期望

定义

一个随机变量 $X$ 的期望（expectation, or mean）定义为

$$\mathbb{E}[X] = \sum_{x} x \cdot p_X(x)$$

其中 $p_X$ 表示 $X$ 的概率质量函数（pmf）。

$\mathbb{E}[X]$ 可能为 $\infty$，本节基本假定 $\mathbb{E}[X] < \infty$ 绝对收敛（absolute convergence）。一些反例：

• 圣彼得堡悖论：$p_X(2^{k}) = 2^{-k}$
• $X \in \Z \backslash\left\lbrace 0 \right\rbrace,\, p_X(k) = \dfrac{1}{ak^2},\, a = \dfrac{\pi^2}{3}$

性质

指示随机变量

对于以 $p$ 为参数的伯努利随机变量 $X \in \left\lbrace 0, 1 \right\rbrace$，有

$$\mathbb{E}[X] = 0 \cdot (1-p) + 1 \cdot p = p$$

对于事件 $A$ 的指示随机变量 $X = I(A)$，有

$$\mathbb{E}[X] = 0 \cdot \Pr(A^c) + 1 \cdot \Pr(A) = \Pr(A)$$

变量变换（Change of Variables）

Law Of The Unconscious Statistician (LOTUS)
不省人事的统计学家定律
叫「无意识」应该更合理？

LOTUS

对于 $f\colon \R \to \R$ 以及离散随机变量 $X$ 与 $\bm{X} = (X_1, \dots, X_n)$，有

• $\mathbb{E}[f(X)] = \sum_x f(x)p_X(x)$
• $\mathbb{E}[f(\bm{X})] = \sum_{\bm{x}} f(\bm{x})p_{\bm{X}}(\bm{x}) = \sum\limits_{(x_1, \dots, x_n)}f(x_1, \dots, x_n)p_{\bm{X}}(x_1, \dots, x_n)$

证明

令 $Y = f(X_1, \dots, X_n)$，于是

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[f(X_1, \dots, X_n)] &= \sum_y y \Pr(Y = y) \\ &= \sum_y y\sum_{(x_1, \dots, x_n) \in f^{-1}(y)} \Pr[(X_1, \dots, X_n) = (x_1, \dots, x_n)] \\ &= \sum_{(x_1, \dots, x_n)} f(x_1, \dots, x_n) \Pr[(X_1, \dots, X_n) = (x_1, \dots, x_n)] \\ &= \sum_{(x_1, \dots, x_n)} f(x_1, \dots, x_n) p_{\bm{X}}(x_1, \dots, x_n) \end{aligned}$$

期望的线性性质

对于 $a, b \in \R$ 与随机变量 $X, Y$：

• $\mathbb{E}[aX + b] = a\mathbb{E}[X] + b$
• $\mathbb{E}[X + Y] = \mathbb{E}[X] + \mathbb{E}[Y]$

对于在随机变量 $X_1, \dots, X_n$ 上的线性（仿射）（linear (affine)）函数 $f$，有

$$\mathbb{E}[f(X_1, \dots, X_n)] = f(\mathbb{E}[X_1], \dots, \mathbb{E}[X_n])$$

对于任意相互不独立（dependent）的随机变量 $X_1, \dots, X_n$，上式成立^[1]。

证明

Proof 1.

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[aX + b] &= \sum_x (ax + b)p_X(x) \\ &= a \sum_x x p_X(x) + b \sum_x p_X(x) \\ &= a \mathbb{E}[X] + b \end{aligned}$$

Proof 2.

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X + Y] &= \sum_{x, y} (x + y)\Pr[(X, Y) = (x, y)] \\ &= \sum_x x \sum_y \Pr[(X, Y) = (x, y)] + \sum_y y \sum_x \Pr[(X, Y) = (x, y)] \\ &= \sum_x x \Pr[X = x] + \sum_y y \Pr[Y = y] \\ &= \sum_x x p_X(x) + \sum_y y p_Y(y) \\ &= \mathbb{E}[X] + \mathbb{E}[Y] \end{aligned}$$

