Không gian tự học dành cho sinh viên UET

Chào mừng đến với UETệ

Tìm bài giảng theo học phần, hiểu lại những kiến thức nền và ôn tập theo nhịp học của bạn.

Bài giảng
Đọc Notes, ôn nhanh với Slides và luyện tập qua các bài có lời giải.
Wiki kiến thức
Tra cứu thuật ngữ và bổ sung kiến thức nền ngay khi cần.
Góc học tập
Ôn bằng flashcard, lưu ghi chú và hẹn giờ tập trung.

Bạn có thể xem lại phần giới thiệu ở cuối trang.

Buy me a coffee

Website hoàn toàn miễn phí. Nếu thấy hữu ích, bạn có thể tặng tôi một cốc cà phê theo thông tin dưới đây nhé!

Mã QR chuyển khoản Momo
Ngân hàng
Momo
Tên người nhận
MOMO - TKTH DO MINH TRI
Số tài khoản
01MMTTT0060405229
Skip to content

Cận xác suất Chebyshev, Chernoff và tối ưu hóa ma trận

Chủ đề 15 / 19
  1. 1. Bài toán tương đương và các phép biến đổi cơ bản
  2. 2. Khử ràng buộc đẳng thức và tối ưu theo từng nhóm biến
  3. 3. Hàm tựa lồi và phương pháp chia đôi
  4. 4. Quy hoạch tuyến tính: Các dạng viết và hình học của nghiệm
  5. 5. Những bài toán trở thành LP
  6. 6. Quy hoạch phân tuyến tính
  7. 7. Quy hoạch toàn phương và QCQP
  8. 8. Quy hoạch nón bậc hai và LP bền vững
  9. 9. Quy hoạch hình học
  10. 10. Bài toán dạng nón và quy hoạch nửa xác định
  11. 11. Phần bù Schur và các bài toán về trị riêng
  12. 12. Tối ưu vector, điểm Pareto và đường đánh đổi
  13. 13. Khớp hàm, làm mượt spline và nội suy lồi
  14. 14. Ước lượng phi tham số và thiết kế bộ phát hiện
  15. 15. Cận xác suất Chebyshev, Chernoff và tối ưu hóa ma trận
  16. 16. Quy hoạch mặt bằng và phân bổ không gian tối ưu
  17. 17. Thiết kế thí nghiệm tối ưu và Ma trận thông tin Fisher
  18. 18. Ellipsoid thể tích cực trị và Các điểm tâm hình học
  19. 19. Bài toán định vị, đặt vị trí và tối ưu hóa mạng lưới

Trong các hệ thống học máy an toàn, tài chính định lượng và mạng viễn thông, việc ước tính xác suất xảy ra biến cố cực đoan (chẳng hạn như xác suất lỗi hệ thống vượt ngưỡng hay tổn thất danh mục đầu tư chạm đáy rủi ro) là bài toán sinh tử. Tuy nhiên, trong thực tế ta hiếm khi nắm được toàn bộ hàm phân phối xác suất mà thường chỉ ước lượng được các đặc trưng số cơ bản: Vector kỳ vọng μ=E[X] và hiệp phương sai Σ=Cov(X).

Câu hỏi đặt ra là: Trong số mọi phân phối xác suất khả dĩ có cùng kỳ vọng μ và hiệp phương sai Σ, xác suất lớn nhất để X rơi vào vùng nguy hiểm là bao nhiêu? Tối ưu hóa lồi cung cấp một lời giải hoàn chỉnh thông qua sự kết hợp giữa lý thuyết đối ngẫu và Quy hoạch nửa xác định (SDP).

1. Bản chất tối ưu hóa của các cận xác suất cổ điển ​

Xét biến ngẫu nhiên thực X. Bất đẳng thức Markov khẳng định rằng với mọi biến ngẫu nhiên không âm X≥0 và hằng số a>0:

P(X≥a)≤E[X]a.

Bản chất của bất đẳng thức này là một bài toán tìm chặn trên của hàm chỉ thị: Hàm bậc thang 1{x≥a} được chặn trên bởi hàm tuyến tính f(x)=xa với mọi x≥0. Do tính chất đơn điệu của kỳ vọng:

P(X≥a)=E[1{x≥a}]≤E[f(X)]=E[X]a.

Tương tự, bất đẳng thức Chebyshev cổ điển áp dụng hàm toàn phương để chặn trên hàm chỉ thị:

1{|x−μ|≥kσ}≤(x−μ)2k2σ2⟹P(|X−μ|≥kσ)≤1k2.

