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定义Definition

相对 Martin–Löf 随机性

Relative Martin-Lof randomness · Oracle randomness

把 oracle 作为检验者可用的额外信息,定义相对随机性,并展示自身 oracle、可计算 oracle 与信息强弱的区别。

形式陈述 ​

固定无限比特序列 A。一个 A-Martin-Löf 检验是开集列 (UnA),其柱集可由同一台以 A 为oracle 的图灵机枚举,且公平币测度满足

μ(UnA)≤2−n.

若 X 逃过每个这样的检验,即每次都有某层 n 使 X∉UnA,就称 X 相对于 A Martin-Löf 随机,写作 X∈MLRA。这是把Martin-Löf 随机性中的“可枚举”改成“相对于 A 可枚举”,概率模型并没有变化。[1, §12]

预算必须确实成立;oracle 并不允许检验者多圈入概率质量。通常也不要求各层测度相对于 A 可计算。

固定 oracle 后,任何普通检验也是忽略 oracle 的相对检验。因此 MLRA⊆MLR:相对随机序列是普通随机序列的一个子类;这不是把不同 oracle 下的全部类认作相等。

直觉

随机性依赖可用信息。普通检验者看不出规律的序列,可能在拿到一本含有它全部答案的“参考书”之后变得完全可预测。oracle 不是随机抽取的辅助样本,而是检验过程随时可查询的固定信息源。

因此相对随机性并不是“X 与 A 的统计相关系数为零”。它要求所有能利用 A 的有效零测检验都无法捕获 X,是一条针对单个序列、所有程序的量词条件。

例子与边界

任何序列都不相对于自身随机 ​

以 A 为 oracle,可以逐位读出 A↾n,并枚举

UnA=[A↾n],μ(UnA)=2−n.

A 属于每层,故 A∉MLRA。即使 A 在普通意义下随机,这个结论仍成立;失去随机性的是提供额外信息后的检验能力。

更一般地,若按Turing 归约有 X≤TA,oracle 程序可计算 X 的各前缀,同一构造证明 X∉MLRA。但反向不成立:非相对随机只表示存在可利用的异常结构,不表示 oracle 已能计算全部比特。

无用信息与更强信息 ​

若 A 可计算,每次 oracle 查询都可由普通程序代答,故 MLRA=MLR。若 A≤TB,任何 A-检验都能由 B 模拟,因此

MLRB⊆MLRA.

信息越多,能通过全部检验的序列集合越小。包含未必严格:有些非可计算 A 仍满足 MLRA=MLR,这叫对随机性低,其精确刻画见 $K$-平凡性。

oracle 检验的每一步仍有限 ​

某个柱集被枚举出来之前,机器只运行有限步、查询有限多个 A 的比特。所有给出相同查询答案的 oracle 都触发同一次有限枚举。这种有限使用性质,使 oracle 检验能看成积空间中的有效开关系,是 van Lambalgen 定理连接联合随机与相对随机的入口。

推论与应用

相对于停机集 ∅′ 的 Martin-Löf 随机通常称为 2-随机;更高随机性通过更强跳跃 oracle 迭代。序号反映检验的有效复杂度,不是从同一个序列额外抽了几次样本。

相对复杂度也相应改写:X∈MLRA 当且仅当存在常数 c,对所有 n 有 KA(X↾n)≥n−c。这仍是一个对所有长度统一的界。普通复杂度 K 的下界不能直接代替 KA,因为额外信息可能显著缩短描述。

参考资料
关系图谱11 个相邻概念 · 3 类关系

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