Ivan Shishkin, Rye (1878)

Problems/Probability and statisticsUnreviewed

Quasi-orthogonalité par une méthode probabiliste

by Baked_Baguette·
40
Difficulty scaleÉchelle de difficulté

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  1. 110First steps / middle schoolPremiers pas / collège
  2. 1125Beginner / high schoolDébutant / lycée
  3. 2650Intermediate / undergraduateIntermédiaire / licence
  4. 5170Advanced / graduateAvancé / master
  5. 7190Expert / specializedExpert / spécialisé
  6. 91100Research levelNiveau recherche
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Français

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Soit un entier n2n \geqslant 2. L’espace Rn\mathbf{R}^n est muni de sa structure euclidienne canonique. On se propose d’établir, à l’aide d’une méthode probabiliste, l’existence d’une grande famille de vecteurs unitaires de Rn\mathbf{R}^{n} deux à deux presque orthogonaux (en un sens précisé plus loin).
Un vecteur aléatoire XX à valeurs dans Rn\mathbf{R}^{n} sera qualifié de Rademacher lorsqu’il s’écrit :
X=1n(X1,,Xn),X = \frac{1}{\sqrt{n}}(X_{1}, \dots, X_{n}),X1,,XnX_{1}, \dots, X_{n} sont des variables aléatoires i.i.d. de loi de Rademacher (loi uniforme sur {1,1}\{-1,1\}).

  1. Soit XX et YY deux vecteurs aléatoires de Rademacher indépendants. Si tRt \in \mathbf{R}, calculer l’espérance de etX,Ye^{t \langle X,Y \rangle}. En déduire que :
    ε>0,P[X,Yε]2enε2/2.\forall \varepsilon > 0, \quad \mathbf{P}[|\langle X,Y \rangle |\geqslant \varepsilon] \leqslant 2 e^{-n\varepsilon^{2}/2}.
  2. On fixe un réel ε]0,1[\varepsilon \in \:]0,1[ et un entier N<enε2/4N < e^{n\varepsilon^{2}/4}. Montrer qu’il existe une famille de NN vecteurs unitaires de Rn\mathbf{R}^n, dont les produits scalaires de deux vecteurs distincts sont tous majorés en valeur absolue par ε\varepsilon.
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Solutions

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Solution by ferntree

Discussions1 useful vote
  1. Soient X,YRnX, Y \in \mathbb{R}^{n} deux vecteurs aléatoires de Rademacher indépendants, et tRt \in \mathbb{R}. On calcule
    exp(tX,Y)=exp(tni=1nXiYi)=i=1nexp(tnXiYi).\exp(t \langle X, Y\rangle) = \exp\left(\frac{t}{n} \sum_{i = 1}^{n} X_{i} Y_{i}\right) = \prod_{i = 1}^{n} \exp\left(\frac{t}{n} X_{i} Y_{i}\right).Puisque les (Xi)(X_{i}) sont indépendants et les (Yi)(Y_{i}) le sont aussi, on en déduit
    E[exp(tX,Y)]=E[exp(tnX1Y1)]n.\mathbb{E}[\exp(t \langle X, Y\rangle)] = \mathbb{E}\left[\exp\left(\frac{t}{n} X_{1} Y_{1}\right)\right]^{n}.De plus, X1X_{1} et Y1Y_{1} sont deux variables aléatoires de Rademacher indépendantes, donc
    E[exp(tnX1Y1)]=x,y{1,+1}P[X=x]P[Y=y]exp(tnxy)=12exp(t/n)+12exp(t/n)=cosh(t/n).\mathbb{E}\left[\exp\left(\frac{t}{n} X_{1} Y_{1}\right)\right] = \sum_{x, y \in \{-1, +1\}} \mathbf{P}[X = x] \mathbf{P}[Y = y] \exp\left(\frac{t}{n} x y\right) = \frac{1}{2} \exp(t / n) + \frac{1}{2} \exp(-t/n) = \cosh(t/n).On conclut E[exp(tX,Y)]=cosh(t/n)n\mathbb{E}[\exp(t \langle X, Y\rangle)] = \cosh(t/n)^{n}.

L’inégalité de Markov et le résultat précédent donnent alors
P[X,Yε]=P[exp(tX,Y)exp(tε)]exp(tε)E[exp(tX,Y)]exp(tε)cosh(t/n)n.\mathbf{P}[\langle X, Y\rangle \geq \varepsilon] = \mathbf{P}[\exp(t \langle X, Y\rangle) \geq \exp(t \varepsilon)] \leq \exp(-t \varepsilon) \mathbb{E}[\exp(t \langle X, Y\rangle)] \leq \exp(-t \varepsilon) \cosh(t/n)^{n}.La majoration cosh(x)exp(x2/2)\cosh(x) \leq \exp(x^{2}/2) donne P[X,Yε]exp(tε+n(t/n)2/2)\mathbf{P}[\langle X, Y\rangle \geq \varepsilon] \leq \exp(-t \varepsilon + n (t / n)^{2} / 2). Puisque c’est vrai pour tout tRt \in \mathbb{R}, on peut choisir le tt qui minimise cette borne. C’est l’exponentielle d’un polynôme de degré 22 qui tend vers l’infini en l’infini. Le minimum de ce polynôme est atteint en εn\varepsilon n et vaut exp(nε2/2)\exp(-n \varepsilon^{2}/2). On conclut P[X,Yε]exp(nε2/2)\mathbf{P}[\langle X, Y\rangle \geq \varepsilon] \leq \exp(-n \varepsilon^{2} / 2) comme demandé.

