虽为小禽,尚能解艺道之奥妙,汝等生而为人竟不及鸟类。

Cramér-Chernoff 方法:

Pr[X≥a]≤min⁡λ>0e−λaE[eλx]\text{Pr}[X\geq a]\leq\min_{\lambda > 0}e^{-\lambda a}\mathbb{E}[e^{\lambda x}]

证明:根据 Markov Inequality,Pr[X≥a]=Pr[eλx≥eλa]≤e−λaE[eλa]\text{Pr}[X\geq a]=\text{Pr}[e^{\lambda x}\geq e^{\lambda a}]\leq e^{-\lambda a}\mathbb{E}[e^{\lambda a}] 对任意λ>0\lambda>0 都成立。指数变化就是因为要求随机变量是非负的,就可以使用 Markov Inequality。

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单位模引理:设u∈Rnu\in\mathbb{R}^n 是独立重复采样自N(0,1n)\mathcal{N}(0,\frac{1}{n}) 的向量,那么对于给定常数ε>0\varepsilon>0,我们有:

Pr[∣∥u∥2−1∣≥ε]≤2e−ε2n/8\text{Pr}[|\|u\|^2-1|\geq\varepsilon]\leq 2e^{-\varepsilon^2n/8}

证明:根据 Cramér-Chernoff 方法:

Pr[∥u∥2−1≥ε]≤min⁡λ>0e−λεE[eλ(∥u∥2−1)]=min⁡λ>0e−λ(ε+1)E[eλ∥u∥2]=min⁡λ>0e−λ(ε+1)E[eλ∑i=1nui2]=min⁡λ>0e−λ(ε+1)E[∏i=1neλui2]\begin{aligned} \text{Pr}[\|u\|^2-1\geq \varepsilon]&\leq\min_{\lambda>0}e^{-\lambda\varepsilon}\mathbb{E}[e^{\lambda(\|u\|^2-1)}]\\ &=\min_{\lambda>0}e^{-\lambda(\varepsilon+1)}\mathbb{E}[e^{\lambda\|u\|^2}]\\ &=\min_{\lambda>0}e^{-\lambda(\varepsilon+1)}\mathbb{E}[e^{\lambda\sum_{i=1}^nu_i^2}]\\ &=\min_{\lambda>0}e^{-\lambda(\varepsilon+1)}\mathbb{E}[\prod_{i=1}^ne^{\lambda u_i^2}]\\ \end{aligned}

因为uu 的每个分量都是独立选取,所以:

Pr[∥u∥2−1≥ε]≤min⁡λ>0e−λ(ε+1)E[∏i=1neλui2]=min⁡λ>0e−λ(ε+1)∏i=1nE[eλui2]\begin{aligned} \text{Pr}[\|u\|^2-1\geq \varepsilon]&\leq\min_{\lambda>0}e^{-\lambda(\varepsilon+1)}\mathbb{E}[\prod_{i=1}^ne^{\lambda u_i^2}]\\ &=\min_{\lambda>0}e^{-\lambda(\varepsilon+1)}\prod_{i=1}^n\mathbb{E}[e^{\lambda u_i^2}] \end{aligned}

其中

E[eλui2]=∫−∞∞n2πe−nui2/2eλui2dui=nn−2λ\begin{aligned} \mathbb{E}[e^{\lambda u_i^2}]&=\int_{-\infty}^\infty\sqrt{\frac{n}{2\pi}}e^{-nu_i^2/2}e^{\lambda u_i^2}du_i\\ &=\sqrt{\frac{n}{n-2\lambda}} \end{aligned}

故

Pr[∥u∥2−1≥ε]≤min⁡λ>0e−λ(ε+1)(nn−2λ)n/2\begin{aligned} \text{Pr}[\|u\|^2-1\geq \varepsilon] &\leq\min_{\lambda>0}e^{-\lambda(\varepsilon+1)}\left(\frac{n}{n-2\lambda}\right)^{n/2} \end{aligned}

当λ=nε2(1+ε)\lambda=\frac{n\varepsilon}{2(1+\varepsilon)} 时右侧取到最小值。此时有:

Pr[∥u∥2−1≥ε]≤en(log⁡(1+ε)−ε)/2≤e−nε2/8\text{Pr}[\|u\|^2-1\geq \varepsilon]\leq e^{n(\log(1+\varepsilon)-\varepsilon)/2}\leq e^{-n\varepsilon^2/8}

另一侧Pr[∥u∥2−1≤−ε]\text{Pr}[\|u\|^2-1\leq-\varepsilon] 也类似可以得到证明。

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正交性引理:设u,v∈Rnu,v\in\mathbb{R}^n 是独立重复采样自N(0,1n)\mathcal{N}(0,\frac{1}{n}) 的两个向量,那么给定ε∈(0,1)\varepsilon\in(0,1),我们有:

Pr[∣⟨u,v⟩∣≥ε]≤4e−ε2n/8\text{Pr}[|\langle u,v\rangle|\geq\varepsilon]\leq 4e^{-\varepsilon^2n/8}

证明:若u,v∼N(0,1n)u,v\sim\mathcal{N}(0,\frac{1}{n}),那么u+v2∼N(0,1n)\frac{u+v}{\sqrt{2}}\sim\mathcal{N}(0,\frac{1}{n})。那么根据单位摸引理,有:

