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Hoeffding's lemma

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1882: 1159: 22: 876: 377: 1154:{\displaystyle {\begin{aligned}\mathbb {E} \left&\leq {\frac {b-\mathbb {E} }{b-a}}e^{\lambda a}+{\frac {\mathbb {E} -a}{b-a}}e^{\lambda b}\\&={\frac {b}{b-a}}e^{\lambda a}+{\frac {-a}{b-a}}e^{\lambda b}\\&=e^{L(\lambda (b-a))},\end{aligned}}} 1678: 516: 865: 1776: 1274: 1428: 1483: 881: 252: 244: 1539: 1332: 625: 588: 388: 690: 657: 213: 756: 748: 1547: 1503: 710: 551: 1435: 1923: 32: 1686: 1823: 1167: 1942: 90: 62: 1337: 1916: 47: 69: 76: 1947: 372:{\displaystyle \mathbb {E} \left\leq \exp {\Big (}\lambda \mathbb {E} +{\frac {\lambda ^{2}(b-a)^{2}}{8}}{\Big )},} 124: 1909: 1787: 168: 164: 135: 58: 1441: 120: 221: 1792: 146: 160: 1512: 1815:
Concentration Inequalities and Model Selection: Ecole d'Eté de Probabilités de Saint-Flour XXXIII - 2003
511:{\displaystyle \mathbb {E} \left)}\right]\leq \exp {\Big (}{\frac {\lambda ^{2}(b-a)^{2}}{8}}{\Big )}.} 593: 556: 1506: 665: 630: 527: 186: 156: 1282: 860:{\displaystyle e^{\lambda x}\leq {\frac {b-x}{b-a}}e^{\lambda a}+{\frac {x-a}{b-a}}e^{\lambda b}} 112: 83: 1819: 149: 1893: 1813: 128: 1855: 715: 1673:{\displaystyle L(h)=L(0)+hL'(0)+{\frac {1}{2}}h^{2}L''(h\theta )\leq {\frac {1}{8}}h^{2}.} 131: 1488: 695: 536: 139: 1936: 215: 143: 39: 530:; proofs with a slightly worse constant are also available using symmetrization. 1889: 21: 1881: 1771:{\displaystyle \mathbb {E} \left\leq e^{{\frac {1}{8}}\lambda ^{2}(b-a)^{2}}} 526:
The following proof is direct but somewhat ad-hoc. Another proof uses
1269:{\displaystyle L(h)={\frac {ha}{b-a}}+\ln(1+{\frac {a-e^{h}a}{b-a}})} 1841:
Concentration Inequalities: A Nonasymptotic Theory of Independence
15: 1839:
Boucheron, Stéphane; Lugosi, Gábor; Massart, Pascal (2013).
1423:{\displaystyle L''(h)=-{\frac {abe^{h}}{(b-ae^{h})^{2}}}} 1897: 43: 1689: 1550: 1515: 1491: 1444: 1340: 1285: 1170: 879: 759: 718: 698: 668: 633: 596: 559: 539: 391: 255: 224: 189: 163:. Hoeffding's lemma is itself used in the proof of 1770: 1672: 1533: 1497: 1477: 1422: 1326: 1268: 1153: 859: 742: 704: 684: 651: 619: 582: 545: 510: 371: 238: 207: 500: 452: 361: 293: 1917: 183:be any real-valued random variable such that 8: 218:, i.e. with probability one. Then, for all 48:introducing citations to additional sources 1924: 1910: 1760: 1738: 1724: 1723: 1703: 1691: 1690: 1688: 1661: 1647: 1618: 1604: 1549: 1514: 1490: 1478:{\displaystyle L''(h)\leq {\frac {1}{4}}} 1465: 1443: 1411: 1401: 1377: 1364: 1339: 1284: 1240: 1227: 1186: 1169: 1114: 1091: 1064: 1052: 1030: 1011: 974: 973: 970: 958: 927: 926: 917: 897: 885: 884: 880: 878: 848: 818: 806: 776: 764: 758: 717: 697: 673: 667: 632: 598: 