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定理Theorem

Lovász 局部引理

Lovász local lemma

当坏事件概率小且依赖稀疏时,所有坏事件同时不发生的概率为正。

形式陈述 ​

设有限事件族 A1,…,An 有依赖图:每个 Ai 与所有非邻居事件生成的 σ-代数独立。非对称 Lovász 局部引理称,若存在 xi∈[0,1) 使

Pr(Ai)≤xi∏j∈Γ(i)(1−xj)

对每个 i 成立,则

Pr(⋂iAi―)>0.

对称形式中,若 Pr(Ai)≤p,每个事件至多依赖 d 个其他事件,且

ep(d+1)≤1,

则所有坏事件同时避免的概率为正。Moser–Tardos 重采样在独立变量模型下给出相应算法化版本。

直觉

并集界要求所有坏事件概率之和小于一,忽略了许多事件彼此无关。局部引理只为每个事件支付其依赖邻居造成的代价:只要事件足够少见且依赖图足够稀疏,全部坏事件同时避开的概率仍为正。它证明的是一个全局交事件存在,却只检查局部条件。

例子与边界

一组可代入的 SAT 参数 ​

设 CNF 的每个子句恰含 k 个互异变量,每个变量至多出现在 L 个子句中。独立均匀赋值,令 Ai 为第 i 个子句全部不满足,则 p=2−k。共享变量的子句连边,每个子句至多与 d=k(L−1) 个其他子句相邻;全部非邻居只依赖本子句之外的随机变量,因此满足联合独立性要求。充分条件成为

e2−k(k(L−1)+1)≤1.

例如 k=8,L=10 时,d≤72,左边至多 73e/256≈0.775<1,所以无论子句总数多大,公式都存在满足赋值。并集界却只在子句数小于 256 时直接给出正概率。这里证明存在性;Moser–Tardos 重采样算法在这个独立变量模型中构造满足赋值,并给出 m 个子句下至多 m/72 的期望重采样次数及相应索引实现成本。

常数与依赖图的边界 ​

多加依赖边会削弱充分条件,漏掉真实依赖则可能使结论失效。只验证两两独立或协方差为零不够。常见变体 4pd≤1 须附带 d≥1;若 d=0,直接用联合独立性和 p<1 得 Pr(⋂iAi―)=∏i(1−Pr(Ai))>0。不能把 d=0,p=1 代进 4pd≤1 而声称可避免必然事件。这些界都是充分条件,超出它们不等于无解。

推论与应用

概率方法借独立性结构超越简单并集界,依赖图编码局部相互作用。超图染色、无重复词和 SAT 可满足性是典型应用;在变量模型中,Moser–Tardos 重抽样还把存在性证明变成构造算法。若坏事件全局强相关,则应改用浓缩、二阶矩或其他工具。

参考资料
  • Noga Alon and Joel H. Spencer, The Probabilistic Method, 4th ed., Wiley, 2016,Ch. 5, Lovász Local Lemma and algorithmic forms。
  • Béla Bollobás, Modern Graph Theory, Springer, 1998,Ch. VII, local lemma in random structures。
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