Dưới lăng kính tối ưu hóa, việc tìm cận xác suất chặt nhất cho một biến cố X∈C chính là bài toán tìm một hàm chặn trên f(x)≥1C(x) sao cho kỳ vọng E[f(X)] đạt giá trị nhỏ nhất có thể.

2. Cận Chebyshev nhiều chiều và Quy hoạch nửa xác định (SDP) ​

Xét vector ngẫu nhiên X∈Rn có kỳ vọng E[X]=μ và hiệp phương sai Cov(X)=Σ≻0. Đặt ma trận mô-men bậc hai:

M=E[XXT]=Σ+μμT.

Ta muốn tìm chặn trên chặt nhất cho xác suất X rơi ra ngoài một an toàn S (chẳng hạn một tập ellipsoid hoặc đa diện):

pmax=supX∼(μ,Σ)P(X∉S).

Để chặn trên hàm chỉ thị 1{x∉S}, ta xét họ hàm toàn phương tổng quát:

f(x)=xTPx+2qTx+r,P∈Sn,q∈Rn,r∈R.

Hàm f(x) là một cận trên hợp lệ của hàm chỉ thị khi và chỉ khi:

  1. f(x)≥1 với mọi x∉S.
  2. f(x)≥0 với mọi x∈S (và do đó f(x)≥0 với mọi x∈Rn).

Khi điều kiện f(x)≥0,∀x được thỏa mãn, P bắt buộc phải là : P⪰0. Kỳ vọng của hàm toàn phương f(X) được tính tường minh qua các mô-men đã biết:

E[f(X)]=E[tr(PXXT)+2qTX+r]=tr(PM)+2qTμ+r=tr(PΣ)+μTPμ+2qTμ+r.

Bài toán tìm cận Chebyshev nhiều chiều chặt nhất quy về việc cực tiểu hóa biểu thức tuyến tính này theo các biến quyết định (P,q,r):

minimizetr(PΣ)+μTPμ+2qTμ+rsubject toP⪰0,subject toxTPx+2qTx+r≥1,∀x∉S.

Khi tập an toàn S là một hình cầu hoặc ellipsoid S={x∣(x−x0)TA(x−x0)≤1}, ràng buộc f(x)≥1 ngoài S có thể chuyển hóa thành một Bất đẳng thức Tuyến tính (LMI) nhờ Bổ đề S-procedure: Tồn tại λ≥0 sao cho:

[PqqTr−1]−λ[A−Ax0−x0TAx0TAx0−1]⪰0.

Đây chính là một bài toán Quy hoạch nửa xác định (SDP) chuẩn tắc, giải được với độ chính xác tùy ý trong thời gian đa thức.

3. Cận Chernoff và Hàm liên hợp lồi (Convex Conjugate) ​

Khi ta có thêm thông tin về hàm sinh mô-men (Moment Generating Function) MX(λ)=E[eλX], cận Chernoff cung cấp một cận trên suy giảm theo hàm mũ, chặt hơn rất nhiều so với cận đa thức của Chebyshev.

Với λ>0, áp dụng bất đẳng thức Markov cho biến ngẫu nhiên dương eλX:

P(X≥t)=P(eλX≥eλt)≤E[eλX]eλt=exp⁡(−(λt−log⁡E[eλX])).

Đặt ψ(λ)=log⁡E[eλX] là hàm sinh mô-men logarit (Cumulant Generating Function). Bất đẳng thức trên đúng với mọi λ>0, do đó ta có thể tối ưu hóa λ để thu được cận chặt nhất:

P(X≥t)≤exp⁡(−supλ>0(λt−ψ(λ))).

Biểu thức supλ(λt−ψ(λ)) chính là biến đổi Legendre–Fenchel (hàm liên hợp lồi ψ∗(t)) của hàm ψ(λ). Vì hàm ψ(λ) luôn lồi theo λ (chứng minh thông qua bất đẳng thức Cauchy–Schwarz hoặc Jensen), bài toán tìm cận Chernoff chặt nhất là bài toán tối ưu lồi một chiều khả giải hoàn toàn.

Ví dụ: Phân phối chuẩn chuẩn hóa X∼N(0,1) ​

Hàm sinh mô-men logarit là:

ψ(λ)=log⁡E[eλX]=λ22.

Hàm liên hợp lồi:

ψ∗(t)=supλ>0(λt−λ22)=t22(λ∗=t).

Từ đó thu được cận đuôi Chernoff chuẩn mực cho phân phối Gauss:

P(X≥t)≤e−t2/2,∀t>0.

4. Bài tập tự luyện ​

Bài tập 1: Cận Chernoff tối ưu cho biến ngẫu nhiên Poisson

Cho biến ngẫu nhiên X tuân theo phân phối Poisson với μ>0: Hàm xác suất P(X=k)=μke−μk! với k=0,1,2,….

