This paper considers the speed of convergence (mixing) of a finite Markov kernel $P$ with respect to the Kullback-Leibler divergence (entropy). Given a Markov kernel one defines either a discrete-time Markov chain (with the $n$-step transition kernel given by the matrix power $P^n$) or a continuous-time Markov process (with the time-$t$ transition kernel given by $e^{t(P-\mathrm{Id})}$). The contraction of entropy for $n=1$ or $t=0+$ are characterized by the famous functional inequalities, the strong data processing inequality (SDPI) and the modified log-Sobolev inequality (MLSI), respectively. When $P=KK^*$ is written as the product of a kernel and its adjoint, one could also consider the ``half-step'' contraction, which is the SDPI for $K$, while the ``full-step'' contraction refers to the SDPI for $P$. The work [DMLM03] claimed that these contraction coefficients (half-step, full-step, and continuous-time) are generally within a constant factor of each other. We disprove this and related conjectures by working out a number of different counterexamples. In particular, we construct (a) a continuous-time Markov process that contracts arbitrarily faster than its discrete-time counterpart; and (b) a kernel $P$ such that $P^{m+1}$ contracts arbitrarily better than $P^m$. Hence, our main conclusion is that the four standard inequalities comparing five common notions of entropy and variance contraction are generally not improvable. In the process of analyzing the counterexamples, we survey and sharpen the tools for bounding the contraction coefficients and characterize properties of extremizers of the respective functional inequalities. As our examples range from Bernoulli-Laplace model, random walks on graphs, to birth-death chains, the paper is also intended as a tutorial on computing MLSI, SDPI and other constants for these types of commonly occurring Markov chains.


翻译:本文研究有限马尔可夫核$P$相对于Kullback-Leibler散度(熵)的收敛(混合)速度。给定马尔可夫核,可定义离散时间马尔可夫链(其$n$步转移核由矩阵幂$P^n$给出)或连续时间马尔可夫过程(其$t$时刻转移核由$e^{t(P-\mathrm{Id})}$给出)。$n=1$或$t=0+$时的熵收缩特性分别由著名的函数不等式——强数据处理不等式(SDPI)与修正对数Sobolev不等式(MLSI)所刻画。当$P=KK^*$可表示为核与其伴随的乘积时,还可考虑“半步”收缩(即$K$的SDPI),而“整步”收缩则指$P$的SDPI。文献[DMLM03]曾断言这些收缩系数(半步、整步与连续时间)通常彼此相差常数倍。我们通过构建一系列反例否定了该猜想及相关推论。具体而言,我们构造了:(a)收缩速度任意快于对应离散时间版本的连续时间马尔可夫过程;(b)满足$P^{m+1}$收缩性任意优于$P^m$的核$P$。因此,本文主要结论为:比较五种常见熵与方差收缩概念的四类标准不等式通常不可改进。在分析反例的过程中,我们系统梳理并完善了界定收缩系数的工具,刻画了相应函数不等式极值子的性质。由于所举示例涵盖Bernoulli-Laplace模型、图随机游走及生灭链等类型,本文亦可作为计算此类常见马尔可夫链的MLSI、SDPI及其他常数的入门教程。

0
下载
关闭预览

相关内容

Linux导论,Introduction to Linux,96页ppt
专知会员服务
82+阅读 · 2020年7月26日
FlowQA: Grasping Flow in History for Conversational Machine Comprehension
专知会员服务
34+阅读 · 2019年10月18日
Stabilizing Transformers for Reinforcement Learning
专知会员服务
60+阅读 · 2019年10月17日
《DeepGCNs: Making GCNs Go as Deep as CNNs》
专知会员服务
32+阅读 · 2019年10月17日
Keras François Chollet 《Deep Learning with Python 》, 386页pdf
专知会员服务
164+阅读 · 2019年10月12日
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
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
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
相关资讯
Hierarchically Structured Meta-learning
CreateAMind
27+阅读 · 2019年5月22日
Transferring Knowledge across Learning Processes
CreateAMind
29+阅读 · 2019年5月18日
强化学习的Unsupervised Meta-Learning
CreateAMind
18+阅读 · 2019年1月7日
Unsupervised Learning via Meta-Learning
CreateAMind
44+阅读 · 2019年1月3日
meta learning 17年:MAML SNAIL
CreateAMind
11+阅读 · 2019年1月2日
A Technical Overview of AI & ML in 2018 & Trends for 2019
待字闺中
18+阅读 · 2018年12月24日
STRCF for Visual Object Tracking
统计学习与视觉计算组
15+阅读 · 2018年5月29日
Focal Loss for Dense Object Detection
统计学习与视觉计算组
12+阅读 · 2018年3月15日
IJCAI | Cascade Dynamics Modeling with Attention-based RNN
KingsGarden
13+阅读 · 2017年7月16日
From Softmax to Sparsemax-ICML16(1)
KingsGarden
74+阅读 · 2016年11月26日
相关基金
国家自然科学基金
13+阅读 · 2017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
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
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