{Pr[∥u+v2∥2−1≥ε]≤e−nε2/8Pr[∥u+v2∥2−1≤−ε]≤e−nε2/8\begin{cases} \text{Pr}\left [\left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right \|^2-1\geq\varepsilon\right ]\leq e^{-n\varepsilon^2/8}\\ \text{Pr}\left [\left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right \|^2-1\leq-\varepsilon\right ]\leq e^{-n\varepsilon^2/8} \end{cases}

而⟨u,v⟩≥ε⇔∥u+v2∥2−∥u−v2∥2≥2ε\langle u,v\rangle\geq \varepsilon\Leftrightarrow \left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right\|^2-\left \|\frac{u-v}{\sqrt{2}}\right\|^2\geq 2\varepsilon,故:

Pr[⟨u,v⟩≥ε]=Pr[∥u+v2∥2−1+1−∥u−v2∥2≥2ε]≤Pr[∥u+v2∥2−1≥ε∨1−∥u−v2∥2≥ε]≤Pr[∥u+v2∥2−1≥ε]+Pr[1−∥u−v2∥2≥ε]≤2e−nε2/8\begin{aligned} \text{Pr}[\langle u,v\rangle\geq \varepsilon]&=\text{Pr}\left [\left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right\|^2-1+1-\left \|\frac{u-v}{\sqrt{2}}\right\|^2\geq 2\varepsilon\right ]\\ &\leq\text{Pr}\left [\left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right\|^2-1\geq\varepsilon\vee1-\left \|\frac{u-v}{\sqrt{2}}\right\|^2\geq \varepsilon\right ]\\ &\leq \text{Pr}\left [\left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right\|^2-1\geq\varepsilon\right ]+\text{Pr}\left [1-\left \|\frac{u-v}{\sqrt{2}}\right\|^2\geq \varepsilon\right ]\\ &\leq 2e^{-n\varepsilon^2/8} \end{aligned}

其中,第一个小于等于号是因为:

∥u+v2∥2−1+1−∥u−v2∥2≥2ε⇒∥u+v2∥2−1≥ε∨1−∥u−v2∥2≥ε\left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right\|^2-1+1-\left \|\frac{u-v}{\sqrt{2}}\right\|^2\geq 2\varepsilon\\ \Rightarrow \left \|\frac{u+v}{\sqrt{2}}\right\|^2-1\geq\varepsilon\vee1-\left \|\frac{u-v}{\sqrt{2}}\right\|^2\geq \varepsilon

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Johnson-Lindenstrauss Lemma: 给定NN 个向量v1,v2,...,vN∈Rmv_1,v_2,...,v_N\in\mathbb{R}^m 和n>24log⁡Nε2n>\frac{24\log N}{\varepsilon^2},而随机矩阵A∈Rn×mA\in\mathbb{R}^{n\times m} 独立重复采样自N(0,1n)\mathcal{N}(0,\frac{1}{n})。那么对于给定常数ε∈(0,1)\varepsilon\in(0,1),至少有N−1N\frac{N-1}{N} 的概率,使得对于所有的i≠ji\neq j 都有:

(1−ε)∥vi−vj∥2≤∥Avi−Avj∥2≤(1+ε)∥vi−vj∥2(1-\varepsilon)\|v_i-v_j\|^2\leq\|Av_i-Av_j\|^2\leq(1+\varepsilon)\|v_i-v_j\|^2

这个定理其实是说,不管原来向量是多少维数,只需要24log⁡Nε2\frac{24\log N}{\varepsilon^2} 维度,我们就可以容纳下NN 个向量,而且使得变换后的向量直接的距离和原来的距离只有1±ε1\pm \varepsilon 的误差。这个变换也很简单,就是随机采样一个n×mn\times m 的矩阵。

证明:对于单位一个单位向量uu 的话,AuAu 就是每个分量都独立服从于N(0,1n)\mathcal{N}(0,\frac{1}{n}) 的随机变量。那么令u=vi−vj∥vi−vj∥u=\frac{v_i-v_j}{\|v_i-v_j\|},那么A(vi−vj)∥vi−vj∣\frac{A(v_i-v_j)}{\|v_i-v_j|} 就是一个每个分量都独立服从于N(0,1n)\mathcal{N}(0,\frac{1}{n}) 的向量。利用单位根引理,有:

Pr[∣∥A(vi−vj)∥vi−vj∥∥2−1∣≥ε]≤2e−ε2n/8\text{Pr}\left [\left |\left \|\frac{A(v_i-v_j)}{\|v_i-v_j\|}\right \|^2-1\right |\geq\varepsilon\right ]\leq 2e^{-\varepsilon^2n/8}

故:

Pr[∃(i,j),∣∥A(vi−vj)∥vi−vj∥∥2−1∣≥ε]≤2(N2)e−ε2n/8\text{Pr}\left [\exists (i,j),\left |\left \|\frac{A(v_i-v_j)}{\|v_i-v_j\|}\right \|^2-1\right |\geq\varepsilon\right ]\leq 2\begin{pmatrix}N\\2\end{pmatrix}e^{-\varepsilon^2n/8}

所以:

Pr[∀(i,j),∣∥A(vi−vj)∥vi−vj∥∥2−1∣≤ε]≥1−2(N2)e−ε2n/8\text{Pr}\left [\forall (i,j),\left |\left \|\frac{A(v_i-v_j)}{\|v_i-v_j\|}\right \|^2-1\right |\leq\varepsilon\right ]\geq 1-2\begin{pmatrix}N\\2\end{pmatrix}e^{-\varepsilon^2n/8}

当n>24log⁡Nε2n>\frac{24\log N}{\varepsilon^2} 时,右侧值为N−1N\frac{N-1}{N}。

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