  1. Tính hàm sinh mô-men logarit ψ(λ)=log⁡E[eλX].
  2. Tìm hàm liên hợp lồi ψ∗(t) với t>μ.
  3. Thiết lập cận Chernoff cho xác suất đuôi P(X≥t) và so sánh với cận Chebyshev khi t lớn.
Lời giải
  1. Tính hàm sinh mô-men logarit: Hàm sinh mô-men:

    MX(λ)=E[eλX]=∑k=0∞eλkμke−μk!=e−μ∑k=0∞(μeλ)kk!=e−μeμeλ=exp⁡(μ(eλ−1)).

    Hàm sinh mô-men logarit:

    ψ(λ)=log⁡MX(λ)=μ(eλ−1).
  2. Tìm hàm liên hợp lồi ψ∗(t): Với t>μ:

    ψ∗(t)=supλ>0(λt−μ(eλ−1)).

    Lấy đạo hàm theo λ và cho bằng 0:

    t−μeλ=0⟹eλ=tμ⟹λ∗=log⁡(tμ).

    Vì t>μ, ta có λ∗>0. Thay vào biểu thức liên hợp:

\psi^*(t) &= t \log\left(\frac{t}{\mu}\right) - \mu\left(\frac{t}{\mu} - 1\right) \ &= t \log\left(\frac{t}{\mu}\right) - t + \mu. \end

3.∗∗ThiếtlậpcậnChernoff∗∗:Xácsuấtđuôibịchặnbởi:

\mathbb{P}(X \ge t) \le \exp\big(-\psi^*(t)\big) = \exp\left( - \left[t \log\left(\frac{t}{\mu}\right) - t + \mu\right] \right) = \frac{e^{-\mu} (e \mu)^t}{t^t}.

Sosánh:CậnChebyshevchỉsuygiảmtheobậchai$Var(X)(t−μ)2=μ(t−μ)2=O(t−2)$,trongkhicậnChernoffsuygiảmtheotốcđộgiaithừa/hàmmũsiêutốc$O((eμ/t)t)$,chođộchínhxácvượttrộikhiđánhgiácácsựkiệnhiếm.

Bài tập 2: Bất đẳng thức Cantelli (Chebyshev một phía)

Cho biến ngẫu nhiên X có E[X]=0 và Var(X)=σ2. Với a>0, ta muốn tìm chặn trên cho xác suất một phía P(X≥a).

  1. Xét hàm toàn phương f(x)=(x+u)2(a+u)2 với u>0. Chứng minh rằng f(x)≥1 với mọi x≥a và f(x)≥0 với mọi x∈R.
  2. Tính kỳ vọng E[f(X)] theo u,a,σ.
  3. Cực tiểu hóa E[f(X)] theo biến u>0 để suy ra bất đẳng thức Cantelli: P(X≥a)≤σ2σ2+a2.
Lời giải
  1. Kiểm tra tính chất hàm chặn trên:

    • Khi x≥a: Vì u>0, ta có x+u≥a+u>0. Suy ra (x+u)2≥(a+u)2, do đó f(x)≥1.
    • Với mọi x∈R: Là bình phương chia bình phương, f(x)≥0. Như vậy f(x)≥1{x≥a} trên toàn trục thực.
  2. Tính kỳ vọng:

    E[f(X)]=E[(X+u)2](a+u)2=E[X2]+2uE[X]+u2(a+u)2.

    Vì E[X]=0 và E[X2]=σ2:

    g(u)=E[f(X)]=σ2+u2(a+u)2.
  3. Cực tiểu hóa theo u: Lấy đạo hàm của g(u) theo u:

    g′(u)=2u(a+u)2−(σ2+u2)⋅2(a+u)(a+u)4=2[u(a+u)−(σ2+u2)](a+u)3=2(au−σ2)(a+u)3.

    Đặt g′(u)=0:

    au−σ2=0⟹u∗=σ2a>0.

    Thay u∗ vào biểu thức g(u):

a + u^* &= a + \frac{\sigma^2}{a} = \frac{a^2 + \sigma^2}{a}, \ \sigma^2 + (u^*)^2 &= \sigma^2 + \frac{\sigma^4}{a^2} = \sigma^2 \left(1 + \frac{\sigma^2}{a^2}\right) = \frac{\sigma^2(a^2 + \sigma^2)}{a^2}. \end

Dođó:

g(u^*) = \frac{\frac{\sigma^2(a^2 + \sigma^2)}{a^2}}{\frac{(a^2 + \sigma^2)^2}{a^2}} = \frac{\sigma^2}{a^2 + \sigma^2} = \frac{\sigma^2}{\sigma^2 + a^2}.

