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定理Theorem

van Lambalgen 定理

Van Lambalgen theorem

交错序列联合随机当且仅当第一条随机、第二条相对第一条随机;用截面预算解释定理并用重复序列反驳边际随机即联合随机。

形式陈述 ​

对 X,Y∈2N,定义交错序列

(X⊕Y)(2n)=X(n),(X⊕Y)(2n+1)=Y(n).

在公平独立币乘积测度下,van Lambalgen 定理断言

X⊕Y∈MLR⟺X∈MLR 且 Y∈MLRX.

右边第二项是相对于 $X$ 的 Martin-Löf 随机性。交换奇偶位是可计算的保测变换,所以也等价于 Y 随机且 X 相对于 Y 随机。[1, Theorems 12.14、12.17]

直觉

各看一条序列时都没有可发现规律,并不排除二者之间藏着完全可预测的关系。联合随机还要求:把第一条全部交给检验者之后,第二条仍无法被有效零测检验捕获。

这里的“独立”被转成对具体两条无限序列的有效检验条件。概率论中的独立性通常是随机变量分布的性质;定理不是通过观察一对有限样本来检验某个物理发生器独立。

例子与边界

边际都随机,却每一对比特相同 ​

取任意 Martin-Löf 随机 X,令 Y=X。两边单独都随机,但交错后每对相邻比特相同。令 Un 限定前 n 对都相同;它由 2n 个长 2n 柱集组成,故

μ(Un)=2n2−2n=2−n.

X⊕X 在每层里,因而不随机。右侧条件也同时失败:以 X 为 oracle,前缀检验立即捕获 Y=X。

从联合检验抽取相对检验 ​

假设 X⊕Y 被有效开集 Vn 捕获,取预算 μ(Vn)≤2−2n。对固定 Z,记截面 VnZ={W:Z⊕W∈Vn},并定义

En={Z:μ(VnZ)>2−n}.

有限矩形的截面质量可算,所以严格越过阈值的 En 有效开。Tonelli 定理允许积分非负截面质量,给 μ(En)≤2−n。对尾并 ⋃n≥k+1En 使用并集界,就得到一个检验,说明随机的 X 只能落入有限多个 En。

因此从某个 N 开始,μ(VnX)≤2−n。截面由 oracle X 有效枚举,适当移位后组成 X-检验;它每层都包含 Y。于是若 X 随机,Y 必不相对于 X 随机。关键不只是 Fubini 积分,还包括异常大截面的有效预算控制。

反方向要统一 oracle 预算 ​

若 X 本身失败于普通检验,把每层乘以整个第二空间即可捕获联合序列。若 Y 失败于 X-检验,则把 oracle 枚举写成有限前缀矩形,并进行逐 oracle 的有限阶段预算截断:每次只有在该 oracle 分支的已接受柱集并仍不超预算时才接受输出。

有限阶段只涉及有限个 oracle 位,可分成有限多个 oracle 柱集逐一检查。若原程序在真实 X 上预算合法,其输出不会被截断;其他 oracle 则被统一限制。所得积空间开集每个截面质量都不超预算,积分后总质量同样不超预算,于是捕获 X⊕Y。这一步解释为何“只在真实 oracle 上合法”的检验也能转成合法联合检验。

推论与应用

联合随机的两半 Turing 不可比较:若 Y≤TX,就不可能有 Y∈MLRX;反向同理。它给出从一条随机序列的奇偶分拆提取两份彼此不能计算的信息的方法。

不能直接把定理中的随机性换成 可计算随机性或 Schnorr 随机性,并照搬标准 oracle 定义下的完整等价式;这些概念的对应方向会失败。[1, §12] 证明中的预算统一与测度有效性正是需要重新检查之处。

参考资料
  • [1] R. Downey, D. Hirschfeldt, A. Nies and S. Terwijn, Calibrating Randomness, §12,Theorems 12.14、12.17,Corollaries 12.15、12.18。
  • [2] Michiel van Lambalgen, Random Sequences, 1987;原结果及文献记录见上述综述参考文献 [74]。
关系图谱9 个相邻概念 · 2 类关系

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