---

1. It holds for arbitrarily dependent $X_1, \dots, X_n$ ↩︎

一些分布的期望

泊松分布

泊松分布 $X \sim \operatorname{Pois}(\lambda)$ 的期望

$$\mathbb{E}[X] = \lambda$$

证明

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{k\ge 0} k \dfrac{\e^{-\lambda}\lambda^{k}}{k!}\\ &= \sum_{k\ge 1} \dfrac{\e^{-\lambda}\lambda^{k}}{(k-1)!}\\ &= \sum_{k\ge 0} \dfrac{\e^{-\lambda}\lambda^{k+1}}{k!}\\ &= \lambda \sum_{k\ge 0} \dfrac{\e^{-\lambda}\lambda^{k}}{k!}\\ &= \lambda \end{aligned}$$

二项分布

对于二项随机变量 $X \sim \operatorname{Bin}(n, p)$，有

$$\mathbb{E}[X] = np$$

证明

$$\mathbb{E}[X] = \sum_{k=0}^{n} k \dbinom{n}{k}p^{k}(1-p)^{n-k}$$

不过注意到 $X \sim \operatorname{Bin}(n, p)$ 可表示为 $X = X_1 + \dots + X_n$，其中 $X_i$ 是 i.i.d. 以 $p$ 为参数的伯努利随机变量，于是

$$\mathbb{E}[X] = \mathbb{E}[X_1] + \dots + \mathbb{E}[X_n] = np$$

几何分布

对于几何随机变量 $X \sim \operatorname{Geo}(p)$，有

$$\mathbb{E}[X] = \dfrac{1}{p}$$

证明

$$\mathbb{E}[X] = \sum_{k\ge 1} k(1-p)^{k-1}p \\$$

注意到 $X \sim \operatorname{Geo}(p)$ 可以表示为 $\displaystyle X = \sum_{k \ge 1}I_{k}$，其中 $I_{k}$ 是一个指示函数，表示前 $k-1$ 次试验是否全部失败（indicate whether all of the first $k-1$ trials fail）。

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{k\ge 1} \mathbb{E}[I_{k}] \\ &= \sum_{k\ge 1}(1-p)^{k-1}\\ &= \dfrac{1}{p} \end{aligned}$$

负二项分布

对于以 $r, p$ 为参数的负二项随机变量 $X$，有

$$\mathbb{E}[X] = r \dfrac{1-p}{p}$$

证明

$$\mathbb{E}[X] = \sum_{k\ge 1} k\dbinom{k+r-1}{k}(1-p)^{k}p^r$$

$X$ 可表示为 $(X_1 - 1) + \dots + (X_r - 1)$，其中 $X_i$ 是 i.i.d. 以 $p$ 为参数的几何随机变量，于是

$$\mathbb{E}[X] = \mathbb{E}[X_1] + \dots + \mathbb{E}[X_r] - r = r \dfrac{1-p}{p}$$

超几何分布

对于以 $N, M, n$ 为参数的超几何随机变量 $X$，有

$$\mathbb{E}[X] = n \dfrac{M}{N}$$

证明

$$\mathbb{E}[X] = \sum_{k=0}^{n} k \dfrac{\binom{M}{k}\binom{N-M}{n-k}}{\binom{N}{n}}$$

每个红球（成功）以概率 $\dfrac{\binom{N-1}{n-1}}{\binom{N}{n}} = \dfrac{n}{N}$ 被选中。同时 $X = X_1 + \dots + X_M$，其中 $X_i \in \left\lbrace 0, 1 \right\rbrace$ 表示第 $i$ 个红球是否被选中，于是

$$\mathbb{E}[X] = \mathbb{E}[X_1] + \dots + \mathbb{E}[X_M] = n \dfrac{M}{N}$$

例子

模式匹配（Pattern Matching）

记 $s = (s_1, \dots, s_n) \in Q^n$，表示长度为 $n$ 的均匀随机字串，由大小为 $q$ 的字母表 $Q$ 中的字母组成。

对于长度为 $k$ 的字串（pattern）$\pi \in Q^{k}$，令 $X$ 表示字串 $\pi$ 出现在 $s$ 中的次数。

记 $I_i \in \left\lbrace 0, 1 \right\rbrace$ 表示第 $i$ 个位置是否匹配，即 $\pi = (s_i, \dots, s_{i+k-1})$，于是 $\displaystyle X = \sum_{i=1}^{n-k+1}I_i$。