  1. Soit ε(0,1)\varepsilon \in (0, 1) et N<exp(nε2/4)N < \exp(n \varepsilon^{2}/4). On considère NN vecteurs aléatoires (Xi)1iN(X_{i})_{1 \leq i \leq N} de Rademacher indépendants. Ils sont unitaires par définition.

Pour tout ij{1,,N}i \neq j \in \{1, \ldots, N\}, l’événement Ai,j={Xi,Xjε}A_{i, j} = \{|\langle X_{i}, X_{j}\rangle| \geq \varepsilon\} est la réunion des événements disjoints {Xi,Xjε}\{\langle X_{i}, X_{j}\rangle \geq \varepsilon\} et {Xi,Xjε}\{-\langle X_{i}, X_{j}\rangle \geq \varepsilon\}. On a donc
P[Ai,j]=P[Xi,Xjε]+P[Xi,Xjε]2exp(nε2/2).\mathbf{P}[A_{i, j}] = \mathbf{P}[\langle X_{i}, X_{j}\rangle \geq \varepsilon] + \mathbf{P}[-\langle X_{i}, X_{j}\rangle \geq \varepsilon] \leq 2 \exp(-n \varepsilon^{2} / 2).La majoration vient de la question précédente ; pour le deuxième terme, on utilise le fait que Xi-X_{i} est aussi un vecteur aléatoire de Rademacher et on réécrit Xi,Xj-\langle X_{i}, X_{j}\rangle en Xi,Xj\langle -X_{i}, X_{j}\rangle.

L’événement A=1i<jNAi,jA = \bigcup_{1 \leq i < j \leq N} A_{i, j} correspond au fait qu’il existe au moins un couple de vecteurs distincts dont le produit scalaire est, en valeur absolue, strictement supérieur à ε\varepsilon. Par l’inégalité de l’union, on obtient
P[A]1i<jNP[Ai,j](N2)2exp(nε2/2)=N(N1)exp(nε2/2).\mathbf{P}[A] \leq \sum_{1 \leq i < j \leq N} \mathbf{P}[A_{i, j}] \leq \binom{N}{2} 2 \exp(-n \varepsilon^{2} / 2) = N (N - 1) \exp(-n \varepsilon^{2} / 2).L’hypothèse sur NN donne finalement P[A]<1\mathbf{P}[A] < 1. Par conséquent, l’événement complémentaire Aˉ=1i<jNAˉi,j\bar{A} = \bigcap_{1 \leq i < j \leq N} \bar{A}_{i, j} a une probabilité strictement positive. Or Aˉi,j={Xi,Xj<ε}\bar{A}_{i, j} = \{|\langle X_{i}, X_{j}\rangle| < \varepsilon\}, donc il existe au moins une réalisation (xi)(x_{i}) telle que Xi,Xj<ε|\langle X_{i}, X_{j}\rangle| < \varepsilon pour tout ij{1,,N}i \neq j \in \{1, \ldots, N\}, ce qui conclut.

Un résultat plus fort pour pas cher

La majoration de la première question peut être améliorée. Au lieu de majorer cosh(x)\cosh(x) par exp(x2/2)\exp(x^{2} / 2), on peut chercher à minimiser directement la fonction texp(tε)cosh(t/n)nt \mapsto \exp(-t \varepsilon) \cosh(t/n)^{n}. Une étude de fonction montre que le minimum est atteint en t=narctanh(ε)t = n \operatorname{arctanh}(\varepsilon) et en évaluant ce minimum, on obtient
P[X,Yε]exp(n[εarctanh(ε)+12ln(1ε2)]).\mathbf{P}[\langle X, Y\rangle \geq \varepsilon] \leq \exp\left(-n \left[\varepsilon \operatorname{arctanh}(\varepsilon) + \frac{1}{2} \ln(1 - \varepsilon^{2})\right]\right).Pour appliquer la même démarche qu’à la deuxième question, il suffit alors de choisir NN tel que
N(N1)exp(n[εarctanh(ε)+12ln(1ε2)])<1,N (N - 1)\exp\left(-n \left[\varepsilon \operatorname{arctanh}(\varepsilon) + \frac{1}{2} \ln(1 - \varepsilon^{2})\right]\right) < 1,c’est-à-dire
N<12+121+4exp(n[εarctanh(ε)+12ln(1ε2)]).N < \frac{1}{2} + \frac{1}{2} \sqrt{1 + 4 \exp\left(n \left[\varepsilon \operatorname{arctanh}(\varepsilon) + \frac{1}{2} \ln(1 - \varepsilon^{2})\right]\right)}.

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