597: 595: 567: 566: 558: 538: 533:Without loss of generality, by replacing 499: 498: 486: 464: 457: 451: 450: 419: 418: 405: 393: 392: 390: 360: 359: 347: 325: 318: 302: 301: 292: 291: 269: 257: 256: 254: 232: 231: 223: 188: 239:{\displaystyle \lambda \in \mathbb {R} } 38:Relevant discussion may be found on the 1804: 7: 1878: 1876: 1856:"A short proof of Hoeffding's lemma" 1276:. By computing derivatives, we find 155:The proof of Hoeffding's lemma uses 1534:{\displaystyle 0\leq \theta \leq 1} 134:, implying that such variables are 1896:. You can help Knowledge (XXG) by 14: 1880: 1812:Pascal Massart (26 April 2007). 31:relies largely or entirely on a 20: 1757: 1744: 1641: 1632: 1598: 1592: 1575: 1569: 1560: 1554: 1459: 1453: 1408: 1385: 1355: 1349: 1315: 1309: 1295: 1289: 1263: 1218: 1180: 1174: 1139: 1136: 1124: 1118: 984: 978: 937: 931: 737: 725: 620:{\displaystyle \mathbb {E} =0} 608: 602: 583:{\displaystyle X-\mathbb {E} } 577: 571: 483: 470: 432: 429: 423: 409: 344: 331: 312: 306: 167:as well as the generalization 1: 685:{\displaystyle e^{\lambda x}} 652:{\displaystyle a\leq 0\leq b} 208:{\displaystyle a\leq X\leq b} 1438:inequality we thus see that 1327:{\displaystyle L(0)=L'(0)=0} 1854:RomanĂ­, Marc (1 May 2021). 1964: 1943:Probabilistic inequalities 1875: 1843:. Oxford University Press. 125:moment-generating function 147:mathematical statistician 1818:. Springer. p. 21. 692:is a convex function of 138:. It is named after the 712:, we have that for all 1892:-related article is a 1788:Hoeffding's inequality 1772: 1674: 1535: 1499: 1479: 1424: 1328: 1270: 1155: 861: 744: 706: 686: 653: 621: 584: 547: 512: 373: 240: 209: 175:Statement of the lemma 169:McDiarmid's inequality 165:Hoeffding's inequality 1773: 1675: 1536: 1500: 1480: 1425: 1329: 1271: 1156: 862: 745: 743:{\displaystyle x\in } 707: 687: 654: 622: 585: 548: 513: 374: 241: 210: 1793:Bennett's inequality 1687: 1548: 1513: 1489: 1442: 1338: 1283: 1168: 877: 757: 716: 696: 666: 631: 594: 557: 537: 389: 253: 222: 187: 44:improve this article 528:exponential tilting 161:Jensen's inequality 59:"Hoeffding's lemma" 1768: 1670: 1531: 1495: 1475: 1420: 1324: 1266: 1151: 1149: 857: 740: 702: 682: 649: 617: 580: 543: 508: 369: 236: 205: 113:probability theory 1948:Probability stubs 1905: 1904: 1825:978-3-540-48503-2 1732: 1655: 1612: 1505:, and thus, from 1498:{\displaystyle h} 1473: 1418: 1261: 1207: 1085: 1046: 1005: 952: 842: 800: 705:{\displaystyle x} 546:{\displaystyle X} 496: 382:or equivalently, 357: 150:Wassily Hoeffding 117:Hoeffding's lemma 109: 108: 94: 1955: 1926: 1919: 1912: 1884: 1877: 1867: 1866: 1864: 1862: 1851: 1845: 1844: 1836: 1830: 1829: 1809: 1777: 1775: 1774: 1769: 1767: 1766: 1765: 1764: 1743: 1742: 1733: 1725: 1715: 