期望的线性性质给出

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{i=1}^{n-k+1}\mathbb{E}[I_i] \\ &= (n-k+1)\mathbb{E}[I_i] \\ &= (n-k+1)q^{-k} \end{aligned}$$

字串匹配次数的期望与给定字串 $\pi$ 无关，仅与其长度有关。

但是期望的首次匹配成功的位置（expected time(position) for the first appearance）就可能与 $\pi$ 有关。

• Optional Stopping Theorem (OST)

赠券收集问题（Coupon Collector's Problem）

假设有 $n$ 种赠券，每种赠券获取概率相同，而且赠券亦无限供应。要集齐 $n$ 种赠券。

Balls-into-bins 模型：一个个地扔球，u.a.r.，使得 $n$ 个桶全部被占据。

• $X$ 表示使 $n$ 个桶非空的扔球次数
• $X_i$ 表示恰有 $i-1$ 个非空桶时的扔球次数

$X_i$ 是一个以 $p_i$ 为参数的几何随机变量，$p_i = 1 - \dfrac{i-1}{n}$，且 $\displaystyle X = \sum_{i=1}^{n}X_i$，于是

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{i=1}^{n}\mathbb{E}[X_i] \\ &= \sum_{i=1}^{n} \dfrac{n}{n-i+1}\\ &= n \sum_{i=1}^{n} \dfrac{1}{i}\\ &= n H(n)\\ &\approx n \ln n \end{aligned}$$

其中 $H(n)$ 表示第 $n$ 个调和数（harmonic number）。

双重计数法（Double Counting）

对于非负随机变量 $X$，其取值范围为 $\left\lbrace 0, 1, \dots \right\rbrace$，有

$$\mathbb{E}[X] = \sum_{k=0}^{\infty}\Pr[X > k]$$

证明一（双重计数）

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{x \ge 0} x \Pr[X = x]\\ &= \sum_{x\ge 0}\sum_{k=0}^{x-1}\Pr[X = x]\\ &= \sum_{k\ge 0}\sum_{x > k} \Pr[X = x]\\ &= \sum_{k\ge 0}\Pr[X > k] \end{aligned}$$

纵轴表示 $x$，横轴表示 $p_X$，先对 $x$ 求和，再变为 $k$ 求和。

证明二（期望的线性性质）

令 $I_{k} \in \left\lbrace 0, 1 \right\rbrace$ 表示是否有 $X > k$，于是 $X = \sum_{k \ge 0}I_{k}$。由期望的线性性质有

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{k\ge 0} \mathbb{E}[I_{k}]\\ &= \sum_{k\ge 0} \Pr[X > k] \end{aligned}$$

Open Addressing with Uniform Hashing

哈希表（Hash table）：全集 $U$ 中 $n$ 个键值（keys）通过哈希函数 $h\colon U \to [m]$ 映射（map）到 $m$ 个槽位（slots）上，

开放寻址（open addressing）：当哈希冲突（hash collision）发生时，探测策略（probing strategy）为，当查找一个键值 $x \in U$ 时，第 $i$ 次探测的槽位由 $h(x, i)$ 给出，有以下几种策略：

• 线性探测（linear probing）：$h(x, i) = h(x) + i \pmod m$
• 二次探测（quadratic probing）：$h(x, i) = h(x) + c_1i + c_2i^2 \pmod m$
• 双重哈希（double hashing）：$h(x, i) = h_1(x) + ih_2(x) \pmod m$
• uniform hashing：$h(x, i) = \pi(i)$，其中 $\pi$ 是 $[m]$ 上的一个随机排列（random permutation）。是最理想的情况。

在一个负载因子（load factor）为 $\alpha = \dfrac{n}{m}$ 的哈希表中，考虑 uniform hashing，在一次不成功的查找中，探测次数的期望为 $\dfrac{1}{1-\alpha}$^[1]。

