกเตอร์ที่ได้รับในปัญหานี้เราสามารถแทนที่มันด้วยโดยไม่ต้องเปลี่ยนด้านข้างของความไม่เท่าเทียมกันด้านใดด้านหนึ่ง ดังนั้นในต่อไปนี้ให้เราคิดว่า 0 นอกจากนี้เรายังสามารถทำการ relabelling สมมติว่าใหญ่ที่สุด จากนั้นโดยเลือกแรกแล้วเราสามารถตรวจสอบด้วยพีชคณิตแบบง่าย ๆ ที่เรามีความเสมอภาคในความไม่เท่าเทียมกันอ้างว่า ดังนั้นจึงคมx=(x1,x2,…,xn)x−x¯x¯=0x1x1>0x2=x3=⋯=xn=−x1n−1

จากนั้นกำหนดภูมิภาค (นูน)โดย สำหรับรับในเชิงบวกอย่างต่อเนื่อง 2 โปรดทราบว่าคือจุดตัดของไฮเปอร์เพลนที่มีทรงกลมที่ศูนย์กลางกำเนิดดังนั้นจึงมีทรงกลมใน -space ขณะนี้ปัญหาของเราสามารถกำหนดเป็น ตั้งแต่R

R={x∈R:x¯=0,∑(xi−x¯)2/(n−1)≤S2}
S2R(n−1)
maxx∈Rmaxi|xi|
xการขยายให้ใหญ่สุดซึ่งจะเป็นกรณีที่ยากที่สุดสำหรับความไม่เท่าเทียมกัน นี่เป็นปัญหาในการหาฟังก์ชั่นการนูนสูงสุดของเซตนูนซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะเป็นปัญหาที่ยาก (ต่ำสุดง่าย!) แต่ในกรณีนี้พื้นที่นูนเป็นทรงกลมที่ศูนย์กลางกำเนิดและฟังก์ชันที่เราต้องการขยายให้ใหญ่สุดคือค่าสัมบูรณ์ของพิกัด เห็นได้ชัดว่าจำนวนสูงสุดพบได้ในขอบเขตของและโดยการสูงสุดกรณีทดสอบครั้งแรกของเราถูกบังคับR|x1|

@JohnK คุณสามารถลบความคิดเห็นของคุณตอนนี้โพสต์ได้รับการแก้ไข
— kjetil b halvorsen

แม้ว่าคำตอบนี้จะแสดงให้เห็นว่าความไม่เท่าเทียมกัน (สมมติว่าเป็นจริงซึ่งก็คือ) นั้นแน่นแต่ก็ไม่เห็นชัดเจนว่าการคำนวณเดี่ยวนั้นสามารถ "สมบูรณ์เพื่อพิสูจน์" คุณช่วยบอกได้ว่าจะทำอย่างไร?
— whuber

ความประสงค์ แต่พรุ่งนี้ตอนนี้ฉันต้องเตรียมชั้นเรียนในวันพรุ่งนี้
— kjetil b halvorsen

ขอบคุณ - ฉันขอขอบคุณที่คุณกำหนดปัญหาอย่างระมัดระวัง แต่ "หลักฐาน" ของคุณดูเหมือนจะมาจากคำกล่าวที่ว่า "ชัดเจน" คุณสามารถใช้ตัวคูณทวีคูณ Lagrange เพื่อทำงานให้เสร็จได้ แต่มันจะเป็นการดีถ้าได้เห็นแนวทางที่ (a) จริง ๆ เป็นข้อพิสูจน์และ (b) ให้ข้อมูลเชิงลึก
— whuber

2
@whuber หากคุณมีเวลาฉันจะขอบคุณถ้าคุณสามารถโพสต์โซลูชั่นตัวคูณของคุณลากรองจ์ ฉันคิดว่าความไม่เท่าเทียมโดยรวมนั้นไม่ได้มีชื่อเสียงเท่าที่ควร
— JohnK
โดยการใช้ไซต์ของเรา หมายความว่าคุณได้อ่านและทำความเข้าใจนโยบายคุกกี้และนโยบายความเป็นส่วนตัวของเราแล้ว
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.