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Atlas.HighDimensionalStatistics.code.Chapter3.Problem_3_1

theorem Chapter3.problem_3_1_ls_oracle_inequality {n M : ℕ} (hn : 0 < n) (Φ : Matrix (Fin n) (Fin M) ℝ) (f : Fin n → ℝ) (σ : ℝ) (hσ : 0 < σ) (μ : MeasureTheory.Measure (Fin n → ℝ)) [MeasureTheory.IsProbabilityMeasure μ] (θhat : (Fin n → ℝ) → Fin M → ℝ) (hLS : ∀ (ε : Fin n → ℝ) (θ : Fin M → ℝ), (f + ε - Φ.mulVec (θhat ε)) ⬝ᵥ (f + ε - Φ.mulVec (θhat ε)) ≤ (f + ε - Φ.mulVec θ) ⬝ᵥ (f + ε - Φ.mulVec θ)) (hVar : ∀ (i : Fin n), ∫ (ε : Fin n → ℝ), ε i ^ 2 ∂μ ≤ σ ^ 2) (hMean : ∀ (i : Fin n), ∫ (ε : Fin n → ℝ), ε i ∂μ = 0) :
∃ (C : ℝ), 0 < C ∧ ∫ (ε : Fin n → ℝ), MSE (Φ.mulVec (θhat ε)) f ∂μ ≤ (⨅ (θ : Fin M → ℝ), MSE (Φ.mulVec θ) f) + C * σ ^ 2 * ↑M / ↑n

Problem 3.1 — Exact oracle inequality for the LS estimator. Given the regression model Y = f + ε with noise variance proxy σ², the LS estimator θ̂^LS satisfies: E[MSE(φ_{θ̂^LS})] ≤ inf_θ MSE(φ_θ) + C σ² M / n for some universal constant C > 0.

Here the LS estimator is modeled as a map θ̂ : (Fin n → ℝ) → Fin M → ℝ from noise realizations ε to parameter vectors, where θ̂(ε) minimizes |f + ε − Φθ|² over θ. The expectation is over ε ∼ μ.