证明

假设 $X$ 表示在一次不成功的查找中的探测次数，$A_i$ 是第 $i$ 次探测的插槽被占据的事件，有

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{k=0}^{\infty} \Pr[X > k]\\ &= 1 + \sum_{k=1}^{\infty} \Pr[X > k]\\ &= 1 + \sum_{k=1}^{\infty} \Pr\left(\bigcap_{i=1}^{k} A_i\right)\\ &= 1 + \sum_{k=1}^{\infty} \prod_{i=1}^{k} \Pr\left(A_i \Biggm| \bigcap_{j < i} A_{j}\right)\quad \text{(chain rule)}\\ &= 1 + \sum_{k=1}^{\infty} \prod_{i=1}^{k} \dfrac{n-i+1}{m-i+1}\\ &\le 1 + \sum_{k=1}^{\infty}\prod_{i=1}^{k}\dfrac{n}{m}\\ &= 1 + \sum_{k=1}^{\infty}\alpha^{k}\\ &= \dfrac{1}{1-\alpha} \end{aligned}$$

容斥原理

记 $I(A) \in \left\lbrace 0, 1 \right\rbrace$ 是事件 $A$ 的指示随机变量，显然有

• $I(A^c) = 1 - I(A)$
• $I(A \cap B) = I(A) \cdot I(B)$

对于事件 $A_1, \dots, A_n$，有

$$\begin{aligned} I\left( \bigcup_{i=1}^n A_i \right) &= 1 - I\left( \bigcap_{i=1}^n A_i^c \right)\\ &= 1 - \prod_{i=1}^n I(A_i^c)\\ &= 1 - \prod_{i=1}^n \left(1 - I(A_i)\right)\\ &= 1 - \sum_{S \subseteq [n]}(-1)^{\left| S \right|}\prod_{i \in S}I(A_i)\quad \text{（二项式定理）}\\ &= 1 - \sum_{S \subseteq [n]}(-1)^{\left| S \right|} I\left(\bigcap_{i \in S}A_i\right)\\ &= \sum_{\empty \ne S \subseteq [n]}(-1)^{\left| S \right| - 1}I\left(\bigcap_{i \in S}A_i\right)\quad \text{（1 跟 $\empty$ 抵消了）} \end{aligned}$$

布尔不等式

对于事件 $A_1, \dots, A_n$，有

$$\begin{aligned} I\left( \bigcup_{i=1}^n A_i \right) &= 1 - \prod_{i=1}^n \left(1 - I(A_i)\right)\\ &= \sum_{k=1}^{n} (-1)^{k-1}\sum_{S \in \binom{[n]}{k}} I\left(\bigcap_{i \in S}A_i\right)\\ \end{aligned}$$

定义随机变量 $X_{k} \coloneqq \dbinom{\sum\limits_{i=1}^{n}I(A_i)}{k}$，于是

$$\begin{aligned} X_{k} &= \sum_{S \in \binom{[n]}{k}} \prod_{i \in S} I(A_i)\\ &= \sum_{S \in \binom{[n]}{k}} I\left(\bigcap_{i \in S}A_i\right)\\ \end{aligned}$$

$X_k$ 作为二项式系数，是单峰的。^[2]

对于单峰序列 $X_{k}$，有

$$\sum_{k \le 2t} (-1)^{k-1} X_{k} \le \sum_{k=1}^{n} (-1)^{k-1} X_{k} \le \sum_{k \le 2t+1} (-1)^{k-1} X_{k}$$

求期望则可得 Boolean-Bonferroni 不等式。

线性性质的局限性

对于无穷求和，线性性质不一定成立。

对于无穷随机变量 $X_1, X_2, \dots$，$\displaystyle \mathbb{E}\left[\sum_{i=1}^{\infty}X_i\right] = \sum_{i=1}^{\infty} \mathbb{E}[X_i]$ 当且仅当 $\displaystyle \sum_{i=1}^{\infty} \mathbb{E}[|X_i|] < \infty$（绝对收敛）。

存在 $\displaystyle \mathbb{E}\left[\sum_{i=1}^{\infty}X_i\right] < \infty,\, \sum_{i=1}^{\infty} \mathbb{E}[X_i] < \infty$ 但 $\displaystyle \mathbb{E}\left[\sum_{i=1}^{\infty}X_i\right] \ne \sum_{i=1}^{\infty} \mathbb{E}[X_i]$ 的反例。

反例：公平赌博游戏中采取亏损加仓投注策略（martingale betting strategy）从 $1$ 元开始下注，赢的时候收手，输的时候将筹码翻倍继续。这样前者为 $1$，后者为 $0$^[3]。

