形式陈述
近似次数衡量允许逐点误差后,能把布尔函数的多项式表示降到多低的次数。
设 f : D → { 0 , 1 } ,其中 ∅ ≠ D ⊆ { 0 , 1 } n ,且 0 ≤ ε < 1 / 2 。定义
deg ~ ε ( f ) = min { deg p : p ∈ R [ x 1 , … , x n ] , max x ∈ D | p ( x ) − f ( x ) | ≤ ε } . deg p 是总次数,例如 x 1 x 2 + x 3 的总次数为 2 。当 D = { 0 , 1 } n 时,f 是全函数;否则是带承诺条件的偏函数。本页对 D 外的值不加限制 ,后文会说明另一种常见口径。
保证必须对每个合法输入成立。在某种输入分布下平均误差很小,不能替代这个最大值条件。系数及其表示精度不在基本定义的成本中,多项式也不必处处落在 [ 0 , 1 ] 内。
在布尔立方体上,x i k = x i 对每个正整数 k 成立。把每个单项式中的重复变量消去,便得到取值相同、次数不增的多线性多项式;因此只需考虑每个变量至多出现一次的形式。全函数总有次数至多 n 的精确表示,而 ε = 0 时近似次数就是精确次数 理路 布尔函数的多项式次数 Polynomial degree of Boolean functions · Exact degree of a Boolean function 以 Boolean cube 上唯一的实 multilinear 多项式精确表示函数,并取其中最高非零单项式次数。 。
偏函数也有次数至多 n 的可行表示:先随意补全承诺外的函数值,再插值即可。但定义是在全部可行多项式中取最小次数,并不要求先固定某种补全。两个补全可能有不同精确次数;如果先选一个困难补全再证明它难以近似,不能由此断言原来的偏函数也同样困难。
直觉
精确表示要穿过每一个目标点;一致逼近允许在每个目标值周围留出一条误差带。多项式可以重新平衡所有点的偏差,从而降低次数,但不能把少数困难输入藏进平均值。
放宽误差会扩大可选多项式集合,所以 ε 1 ≤ ε 2 时有
deg ~ ε 2 ( f ) ≤ deg ~ ε 1 ( f ) . 阈值 1 / 2 则有本质意义:一旦允许 ε ≥ 1 / 2 ,常数 p ≡ 1 / 2 就能逼近任何 0 / 1 函数。把误差限制在它以下,才保留了两种答案之间的间隙。
例子与边界
四个输入就能看见“降次”
OR 2 的精确表示为 x 1 + x 2 − x 1 x 2 ,次数是 2 。改用
p ( x 1 , x 2 ) = 2 3 ( x 1 + x 2 ) 后,逐点检查如下:
输入
OR 值
p 的值
绝对误差
00
0
0
0
01
1
2 / 3
1 / 3
10
1
2 / 3
1 / 3
11
1
4 / 3
1 / 3
因此一次多项式已经够用。常数 c 却必须同时满足 | c | ≤ 1 / 3 和 | c − 1 | ≤ 1 / 3 ,两个可行区间不相交,故
deg ~ 1 / 3 ( OR 2 ) = 1. 其中 p ( 1 , 1 ) = 4 / 3 完全合法,却不能直接充当一个算法的接受概率。若逐点把它截断成 min ( 1 , max ( 0 , p ) ) ,取值虽回到概率范围,多项式次数却可能上升,因为截断是分段操作。此例截断后恰回到 0 , 2 / 3 , 2 / 3 , 1 四个值,它们的唯一多线性表示为 2 3 x 1 + 2 3 x 2 − 1 3 x 1 x 2 ,次数已升到 2 。
OR 可以大幅降次,奇偶函数不能
对 n 个变量,经典结果给出
deg ~ 1 / 3 ( OR n ) = Θ ( n ) , 而其精确次数为 n 。
相反,奇偶函数在任意固定误差 ε < 1 / 2 下仍需要次数 n 。一个简洁证明是在 { − 1 , 1 } n 上考察符号编码 F ( z ) = ∏ i = 1 n z i 。若存在次数小于 n 的 q ,使 | F − q | ≤ η < 1 ,对均匀随机的 z 取期望:q 的每个单项式都漏掉至少一个变量,该变量在 F q 中出现奇数次,于是 E [ F q ] = 0 。但同时
1 = E [ F ( F − q ) ] ≤ E | F − q | ≤ η < 1 , 矛盾。输出从 0 / 1 改成 ± 1 会把误差变为 2 ε ;输入的仿射替换不改变次数,所以这个证明也适用于原编码。
承诺外是否有界,会改变答案
假设 OR 的合法输入只含零个或一个 1 。本页口径下,p ( x ) = ∑ i x i 在全部合法输入上精确正确,次数仅为 1 ;它在承诺外可能大于 1 ,但不违反定义。
另一种偏函数近似次数还要求多项式在整个布尔立方体上有界,例如落在 [ − ε , 1 + ε ] 。在这种口径下,上述线性多项式不再合格,同一个承诺 OR 在常数误差下需要 Ω ( n ) 次数。引用偏函数结果时,必须先核对这个额外条件;它不是无关紧要的记号差别。
几种邻近概念
符号表示只要求多项式在两类输入上有正确的正负号,幅值可以任意;一致逼近还要求它接近指定数值。分布 L 2 逼近控制 E [ ( p − f ) 2 ] ,允许低概率输入承担较大误差。单侧近似则对两种输出施加不同约束,其具体定义需要单独写出。这些参数解决的问题不同,不能相互代称。
推论与应用
近似次数成为查询下界,依靠的是一条额外的“算法到多项式”桥梁:最多查询 T 次的随机决策树,其接受概率可写成次数至多 T 的多项式;最多查询 T 次的量子查询算法,其接受概率次数至多 2 T 。因此,对逐输入错误至多 ε 的相应算法,
R ε ( f ) ≥ deg ~ ε ( f ) , Q ε ( f ) ≥ 1 2 deg ~ ε ( f ) . 这两个 T 都是最坏查询次数,不能直接替换成期望次数。对偏函数,算法的接受概率在承诺外仍然有界,所以本页不限制承诺外的定义可能给出较弱下界,正如前面的承诺 OR。
逆向转换不自动成立:低次多项式可能超出概率范围,也可能需要难以实现的系数结构。上界需要构造并逐点验证一个多项式;下界则要排除所有低次多项式。后者可以用对称化、正交性或对偶多项式见证 理路 查询复杂度的对偶多项式见证 Dual polynomial witness for query complexity · Approximate-degree dual witness 用一范数归一、与全部低次多项式正交的有符号见证,认证不存在给定误差的低次逼近。 完成,不能仅说明某个自然候选失败。
参考资料
Mark Bun and Justin Thaler, Approximate Degree in Classical and Quantum Computing ,作者公开专著,定义、OR 的上下界及偏函数两种约定。
Robert Beals, Harry Buhrman, Richard Cleve, Michele Mosca, and Ronald de Wolf, “Quantum Lower Bounds by Polynomials ,” Journal of the ACM 48(4), 2001, pp. 778–797,算法接受概率的多项式表示。
Noam Nisan and Mario Szegedy, “On the Degree of Boolean Functions as Real Polynomials,” Computational Complexity 4, 1994, pp. 301–313.