Definition.
\[
E_p[f] = \sum_{\omega\in \Omega} p(\omega) f(\omega)
\]
で, 確率分布$p$の下での確率変数$f$の期待値を表す.
Lemma.
$q,r \in S_{n-1} (= \mathcal{S})$と$0\leq \lambda \leq 1$に対して,
\[
E_{\lambda q + (1-\lambda) r} [F] = \lambda E_q[F] + (1-\lambda) E_r[F]
\]
Proposition.
\[
g(X,Y) = \sum_{\omega\in \Omega} (Xp(\omega)) (Y\log p(\omega) )
\]
\[
g(\nabla^{(e)}_X Y, Z)= \sum_{\omega\in \Omega} (XY\log p(\omega)) (Z p(\omega) )
\]
\[
g(\nabla^{(m)}_X Y, Z)= \sum_{\omega\in \Omega} (XYp(\omega)) (Z\log p(\omega) )
\]
[proof]
(i)
\[
\partial_j \log p(\omega) = \frac{\partial_j p(\omega)}{p(\omega)}
\]
を使うと, Fisher計量であることに注意すれば, 任意の$k$に対して,
\[
g(\partial_k, Y) = \sum_{\omega\in \Omega} p(\omega) (\partial_k \log p(\omega)) (Y\log p(\omega) = \sum_{\omega\in \Omega} (\partial_k p(\omega)) (Y\log p(\omega)
\]
から分かる.
(ii)
\[
g(\nabla^{(-1)}_{\partial_i} \partial_j,\partial_k) = \Gamma_{ij,k}^{(-1)} = \sum_{\omega =1}^n (\partial_i \partial_j p(\omega) ) (\partial_k \log p(\omega))
\]
であることに注意するとわかる.
(iii)
\[
g(\nabla^{(1)}_{\partial_i} \partial_j,\partial_k) = \Gamma_{ij,k}^{(1)} = \sum_{\omega =1}^n p(\omega) (\partial_i \partial_j \log p(\omega) ) (\partial_k \log p(\omega))
\]
であることに注意すると分かる.
[/proof]
接続の双対性(再掲) . これを, 期待値, Fisher計量を使うと, 機械的に証明できる.
Proposition.
\[
Xg(Y,Z) = g(\nabla^{(e)}_X Y, Z) + g(\nabla^{(m)}_Y X, Z)
\]
積の微分を考えれば,
[proof]
\begin{align}
Xg(Y,Z) & = X\{ \sum_{\omega\in \Omega} (Yp(\omega)) (Z\log p(\omega) ) \} \\
&= \sum_{\omega\in \Omega} (XZ\log p(\omega)) (Y p(\omega) ) \\
&+ \sum_{\omega\in \Omega} (XYp(\omega)) (Z\log p(\omega) ) \\
&= g(\nabla^{(e)}_X Y, Z) + g(\nabla^{(m)}_Y X, Z)
\end{align}
[/proof]
$\nabla^{(e)}$, $\nabla^{(m)}$に関する平行移動をみてみる.
Definition.
$2$点$p,q \in S$に対し,
(i)
\[
\Pi^{(m)} \colon T_p^{(m)}S \to T_q^{(m)}S; f\mapsto f
\]
で定まる平行移動を混合型平行移動, あるいは, $m$-平行移動という.
(ii)
\[
\Pi^{(e)} \colon T_p^{(e)}S \to T_q^{(e)}S; f\mapsto f -E_q[f]
\]
で定まる平行移動を指数型平行移動, $e$-平行移動という.
有限次元の内積の弱収束は, 強収束を導くことを思い出した上で次の定理を示す.
Theorem.
$t=0$で, $p\in S$を通る$X \in \mathcal{X}(S)$の積分曲線を$p_t$とする. つまり, $\dot{p}_t= X_{p_t}$である. 任意のベクトル場$Y \in \mathcal{X}(S)$に対し,
\[
(\nabla^{(m)}_X Y)_{p_0} = \lim_{t \to 0}\frac{\Pi^{(m)\, t}_0 (Y_{p_t}) -Y_{p_0} }{t}
\]
\[
(\nabla^{(e)}_X Y)_{p_0} = \lim_{t \to 0}\frac{\Pi^{(e)\, t}_0 (Y_{p_t}) -Y_{p_0} }{t}
\]
が成り立つ.
[proof]
$Z \in \mathcal{X}(S)$とする.
(i)
以下では, $2$つめの等号において, $(Y_t p_t)$はベクトル場であって, コレに対して, 共変微分と
平行移動の関係を使えばよい. つまり,
\begin{align}
& \lim_{t \to 0} \sum_{\omega \in \Omega} \left( \frac{ \Pi^{(m)\, t}_0 (Y_{p_t}) p_t(\omega)-Y_{p_0}p_0(\omega) }{t} \right) (Z_{p_0} \log p_0(\omega)) \\
&= \lim_{t \to 0} \sum_{\omega \in \Omega} \left( \frac{ (Y_{p_t}) p_t(\omega)-Y_{p_0}p_0(\omega) }{t} \right) (Z_{p_0} \log p_0(\omega)) \\
&= \sum_{\omega \in \Omega}(XYp(\omega)) (Z_{p_0} \log p_0(\omega)) \rVert_{p=p_0} \\
&= g_{p_0}( nabla^{(m)}_X Y, Z)
\end{align}
(ii)
以下では, $2$つめの等号において, $(Y_t \log p_t)$はベクトル場であって, コレに対して, 共変微分と
平行移動の関係を使い, $E_{p_0}[Y_t \log p_t]$が$\omega$に依らないことと, $\sum_{\omega \in \Omega} Z_{p_0} p_0(\omega)=0$であることを使えばよい. つまり,
\begin{align}
& \lim_{t \to 0} \sum_{\omega \in \Omega} \left( \frac{ \Pi^{(e)\, t}_0 (Y_{p_t}) \log p_t(\omega)-Y_{p_0} \log p_0(\omega) }{t} \right) (Z_{p_0} \log p_0(\omega)) \\
&= \lim_{t \to 0} \sum_{\omega \in \Omega} \left( \frac{ (Y_{p_t}) \log p_t(\omega)-Y_{p_0} \log p_0(\omega) }{t} \right) (Z_{p_0} \log p_0(\omega)) \\
&= \sum_{\omega \in \Omega}(XY(\log p)(\omega)) (Z_{p_0} \log p_0(\omega)) \rVert_{p=p_0} \\
&= g_{p_0}( nabla^{(e)}_X Y, Z)
\end{align}
[/proof]