随机多个（$N$ ）随机变量 $X_1, \dots, X_N$，无法得出

$$\mathbb{E}\left[\sum_{i=1}^{N}X_i\right] \mathop{{=}\mathllap{?\,}} \mathbb{E}[N] \mathbb{E}[X_1]$$

令 $\left\lbrace X_n \right\rbrace_{n\ge 1}$ 为同分布随机变量，且 $N$ 是一个取非负值、与 $X_n$ 独立的随机变量，则有 $\mathbb{E}\left[ \displaystyle \sum_{i=1}^N X_i \right] = \mathbb{E}[N] \mathbb{E}[X_1]$：

$$\begin{aligned} \mathbb{E}\left[ \sum_{i=1}^N X_i \right] &= \sum_{n} \Pr(N = n) \mathbb{E}\left[ \sum_{i=1}^n X_i \right]\\ &= \sum_{n} \Pr(N = n) \sum_{i=1}^n \mathbb{E}\left[ X_i \right]\\ &= \sum_{n} \Pr(N = n) n \mathbb{E}\left[ X_1 \right]\\ &= \mathbb{E}[X_1] \sum_n n \Pr(N = n)\\ &= \mathbb{E}[X_1] \mathbb{E}[N] \end{aligned}$$

条件期望

随机变量 $X$ 在给定事件 $A$ 的条件期望（conditional expectation）定义为

$$\mathbb{E}[X \mid A] = \sum_{x} x \Pr[X = x \mid A]$$

其中假设 $\Pr(A) > 0$ 以及这个求和绝对收敛。

条件分布

随机变量 $X$ 在给定事件 $A$ 的概率质量函数（probability mass function）$p_{X \mid A}\colon \Z \to [0, 1]$ 由下式给出

$$p_{X \mid A}(x) = \Pr[X = x \mid A]$$

$(X \mid A)$ 现在可视为一个良定义的离散随机变量，其分布由 pmf $p_{X \mid A}$ 描述。

条件期望 $\mathbb{E}[X \mid A]$ 实际上就只是 $(X \mid A)$ 的期望，因此也满足期望的性质。

全期望法则（Law of Total Expectation）

全期望法则

$X$ 是一个离散随机变量，其期望 $\mathbb{E}[X]$ 有限。

令事件 $B_1, \dots, B_n$ 是 $\Omega$ 的一个划分，使得 $\Pr(B_i) > 0$，则

$$\mathbb{E}[X] = \sum_{i=1}^{n}\mathbb{E}[X \mid B_i]\Pr(B_i)$$

证明

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_x x \Pr[X = x]\\ &= \sum_x \sum_{i=1}^{n} \Pr[X = x \mid B_i] \Pr(B_i)\\ &= \sum_{i=1}^{n} \Pr(B_i) \sum_x x \Pr[X = x \mid B_i]\\ &= \sum_{i=1}^{n} \mathbb{E}[X \mid B_i]\Pr(B_i) \end{aligned}$$

全概率法则实际上就是 $X = I(A)$ 的特殊情况。

$$\mathbb{E}[\mathbb{E}[X \mid Y]] = \mathbb{E}[X]$$

证明

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[\mathbb{E}[X \mid Y]] &= \sum_y \mathbb{E}[X \mid Y = y]\Pr(Y = y) &\text{（定义）}\\ &= \mathbb{E}[X] &\text{（全期望法则）}\\ \end{aligned}$$

快排分析

可参考 Average-case analysis of QuickSort，同时应根据此进行笔记修正（完成则删此句，待删）。

QSort(A): an array A of n distinct entries

if n > 1
    choose a pivot x = A[1]
    partition A into L with all entries < x,
                 and R with all entries > x
    QSort(L) and QSort(R)

最差时间复杂度为 $O(n^2)$（对于已经排好的序列）。将计算平均时间复杂度。

令 $t(n) = \mathbb{E}[X_n]$，其中 $X_n$ 是 QSort(A) 中的比较次数，其中 A 是有 $n$ 个不同数字的均匀随机排列。

记 $B_i$ 是 A[1] 是 A 中第 $i$ 位数字的事件，有

$$\begin{aligned} t(n) &= \mathbb{E}[X_n]\\ &= \sum_{i=1}^{n} \mathbb{E}[X_n \mid B_i] \Pr(B_i)\\ &= \dfrac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \mathbb{E}[n-1 + X_{i-1} + X_{n-i}]\\ &= n-1 + \dfrac{2}{n} \sum_{i=0}^{n-1}t(i) \end{aligned}$$