1711: 1710: 1694: 1679: 1677: 1676: 1671: 1666: 1665: 1656: 1648: 1631: 1623: 1622: 1613: 1605: 1591: 1540: 1538: 1537: 1532: 1509:, there is some 1507:Taylor's theorem 1504: 1502: 1501: 1496: 1484: 1482: 1481: 1476: 1474: 1466: 1452: 1429: 1427: 1426: 1421: 1419: 1417: 1416: 1415: 1406: 1405: 1383: 1382: 1381: 1365: 1348: 1333: 1331: 1330: 1325: 1308: 1275: 1273: 1272: 1267: 1262: 1260: 1249: 1245: 1244: 1228: 1208: 1206: 1195: 1187: 1160: 1158: 1157: 1152: 1150: 1143: 1142: 1103: 1099: 1098: 1086: 1084: 1073: 1065: 1060: 1059: 1047: 1045: 1031: 1023: 1019: 1018: 1006: 1004: 993: 977: 971: 966: 965: 953: 951: 940: 930: 918: 909: 905: 904: 888: 866: 864: 863: 858: 856: 855: 843: 841: 830: 819: 814: 813: 801: 799: 788: 777: 772: 771: 749: 747: 746: 741: 711: 709: 708: 703: 691: 689: 688: 683: 681: 680: 658: 656: 655: 650: 626: 624: 623: 618: 601: 590:, we can assume 589: 587: 586: 581: 570: 552: 550: 549: 544: 517: 515: 514: 509: 504: 503: 497: 492: 491: 490: 469: 468: 458: 456: 455: 440: 436: 435: 422: 396: 378: 376: 375: 370: 365: 364: 358: 353: 352: 351: 330: 329: 319: 305: 297: 296: 281: 277: 276: 260: 245: 243: 242: 237: 235: 214: 212: 211: 206: 157:Taylor's theorem 123:that bounds the 104: 101: 95: 93: 52: 24: 16: 1963: 1962: 1958: 1957: 1956: 1954: 1953: 1952: 1933: 1932: 1931: 1930: 1873: 1871: 1870: 1860: 1858: 1853: 1852: 1848: 1838: 1837: 1833: 1826: 1811: 1810: 1806: 1801: 1784: 1756: 1734: 1719: 1699: 1695: 1685: 1684: 1657: 1624: 1614: 1584: 1546: 1545: 1511: 1510: 1487: 1486: 1445: 1440: 1439: 1407: 1397: 1384: 1373: 1366: 1341: 1336: 1335: 1301: 1281: 1280: 1250: 1236: 1229: 1196: 1188: 1166: 1165: 1148: 1147: 1110: 1101: 1100: 1087: 1074: 1066: 1048: 1035: 1021: 1020: 1007: 994: 972: 954: 941: 919: 910: 893: 889: 875: 874: 844: 831: 820: 802: 789: 778: 760: 755: 754: 714: 713: 694: 693: 669: 664: 663: 629: 628: 592: 591: 555: 554: 535: 534: 524: 482: 460: 459: 401: 397: 387: 386: 343: 321: 320: 265: 261: 251: 250: 220: 219: 185: 184: 177: 132:random variable 105: 99: 96: 53: 51: 37: 25: 12: 11: 5: 1961: 1959: 1951: 1950: 1945: 1935: 1934: 1929: 1928: 1921: 1914: 1906: 1903: 1902: 1885: 1869: 1868: 1846: 1831: 1824: 1803: 1802: 1800: 1797: 1796: 1795: 1790: 1783: 1780: 1763: 1759: 1755: 1752: 1749: 1746: 1741: 1737: 1731: 1728: 1722: 1718: 1714: 1709: 1706: 1702: 1698: 1693: 1681: 1680: 1669: 1664: 1660: 1654: 1651: 1646: 1643: 1640: 1637: 1634: 1630: 1627: 1621: 1617: 1611: 1608: 1603: 1600: 1597: 1594: 1590: 1587: 1583: 1580: 1577: 1574: 1571: 1568: 1565: 1562: 1559: 1556: 1553: 1530: 1527: 1524: 1521: 1518: 1494: 1472: 1469: 1464: 1461: 1458: 1455: 1451: 1448: 1432: 1431: 1414: 1410: 1404: 1400: 1396: 1393: 1390: 1387: 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