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定义Definition

近似次数

施工中 · 内容逐步修订

Approximate degree of Boolean functions · Epsilon-approximate degree

逐个合法输入控制逼近误差所需的最低多项式次数,并区分承诺外有界约定与查询算法下界。

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[x1,…,xn],maxx∈D|p(x)−f(x)|≤ε}.

deg⁡p 是总次数,例如 x1x2+x3 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,xik=xi 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。

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 ε1≤ε2 时有

deg~ε2(f)≤deg~ε1(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” ​

OR2 的精确表示为 x1+x2−x1x2,次数是 2。改用

p(x1,x2)=23(x1+x2)

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(OR2)=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 23x1+23x2−13x1x2,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(ORn)=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=1nzi。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 Fq 中出现奇数次,于是 E[Fq]=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 2ε;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)=∑ixi 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 L2 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 2T。因此,对逐输入错误至多 ε 的相应算法,

Rε(f)≥deg~ε(f),Qε(f)≥12deg~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.
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