其中 $t(0) = t(1) = 0$。

还可以使用期望的线性性质。

对于均匀随机输入，A 是一个 $a_1 < \dots < a_n$ 的均匀随机排列。

令 $X_{ij} \in \left\lbrace 0, 1 \right\rbrace$ 表示 $a_i, a_{j}$ 是否在 QSort(A) 中进行过比较。

注意到

• 任意对 $a_i, a_{j}$ 至多被比较一次。
  • 从而有 $X = \sum\limits_{i < j} X_{ij}$。
• 若 $a_i, a_{j}$ 仍在相同的数组中，那么对所有 $i < k < j$，都有 $a_{k}$ 也在相同的数组中。$a_i, a_{j}$ 被比较，当且仅当它们仍在同一个数组中时，其中一个被选为 pivot。
  • 从而有 $\mathbb{E}[X_{ij}] = \Pr[a_i, a_j \text{ compared}] = \Pr[\left\lbrace a_i, a_{j} \right\rbrace \mid \left\lbrace a_i, \dots, a_{j} \right\rbrace] = \dfrac{2}{j-i+1}$。

于是

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] &= \sum_{i < j}\mathbb{E}[X_{ij}]\\ &= \sum_{i < j}\dfrac{2}{j-i+1}\\ &= \sum_{i=1}^{n}\sum_{k=2}^{n-i+1}\dfrac{2}{k}\\ &\le 2 \sum_{i=1}^{n} \sum_{k=1}^{n} \dfrac{1}{k}\\ &= 2 n H(n)\\ &= 2 n \ln n + O(n) \end{aligned}$$

Random Family Tree (随机家谱树)

$X_0, X_1, X_2, \dots$ 按如下规则进行定义

$$\left\lbrace\begin{aligned} X_0 &= 1\\ X_{n+1} &= \sum_{j=1}^{X_n}\xi_{j}^{(n)} \end{aligned}\right.$$

其中 $\xi_{j}^{(n)} \in \Z_{\ge 0}$ 是 i.i.d. 随机变量，均值（mean value）为 $\mu = \mathbb{E}[\xi_{j}^{(n)}]$。

$X_0 = 1$，同时有 $\mathbb{E}[X_1] = \mathbb{E}[\xi_1^{(0)}] = \mu$。

对后面有

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X_n \mid X_{n-1} = k] &= \mathbb{E}\left[\sum_{j=1}^{k}\xi_{j}^{(n-1)} \biggm| X_{n-1} = k\right]\\ &= k \mu \end{aligned}$$

于是 $\mathbb{E}[X_n \mid X_{n-1}] = X_{n-1}\mu$。

从而

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X_n] &= \mathbb{E}[\mathbb{E}[X_n \mid X_{n-1}]]\\ &= \mathbb{E}[X_{n-1}\mu]\\ &= \mu \mathbb{E}[X_{n-1}]\\ &= \mu^n \end{aligned}$$

于是有

$$\begin{aligned} \mathbb{E}\left[ \sum_{n\ge 0} X_n \right] &= \sum_{n\ge 0} \mathbb{E}[X_n]\\ &= \sum_{n\ge 0} \mu^n\\ &= \begin{cases} \dfrac{1}{1-\mu} & \text{if } 0 < \mu < 1\\ \infty & \text{if } \mu \ge 1 \end{cases} \end{aligned}$$

琴生不等式（Jensen's Inequality）

对于一般的（非线性的）函数 $f(X)$ 与随机变量 $X$，一般没有 $\mathbb{E}[f(X)] = f(\mathbb{E}[X])$。

但若 $f$ 的凹凸性已知，则有琴生不等式

琴生不等式（Jensen's Inequality）

• 若 $f$ 是凸（convex）函数，等价于 $f(\lambda x + (1 - \lambda)y) \le \lambda f(x) + (1-\lambda)f(y)$，则对于任意随机变量 $X$，有 $\mathbb{E}[f(X)] \ge f(\mathbb{E}[X])$。
• 若 $f$ 是凹（concave）函数，等价于 $f(\lambda x + (1 - \lambda)y) \ge \lambda f(x) + (1-\lambda)f(y)$，则对于任意随机变量 $X$，有 $\mathbb{E}[f(X)] \le f(\mathbb{E}[X])$。

