Suppose we observe an infinite series of coin flips $X_1,X_2,\ldots$, and wish to sequentially test the null that these binary random variables are exchangeable. Nonnegative supermartingales (NSMs) are a workhorse of sequential inference, but we prove that they are powerless for this problem. First, utilizing a geometric concept called fork-convexity (a sequential analog of convexity), we show that any process that is an NSM under two distributions, is also necessarily an NSM under their ``fork-convex hull''. Second, we demonstrate that the fork-convex hull of the exchangeable null consists of all possible laws over binary sequences; this implies that any NSM under exchangeability is necessarily nonincreasing, hence always yields a powerless test for any alternative. Since testing arbitrary deviations from exchangeability is information theoretically impossible, we focus on Markovian alternatives. We combine ideas from universal inference and the method of mixtures to derive a ``safe e-process'', which is a nonnegative process with expectation at most one under the null at any stopping time, and is upper bounded by a martingale, but is not itself an NSM. This in turn yields a level $\alpha$ sequential test that is consistent; regret bounds from universal coding also demonstrate rate-optimal power. We present ways to extend these results to any finite alphabet and to Markovian alternatives of any order using a ``double mixture'' approach. We provide a wide array of simulations, and give general approaches based on betting for unstructured or ill-specified alternatives. Finally, inspired by Shafer, Vovk, and Ville, we provide game-theoretic interpretations of our e-processes and pathwise results.


翻译:假设我们观察了无限系列的硬币翻转 $X_1,X_2,\ldots, 并且希望按顺序测试这些二进制随机变量是可以互换的。 不偏向性超级二次曲线(NSMs)是一系列顺序推论的工序, 但我们证明它们对此问题无能为力。 首先, 我们使用一个叫做叉状交错( 一个相近的相近相似性)的几何概念, 我们显示, 在两种分布下的任何 NSM 进程, 也必然是其“ 福克- 康韦克斯 船体” 下的 NSM 。 其次, 我们证明, 可互换无效的螺旋螺旋螺旋体(NSMs) 的叉- 螺旋螺旋体囊囊囊囊囊囊囊(NSMs) 包含所有可能的关于二进式顺序的法, 但这意味着, 任何处于交替性的NSMMSM(nal) 的法则显示, 直径直径直到直径直径直径(nal) 直径(nal) 直径), 直径直径(nal) 直径) 直径(nal) 直径) 直径(nal) 直系) 直系), 直置(直系) 直系), 直径直系) 直系),, 直系(直系),, 直系(或直系), 直系(我们系) 直系) 直系, 直系。

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