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4 分の 1 という上界は縮められない - チェビシェフの不等式

分布の形をまったく知らなくても、平均から 以上離れる確率は 以下だと言えます。

正規分布なら実際は 0.0455 なので、 は 5 倍以上ゆるい。それでもこの数字は縮められません。

ちょうどになる分布が実在するためです。

不等式のかたち

平均 、分散 を持つ確率変数 と、任意の について次が成り立ちます[1]。

と置きかえた形もよく使われます[2]。

必要なのは平均と分散が存在することだけ。連続か離散か、対称か、山が 1 つかは問いません。

マルコフの不等式から出る

もとになるのは、非負の確率変数 と についての次の関係です[1]。

、 と置くと、2 乗しても大小関係が変わらないので次のように移ります。

行数が短いのは、使っている情報が少ないためです。分散という 1 つの数しか見ていない。

例:どれくらいゆるいか

分布を決めて実際の確率を出し、上界と並べます。

分布 の外 の外
チェビシェフの上界0.250.1111
正規分布0.04550.0027
指数分布0.04980.0183
一様分布00

一様分布は端が までしかないので、 の外に何も置けません。上界との差は 0.25 まるごと。

指数分布は非対称なぶん正規分布より外へ出やすく、 では 7 倍近い差になります。それでも上界にはまったく届かない。

は縮められない

上界に届く分布があります。3 点だけに確率を置いた分布です。

に確率

に確率

に確率

なら、 にそれぞれ 、中央に です。外にいる確率はちょうど 。

分散も確かめられます。中央では偏差が 、両端では なので、 になる。

上界が達成される以上、分布の形を仮定しないかぎり より小さい数には置きかえられません[1]。

片側ならもっと締まる

上下をまとめて評価するのをやめると、上界が改善します。平均 、分散 の と について次が成り立つ[4]。

カンテリの不等式と呼ばれます。 なら で、チェビシェフの より小さい。

証明は を作ってチェビシェフに戻す形です。 と書きかえてから 2 乗の評価を当てる。

例:カンテリの等号

こちらにも達成する分布があります。2 点だけです[4]。

を確率 、 を確率 でとる。

なら、 が確率 、 が確率 です。平均は 。

分散は で、条件を満たしています。 がそのまま上界。

片側のほうが締まるのは、反対側へ確率を逃がせるためです。上へ だけ出る確率を減らす代わりに、下側の に重みを置ける。

両側を同時に評価する形では、この逃がし方が使えない。

形を仮定すると、もっと締まる

山が 1 つだと分かっているなら、ガウスの不等式のほうが小さい上界を与えます[1]。

区間を平均について非対称にとる場合まで含めて、分布のクラスごとに最良の上界が調べられています[4]。一般、対称、単峰、凹などで別々の値になる。

チェビシェフの は、何も仮定しない側の端にある数です。仮定を足せば下げられる。

大数の弱法則への応用

独立同分布な列の標本平均は を満たします。そのまま当てはめる。

右辺は で です。粗い評価でも、 へ行くことを示すには足ります[1]。

チェビシェフの名前がこの不等式に残っているのは、彼がこれを使って大数の法則を示したためでした[1]。

上界は で減りますが、正規分布は指数より速く減ります。 が大きいほど差が開いていく。

減り方の階級が違うので、裾の評価に使うと極端に保守的になります。分布が分かっているなら、そちらを使うほうがよい。

名前の順番

先に書いたのはビエネメで、証明をつけたのはチェビシェフです[1]。

1853
ビエネメの定式化

証明をつけずに関係だけを述べた。フランス側の系統にあたる。

1867
チェビシェフの証明

大数の法則を示すための道具として使い、この不等式に名前が残った。

いまはビエネメ・チェビシェフの不等式と 2 人の名前で呼ぶことも多い。フランス側とロシア側の系統が、この 1 本で交わっています[3]。

片側の形にカンテリの名がついているのも、同じ種類の事情によります。関係そのものはチェビシェフの側にさかのぼる。

平均 、標準偏差 の分布について、チェビシェフの不等式から確実にいえるのはどれですか。

  • から の範囲に 95% 以上が入る
  • から の範囲に 75% 以上が入る
  • から の範囲に 68% 以上が入る
__RESULT__

と は平均から の位置です。外へ出る確率が 以下なので、内側は 75% 以上。95% と 68% は正規分布を仮定したときの数字で、形を知らない段階では使えません。

分散という 1 つの数だけから何が言えるか。その限界を示した式なので、粗いことは欠点ではなく仕様です。

出典

Chebyshev inequality in probability theory. Encyclopedia of Mathematics.
Chebyshev Inequality. MathWorld.
E. Seneta, *A Tricentenary history of the Law of Large Numbers*. Bernoulli 19(4), 2013.
*Sharp Inequalities of Bienaymé-Chebyshev and Gauß Type for Possibly Asymmetric Intervals around the Mean*.
分布の形をまったく知らなくても、平均から $2\sigma$ 以上離れる確率は $1/4$ 以下。正規分布の実際の値 0.0455 と比べると 5 倍以上ゆるい評価です。それでもこの数字は動かせません。$\mu \pm 2\sigma$ に $1/8$ ずつ、中央に $3/4$ を置いた 3 点の分布が、ちょうど $1/4$ を達成するためです。上下をまとめずに片側だけを見ると $1/(1+v^2)$ まで締まり、こちらにも 2 点の等号分布がある。単峰と分かっていればさらに下がります。指数分布や一様分布との比較表、大数の弱法則の証明での使われ方、ビエネメが 1853 年に書きチェビシェフが 1867 年に証明をつけた経緯まで。