ĐâychínhlàbấtđẳngthứcCantellikinhđiển.SovớiChebyshevhaiphía$σ2a2$,cậnmộtphíaCantelliluônchặthơnvìmẫusốcóthêmđạilượng$σ2$.

Bài tập 3: Đánh giá rủi ro danh mục đầu tư qua cận Chebyshev nhiều chiều

Xét vector tỉ suất sinh lời của hai tài sản R=(R1,R2)T có vector kỳ vọng μ=(0,1,0,15)T và hiệp phương sai Σ=[0,040,010,010,09]. Một nhà đầu tư phân bổ danh mục theo tỷ trọng w=(0,6,0,4)T.

  1. Tính kỳ vọng μp=wTμ và phương sai σp2=wTΣw của tỷ suất sinh lời danh mục.
  2. Dùng bất đẳng thức Cantelli để tìm chặn trên cho xác suất danh mục bị thua lỗ (tức Rp≤0).
  3. Nêu cách phát biểu bài toán phân bổ danh mục tối ưu w để cực tiểu hóa cận xác suất thua lỗ này.
Lời giải
  1. Tính kỳ vọng và phương sai của danh mục:

    • Kỳ vọng danh mục:
      μp=wTμ=0,6(0,1)+0,4(0,15)=0,06+0,06=0,12(12%).
    • Tích wTΣ:
      wTΣ=[0,60,4][0,040,010,010,09]=[0,024+0,0040,006+0,036]=[0,0280,042].
    • Phương sai danh mục:
      σp2=(wTΣ)w=0,028(0,6)+0,042(0,4)=0,0168+0,0168=0,0336.
      Độ lệch chuẩn: σp=0,0336≈0,1833(18,33%).
  2. Chặn trên xác suất thua lỗ: Biến cố thua lỗ: Rp≤0⟺−Rp≥0. Biến ngẫu nhiên Y=−Rp có kỳ vọng E[Y]=−μp=−0,12 và phương sai Var(Y)=σp2=0,0336. Khoảng cách lệch khỏi kỳ vọng:

    a=0−E[Y]=0−(−0,12)=0,12.

    Áp dụng bất đẳng thức Cantelli cho Y:

    P(Rp≤0)=P(Y≥0)≤σp2σp2+a2=0,03360,0336+(0,12)2=0,03360,0336+0,0144=0,03360,0480=0,70(70%).
  3. Bài toán phân bổ danh mục tối ưu: Để cực tiểu hóa cận xác suất thua lỗ wTΣwwTΣw+(wTμ)2, ta chú ý rằng biểu thức này là một hàm đơn điệu tăng theo đại lượng:

    wTΣw(wTμ)2=(wTΣwwTμ)2=1Sharpe Ratio2.

    Do đó, cực tiểu hóa cận xác suất thua lỗ Cantelli tương đương cực đại hóa chỉ số Sharpe wTμ∥Σ1/2w∥2. Với chuẩn hóa wTμ=1, bài toán quy về bài toán QP lồi tiêu chuẩn:

    minimizewTΣwsubject towTμ=1,subject to1Tw=c>0,w⪰0.

    Đây là bài toán danh mục Markowitz cổ điển, kết nối trực tiếp lý thuyết cận xác suất với tối ưu hóa lồi thực hành.

Tóm tắt ​

Cận xác suất là công cụ toán học nền tảng giúp đưa ra các bảo đảm định lượng khi phân phối dữ liệu không được biết trọn vẹn. Bằng cách định dạng bài toán tìm cận xác suất như một bài toán đối ngẫu cực tiểu hóa kỳ vọng của hàm bao trên toàn phương, cận Chebyshev nhiều chiều được giải quyết tối ưu thông qua Quy hoạch nửa xác định (SDP).

Bên cạnh đó, cận Chernoff khai thác thông tin hàm sinh mô-men logarit, chuyển hóa việc tìm cận đuôi hàm mũ thành phép biến đổi liên hợp lồi Legendre–Fenchel. Cả hai công cụ này đều đóng vai trò nòng cốt trong quản lý rủi ro hiện đại, từ tính toán giá trị rủi ro VaR trong kinh tế đến đánh giá độ tin cậy của các mô hình học máy an toàn.

Tài liệu tham khảo ​

  • Stephen Boyd, Lieven Vandenberghe, Convex Optimization, Cambridge University Press, Chapter 7: Statistical Estimation (§7.4).
Toàn bộ chủ đề của Lecture 02

IV. Quy hoạch hình học

  1. Quy hoạch hình học
Về trang chương: bản đồ, Slides và Kiến thức nền
Ảnh & sơ đồ
100%
Ảnh tài liệu được phóng to