知方号

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证明一题多解布尔不等式(union bound)的证明<什么叫平凡不等式的证明题>

布尔不等式(Boole’s inequality)也叫(union bound),即并集的上界,描述的是至少一个事件发生的概率( P(⋃iAi) P ( ⋃ i A i ) )不大于单独事件(事件之间未必独立)发生的概率之和( ∑iP(Ai) ∑ i P ( A i ) )。

即:

P(⋃iAi)≤∑iP(Ai) P ( ⋃ i A i ) ≤ ∑ i P ( A i )

展开即为:

P(A1⋃A2⋃⋯)≤P(A1)+P(A2)+⋯ P ( A 1 ⋃ A 2 ⋃ ⋯ ) ≤ P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯

1. 数学归纳法证明 当 n=1 n = 1 时,显然 P(A1)≤P(A1) P ( A 1 ) ≤ P ( A 1 )

对于 n n ,如果有:P(⋃ni=1Ai)≤∑ni=1P(Ai)P(⋃i=1nAi)≤∑i=1nP(Ai),则由 P(A∪B)=P(A)+P(B)−P(A∩B) P ( A ∪ B ) = P ( A ) + P ( B ) − P ( A ∩ B ) 可知:

P(⋃i=1n+1Ai)=P({⋃i=1nAi}⋃An+1)=P(⋃i=1nAi)+P(An+1)−P({⋃i=1nAi}⋂An+1)≤P(⋃i=1nAi)+P(An+1) P ( ⋃ i = 1 n + 1 A i ) = P ( { ⋃ i = 1 n A i } ⋃ A n + 1 ) = P ( ⋃ i = 1 n A i ) + P ( A n + 1 ) − P ( { ⋃ i = 1 n A i } ⋂ A n + 1 ) ≤ P ( ⋃ i = 1 n A i ) + P ( A n + 1 )

2. 将事件转换为独立事件(不相交事件)

假设有 A1,A2,A3 A 1 , A 2 , A 3 三个事件,则:

令 B1=A1,B2=A2−A1 B 1 = A 1 , B 2 = A 2 − A 1 , B1 B 1 与 B2 B 2 不相交令 B2=A2−A1 B 2 = A 2 − A 1 B3=A3−A2−A1 B 3 = A 3 − A 2 − A 1 , B2 B 2 与 B3 B 3 不相交

令 Bi=Ai∖(⋃i−1k=1Ai) B i = A i ∖ ( ⋃ k = 1 i − 1 A i ) ,则有 B1,B2,⋯, B 1 , B 2 , ⋯ , 互不相交,且 A1∪A2∪⋯=B1∪B2∪⋯ A 1 ∪ A 2 ∪ ⋯ = B 1 ∪ B 2 ∪ ⋯ ,自然 Bi⊂Ai B i ⊂ A i ==> P(Bi)≤P(Ai) P ( B i ) ≤ P ( A i ) :

P(A1∪A2∪⋯)=P(B1∪B2∪⋯)=P(B1)+P(B2)+⋯≤P(A1)+P(A2)+⋯ P ( A 1 ∪ A 2 ∪ ⋯ ) = P ( B 1 ∪ B 2 ∪ ⋯ ) = P ( B 1 ) + P ( B 2 ) + ⋯ ≤ P ( A 1 ) + P ( A 2 ) + ⋯

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