Soient X,Y∈Rn deux vecteurs aléatoires de Rademacher indépendants, et t∈R. On calcule exp(t⟨X,Y⟩)=exp(nti=1∑nXiYi)=i=1∏nexp(ntXiYi).Puisque les (Xi) sont indépendants et les (Yi) le sont aussi, on en déduit E[exp(t⟨X,Y⟩)]=E[exp(ntX1Y1)]n.De plus, X1 et Y1 sont deux variables aléatoires de Rademacher indépendantes, donc E[exp(ntX1Y1)]=x,y∈{−1,+1}∑P[X=x]P[Y=y]exp(ntxy)=21exp(t/n)+21exp(−t/n)=cosh(t/n).On conclut E[exp(t⟨X,Y⟩)]=cosh(t/n)n.
L’inégalité de Markov et le résultat précédent donnent alors P[⟨X,Y⟩≥ε]=P[exp(t⟨X,Y⟩)≥exp(tε)]≤exp(−tε)E[exp(t⟨X,Y⟩)]≤exp(−tε)cosh(t/n)n.La majoration cosh(x)≤exp(x2/2) donne P[⟨X,Y⟩≥ε]≤exp(−tε+n(t/n)2/2). Puisque c’est vrai pour tout t∈R, on peut choisir le t qui minimise cette borne. C’est l’exponentielle d’un polynôme de degré 2 qui tend vers l’infini en l’infini. Le minimum de ce polynôme est atteint en εn et vaut exp(−nε2/2). On conclut P[⟨X,Y⟩≥ε]≤exp(−nε2/2) comme demandé.
Soit ε∈(0,1) et N<exp(nε2/4). On considère N vecteurs aléatoires (Xi)1≤i≤N de Rademacher indépendants. Ils sont unitaires par définition.
Pour tout i=j∈{1,…,N}, l’événement Ai,j={∣⟨Xi,Xj⟩∣≥ε} est la réunion des événements disjoints {⟨Xi,Xj⟩≥ε} et {−⟨Xi,Xj⟩≥ε}. On a donc P[Ai,j]=P[⟨Xi,Xj⟩≥ε]+P[−⟨Xi,Xj⟩≥ε]≤2exp(−nε2/2).La majoration vient de la question précédente ; pour le deuxième terme, on utilise le fait que −Xi est aussi un vecteur aléatoire de Rademacher et on réécrit −⟨Xi,Xj⟩ en ⟨−Xi,Xj⟩.
L’événement A=⋃1≤i<j≤NAi,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. Par l’inégalité de l’union, on obtient P[A]≤1≤i<j≤N∑P[Ai,j]≤(2N)2exp(−nε2/2)=N(N−1)exp(−nε2/2).L’hypothèse sur N donne finalement P[A]<1. Par conséquent, l’événement complémentaire Aˉ=⋂1≤i<j≤NAˉi,j a une probabilité strictement positive. Or Aˉi,j={∣⟨Xi,Xj⟩∣<ε}, donc il existe au moins une réalisation (xi) telle que ∣⟨Xi,Xj⟩∣<ε pour tout i=j∈{1,…,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) par exp(x2/2), on peut chercher à minimiser directement la fonction t↦exp(−tε)cosh(t/n)n. Une étude de fonction montre que le minimum est atteint en t=narctanh(ε) et en évaluant ce minimum, on obtient P[⟨X,Y⟩≥ε]≤exp(−n[εarctanh(ε)+21ln(1−ε2)]).Pour appliquer la même démarche qu’à la deuxième question, il suffit alors de choisir N tel que N(N−1)exp(−n[εarctanh(ε)+21ln(1−ε2)])<1,c’est-à-dire N<21+211+4exp(n[εarctanh(ε)+21ln(1−ε2)]).
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