Inégalité d'Efron-Stein

En théorie des probabilités, l'inégalité d'Efron-Stein permet de borner la variance d'une fonction générale de variables aléatoires indépendantes. Cette inégalité peut être couplée avec d'autres inégalités de concentration classiques, comme l'inégalité de Bienaymé-Tchebychev.

Énoncé

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Soient   des variables aléatoires indépendantes à valeurs dans un espace   une fonction générale des   avec   alors

 

  désigne l'espérance conditionnelle conditionnée par rapport à  , c'est-à-dire

   est la densité de  .

Si on pose   des copies indépendantes des   et que l'on pose

 ,

alors le membre de droite de cette inégalité peut également s'écrire :

   et  .

On peut également écrire que   où l'infimum est pris sur l'ensemble des  -mesurable et les variables   admettant un moment d'ordre deux.

Démonstration

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L'idée de la preuve est de généraliser le cas où quand  , on a  [1]

Si on note   l'espérance conditionnelle conditionnée par rapport à   (avec la convention   et que l'on pose

 

alors  

Donc  

Or, si   donc

 

On a donc à présent que  .

D'après le théorème de Fubini,  , d'où  . D'après l'inégalité de Jensen,

 

Finalement,  .

Démontrons maintenant l'égalité des termes pour le membre de droite de l'inégalité d'Efron-Stein. Si on note   la variance conditionnelle conditionnée par rapport à   alors

 

En utilisant le fait que si   et   sont des variables aléatoires réelles indépendantes et identiquement distribuées alors  

Or conditionnellement à  , les variables   et   sont indépendantes et identiquement distribuées d'où

 

La dernière égalité vient du fait que l'on puisse écrire que  . Donc conditionnellement à  , on peut écrire que

 

Applications

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Fonctions avec différences bornées

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Une fonction   possède la propriété de différences bornées s'il existe des constantes positives  tels que

 

Si une fonction   vérifie cette propriété avec les constantes  , alors d'après l'inégalité d'Efron-Stein[1] et parce que   pour  , on a

 

Fonctions auto-bornées

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On dit qu'une fonction positive   est auto-bornée s'il existe des fonctions   tels que pour tout   et tout  ,

 

et

 

D'après l'inégalité d'Efron-Stein, toute fonction   auto-bornée vérifie  .

Références

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  1. a et b (en) Stéphane Boucheron, Gabor Lugosi et Pascal Massart, Concentration inequalities: A Nonasymptotic Theory of Independence, OUP Oxford, 496 p. (ISBN 019876765X)