indicator と積分を用いて元の値を表現する


例えば、ベクトル x∈Rd\mathbf x\in\mathbb R^d のノルムの2乗 ∥x∥22\|\mathbf x\|_2^2 は、次のように表現できます。

∥x∥22=∫0∥x∥221 dr=∫0∥x∥22I[∥x∥22>r] dr=∫0∞I[∥x∥22>r] dr\begin{align*} \|\mathbf x\|_2^2 &= \int_0^{\|\mathbf x\|_2^2} 1 \: dr \\ &= \int_0^{\|\mathbf x\|_2^2} \mathbb I[\|\mathbf x\|_2^2 > r] \: dr \\ &= \int_0^\infty \mathbb I[\|\mathbf x\|_2^2 > r] \: dr \\ \end{align*}

使用例

球の内側を除いた領域のノルムの期待値の上界を求めるときなどに使用できます。

E[∥x∥22I[∥x∥22>R]]=∫∥x∥22I[∥x∥22>R]p(x) dx=∫∫0∞I[∥x∥22>r]I[∥x∥22>R]p(x) dr dx=∫∫0∞I[∥x∥22>max⁡(r,R)]p(x) dr dx=∫∫0RI[∥x∥22>R]p(x) dr dx+∫∫R∞I[∥x∥22>r]p(x) dr dx=R∫I[∥x∥22>R]p(x) dx+∫R∞P[∥x∥22>r] dr=RP[∥x∥22>R]+∫R∞P[∥x∥22>r] dr\begin{align*} \mathbb E\left[\|\mathbf x\|_2^2 \mathbb I[ \|\mathbf x\|_2^2 > R] \right] &= \int \|\mathbf x\|_2^2 \mathbb I[ \|\mathbf x\|_2^2 > R] p(\mathbf x) \: d\mathbf x \\ &= \int \int_0^\infty \mathbb I[\|\mathbf x\|_2^2 > r] \mathbb I[ \|\mathbf x\|_2^2 > R] p(\mathbf x) \: dr \: d\mathbf x \\ &= \int \int_0^\infty \mathbb I[ \|\mathbf x\|_2^2 > \max(r,R)] p(\mathbf x) \: dr \: d\mathbf x \\ &= \int \int_0^R \mathbb I[ \|\mathbf x\|_2^2 > R] p(\mathbf x) \: dr \: d\mathbf x + \int \int_R^\infty \mathbb I[ \|\mathbf x\|_2^2 > r] p(\mathbf x) \: dr \: d\mathbf x \\ &= R\int \mathbb I[ \|\mathbf x\|_2^2 > R] p(\mathbf x) \: d\mathbf x + \int_R^\infty \mathbb P[ \|\mathbf x\|_2^2 > r] \: dr \\ &= R\mathbb P[ \|\mathbf x\|_2^2 > R] + \int_R^\infty \mathbb P[ \|\mathbf x\|_2^2 > r] \: dr \\ \end{align*}

これより、tail bound P[∥x∥22>r]\mathbb P[\|\mathbf x\|_2^2>r] が分かれば、期待値の上界を求めることができます。

References