The Large Deviation Principle (LDP) and the Central Limit Theorem (CLT) are central pillars of probability theory. While their formulations are established under the i.i.d. assumption, the probabilistic foundation for power-law distributions has primarily evolved through descriptive models or variational principles, rather than a constructive derivation comparable to the classical binomial process. This paper establishes a constructive probabilistic framework for power-law distributions, proceeding from the nonlinear differential equation $dy/dx = y^q$ without assuming a specific distribution a priori. We build the algebraic and combinatorial foundations, which lead to a generalized binomial distribution based on finite counting. We prove the LDP for this generalized binomial distribution in the regime $0 < q < 1$, demonstrating that the $α$-divergence is identified as the rate function, and clarify the breakdown of this macroscopic scaling for heavier tails ($q > 1$). This result connects our constructive framework to the structures of information geometry. Furthermore, we prove a generalized de Moivre-Laplace theorem, showing that the generalized binomial distribution converges to a heavy-tailed limit distribution (the $q$-Gaussian distribution). We derive that the scaling law follows the order of $n^{q/2}$ as a consequence of the underlying nonlinearity. These analytical results are numerically verified for distinct values of $q \in (0, 2)$. This framework provides a constructive basis that unifies the shift-invariant exponential family and the rescaling-invariant power-law family.


翻译:大偏差原理(LDP)与中心极限定理(CLT)是概率论的核心支柱。尽管其表述建立在独立同分布(i.i.d.)假设下,但幂律分布的概率基础主要通过描述性模型或变分原理发展而来,而非类似于经典二项过程那样通过构造性推导获得。本文在不预先假设特定分布的前提下,从非线性微分方程$dy/dx = y^q$出发,为幂律分布建立了一个构造性概率框架。我们构建了代数与组合学基础,基于有限计数导出了一种广义二项分布。在$0 < q < 1$情形下,我们证明了该广义二项分布满足大偏差原理,并指出$α$-散度被识别为速率函数,同时阐明了当尾部更重($q > 1$)时该宏观标度关系的失效。这一结果将我们的构造性框架与信息几何结构联系起来。此外,我们证明了广义棣莫弗-拉普拉斯定理,表明该广义二项分布收敛于一个重尾极限分布($q$-高斯分布)。我们推导出标度律服从$n^{q/2}$阶次,这源于内在的非线性特性。这些解析结果针对$q \in (0, 2)$的不同取值进行了数值验证。该框架提供了一个兼具构造性的基础,统一了平移不变的指数族与重标标度不变的幂律族。

0
下载
关闭预览

相关内容

【ETHZ博士论文】分布不确定性下的决策,234页pdf
专知会员服务
49+阅读 · 2024年4月5日
【CMU博士论文】分布偏移下的不确定性量化,226页pdf
专知会员服务
31+阅读 · 2023年9月30日
【干货书】概率与信息,一种集成方法,291页pdf
专知会员服务
70+阅读 · 2021年9月1日
【2021新书】概率论介绍,395页pdf
专知会员服务
76+阅读 · 2021年1月17日
机器学习领域必知必会的12种概率分布(附Python代码实现)
算法与数学之美
21+阅读 · 2019年10月18日
从香农熵到手推KL散度:一文带你纵览机器学习中的信息论
算法与数学之美
10+阅读 · 2018年1月14日
从概率论到多分类问题:综述贝叶斯统计分类
机器之心
14+阅读 · 2017年9月28日
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
VIP会员
最新内容
重新思考无人机时代的生存能力
专知会员服务
0+阅读 · 今天7:44
装甲突击旅:现代战争思考、战斗与组织
专知会员服务
0+阅读 · 今天7:28
在人工智能加速决策环境中拓展OODA循环
专知会员服务
1+阅读 · 今天7:18
军事欺骗:供作战战术指挥官使用的工具
专知会员服务
1+阅读 · 今天7:03
综述 | 世界动作模型:少做梦,多行动
专知会员服务
4+阅读 · 6月23日
美以伊冲突:无人机与人工智能的运用
专知会员服务
7+阅读 · 6月23日
《特种部队在透明战场中的生存力》最新报告
专知会员服务
4+阅读 · 6月23日
相关基金
国家自然科学基金
4+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
2+阅读 · 2015年12月31日
国家自然科学基金
3+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
国家自然科学基金
0+阅读 · 2014年12月31日
Top
微信扫码咨询专知VIP会员