大偏差理論

速率函數(rate function)

速率函數是大偏差原理指數中的對象:映射 I: X -> [0, 無窮],將每個結果 x 對應到把它視為罕見偏差所需的指數成本。在 I(x) = 0 處結果是典型的(這是大數法則集中的地方),而 I(x) 越大,該結果被指數壓制得越厲害。速率函數是理論中編碼每一個大偏差機率的單一函數,因為一個集合的機率由其成本最低的點所主宰。

技術上,速率函數須為下半連續,等價地對每個 c 其下水平集 {x : I(x) <= c} 為閉集。下半連續正是使上界與下界相容的條件:它保證在閉集上的下確界能被達到或至少能乾淨地逼近,從而在內部與閉包一致的集合(所謂 I-連續集)上,閉集上界與開集下界相符。速率函數一般非負且不必處處有限;I(x) = +無窮 標示一個罕見到比任何指數 e^(-c n) 都壓制得更快的結果。

速率函數是唯一的:給定的大偏差原理決定其速率函數。當大偏差原理來自獨立對象之和時,它們往往是凸的(Cramer、Gartner-Ellis 給出作為勒讓德變換的凸 I),但凸性不屬於定義本身——Sanov 在測度空間上的速率函數(相對熵)是凸的,而透過收縮原理由非線性映射產生的速率函數可能是非凸的、帶有多個局部極小值,這正是使亞穩態與相共存得以顯現的原因。

對於 n 個獨立同分布 N(0,1) 變數的經驗平均,速率函數為 I(x) = x^2/2。它在 x = 0(典型值)處為零並二次增長,因此 P(平均接近 x) 大致以 e^(-n x^2/2) 衰減——一條乾淨的拋物線,其曲率 1 與變異數的倒數相符。

I 在典型值處為零,並隨結果變得更罕見而上升。

要求的是下半連續而非連續。不要假設 I 是凸的:凸性是 Cramer/Gartner-Ellis 速率函數的特徵,並非定義性質,而非凸速率函數在物理上很重要。

又稱
rate functionalaction functional