あなたはこのアプローチに懐疑的であることは正しい。ヒューリスティックには真実の核が含まれていますが、テイラー級数法は一般に機能しません。以下の技術的な議論を要約すると、
- 強い集中は、テイラー級数法が素敵な関数に対して機能することを意味します
- ヘビーテールの分布やあまり良くない関数では、事態は劇的に悪くなる可能性があります。
Alecosの答えが示すように、これは、データの裾が重い可能性がある場合は、テイラー級数法を廃止する必要があることを示唆しています。(金融の専門家、私はあなたを見ている。)
エルビスが指摘したように、重要な問題は、分散が高次モーメントを制御しないことです。理由を確認するために、主なアイデアを得るために質問を可能な限り単純化しましょう。
仮定我々は確率変数の配列を有しとなど。 σ (X N)→ 0 、N → ∞Xnσ(Xn)→0n→∞
Q:をとして保証できますN → ∞ ?E[|Xn−μ|3]=o(σ2(Xn))n→∞?
有限の2次モーメントと無限の3次モーメントを持つランダム変数があるため、答えは断固としてnoです。したがって、一般に、テイラー級数法は3次多項式でも失敗します。この引数を反復すると、ランダム変数のすべてのモーメントが適切に制御されない限り、多項式に対してもテイラー級数法が正確な結果を提供することを期待できないことがわかります。
それでは、何をする必要がありますか?確かにこの方法は、サポートがポイントに収束する有界ランダム変数に対して機能しますが、このクラスは小さすぎて面白くありません。シーケンスという代わりとしいくつかから来て高度に濃縮された(と言う)を満たしていることを家族Xn
P{|Xn−μ|>t}≤e−Cnt2(1)
すべてのおよび。このようなランダム変数は驚くほど一般的です。たとえば、が経験的平均である場合C > 0 X nt>0C>0Xn
Xn:=1n∑i=1nYi
素敵なランダム変数(たとえば、iidと有界)のさまざまな濃度不等式は、が(1)を満たすことを意味します。標準的な引数(ここの p。10を参照)は、そのようなランダム変数の番目のモーメントを制限します。X n pYiXnp
E[|Xn−μ|p]≤(p2Cn)p/2.
したがって、「十分に良い」分析関数(以下を参照)については、三角形の不等式を使用して項のテイラー級数近似で誤差を制限できます。E m mfEmm
Em:=∣∣∣∣E[f(Xn)]−∑p=0mf(p)(μ)p!E(Xn−μ)p∣∣∣∣≤1(2Cn)(m+1)/2∑p=m+1∞|f(p)(μ)|pp/2p!
場合。スターリングの近似により、切り捨てられたテイラー級数の誤差は、p !≈ PのP - 1 / 2n>C/2p!≈pp−1/2
Em=O(n−(m+1)/2) as n→∞whenever∑p=0∞p(1−p)/2|f(p)(μ)|<∞.(2)
したがって、が強く集中し、が十分に良い場合、テイラー級数近似は実際に正確です。(2)に現れる不等式は、であるため、特にこの条件ではがwholeである必要があります。(1)は有界性の仮定を課さないため、これは理にかなっています。Xnff(p)(μ)/p!=O(p−p/2)fXn
特異性がある場合に何がうまくいかないかを見てみましょう(whuberのコメントに従ってください)。を選択するとします。0と2の間で切り捨てられた分布からを取得すると、は十分に集中しますが、ごとにになります。言い換えれば、非常に集中した有界確率変数があり、関数に特異点が1つしかない場合でも、テイラー級数法は失敗します。ff(x)=1/xXnNormal(1,1/n)XnE[f(Xn)]=∞n
厳密さに関するいくつかの言葉。厳密な定理/証明形式で必要とされるdeus ex machinaよりも、派生 として(2)に現れる条件を提示する方が良いと思います。議論を完全に厳密にするために、まず、(2)の右側が
E[|f(Xn)|]≤∑i=0∞|f(p)(μ)|p!E[|Xn−μ|p]<∞
上からのサブガウスモーメントの成長率によって。したがって、フビニの定理は
E[f(Xn)]=∑i=0∞f(p)(μ)p!E[(Xn−μ)p]
残りの証明は上記のように進みます。