期望的单调性（Monotonicity of Expectation）

对于随机变量 $X, Y$ 与常数 $c \in \R$：

• 若 $X \le Y$^[4]，则 $\mathbb{E}[X] \le \mathbb{E}[Y]$。
• 若 $X \le c$（或 $X \ge c$），则 $\mathbb{E}[X] \le \mathbb{E}[c]$（或 $\mathbb{E}[X] \ge \mathbb{E}[c]$）。
• $\mathbb{E}[|X|] \ge | \mathbb{E}[X] | \ge 0$。

第一点的证明

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[X] & =\sum_{x} x \Pr(X=x)\\ &=\sum_{x} x \sum_{y} \Pr[(X, Y)=(x, y)] \\ & =\sum_{x} x \sum_{y \ge x} \Pr[(X, Y)=(x, y)]\\ &=\sum_{y} \sum_{x \le y} x \Pr[(X, Y)=(x, y)] \\ & \le \sum_{y} \sum_{x \le y} y \Pr[(X, Y)=(x, y)] \\ &\le \sum_{y} y\Pr(Y=y)\\ &=\mathbb{E}[Y] \end{aligned}$$

平均法则（Average Principle）

• $\Pr(X \ge \mathbb{E}[X]) > 0$
  • 若 $\Pr(X < c) = 1$，则 $\mathbb{E}[X] < c$
• $\Pr(X \le \mathbb{E}[X]) > 0$
  • 若 $\Pr(X > c) = 1$，则 $\mathbb{E}[X] > c$

根据概率法（probabilistic method）：

• $\exists \omega \in \Omega\quad \text{s.t.}\quad X(\omega) \ge \mathbb{E}[X]$
• $\exists \omega \in \Omega\quad \text{s.t.}\quad X(\omega) \le \mathbb{E}[X]$

最大割（Maximum Cut）

对于一个无向图（undirected graph）$G = (V, E)$，最大割问题是要找到一个划分 $V = S \cup \bar{S}$，使得其割集（cut set）$\delta S = \left\lbrace (u, v) \in E \mid u \in S, v \in \bar{S} \right\rbrace$ 的大小最大。

这是一个 NP 难问题。

始终存在一个割集，其大小至少为边集大小的一半，即

$$|\delta S| \ge \dfrac{1}{2} |E|$$

证明

令 $Y_v \in \left\lbrace 0, 1 \right\rbrace$，表示顶点 $v$ 是否在 $S$ 中，是成对独立均匀随机比特（uniform random bits）。

于是

$$|\delta S| = \sum_{(u, v) \in E} I(Y_u \ne Y_v)$$

由期望的线性性质有

$$\begin{aligned} \mathbb{E}[|\delta S|] &= \sum_{(u, v) \in E} \mathbb{E}[I(Y_u \ne Y_v)]\\ &= \sum_{(u, v) \in E} \Pr(Y_u \ne Y_v)\\ &= \sum_{(u, v) \in E} \dfrac{1}{2}\\ &= \dfrac{1}{2} |E| \end{aligned}$$

概率法有，存在这样的 $S \subseteq V$ 使得 $|\delta S| \ge \dfrac{1}{2} |E|$。

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1. the expected number of probes in an unsuccessful search is at most $\dfrac{1}{1-\alpha}$. ↩︎

2. $X_i$ as a binomial coefficient is unimodal in $k$. 单峰序列（unimodal sequence）是指序列 $a_1, \dots, a_n$，存在 $t$ 使得 $a_1 \le \dots \le a_t \ge a_{t+1} \ge \dots \ge a_n$。 ↩︎

3. 赌徒几乎必然抛得一个正面，使之净赚 $1$ 元（$\displaystyle -\sum_{i=0}^{n-1}2^i + 2^n = 1$），但是每轮游戏的收益期望为 $0$。 ↩︎

4. 几乎必然（almost surely），即 $\Pr(X \le Y) = 1$。称为 $Y$ stochastically dominates $X$ ($Y$ 随机支配 $X$)。 ↩︎