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定义Definition

信息复杂度

Information complexity · Information cost of a protocol · Internal information cost · External information cost

从私有随机带的因子分解证明信息成本界,完整计算 AND 协议的内部、外部、平均与最坏成本,并区分输出熵。

Alice 和 Bob 为完成一个任务交换消息。通信复杂度按消息长度衡量“线上传了多少位”,信息量则衡量“这些消息使输入的不确定性减少了多少”。

信息复杂度研究:完成一个分布明确的通信任务,至少必须揭示多少输入信息。它既是通信下界的工具,也解释了为什么很多独立任务合在一起执行时,平均通信量可能低于逐个执行的成本。[1][2]

形式陈述 ​

先确定观察者拥有什么信息 ​

设有限输入对 (X,Y) 服从已知联合分布 μ,Alice 只持有 X,Bob 只持有 Y;不要求两者独立。公开随机串 R 独立于整个输入对。双方的私有随机带 A,B 相互独立,也独立于 (X,Y,R)。本文先取深度有统一有限上界的二进制协议:谁发言、何时结束均由 R 和已经公开的消息前缀决定;发送内容只依赖发送者的本地视图。记完整消息记录为 T,不把未发送的私有随机带直接算作公开消息。所有对数以二为底,信息量的单位为比特。

这里的条件信息量也允许把整条随机带放在条件中。对有限随机变量 U,定义

H(U∣C)=EC[−∑uPr(U=u∣C)log2⁡Pr(U=u∣C)],I(U;V∣C)=H(U∣C)−H(U∣V,C).

C,V 可以包含无限公平随机带,条件概率取通常随机带空间上的条件分布。有限 U 保证这些熵有限;所用离散条件熵恒等式可先对条件分布计算,再平均。本文每个互信息项至少有一侧是有限输入或有限 transcript,这一约定也涵盖含私有带的链式分解。

协议 π 的内部信息成本定义为

ICμint(π)=I(T;X∣Y,R)+I(T;Y∣X,R).

第一项从 Bob 的角度计算:他已经知道 Y,R,消息又使他得知多少关于 X 的新信息。第二项从 Alice 的角度计算。两项条件变量不同,因此不能把它们简单解释成“每个消息的熵加了两遍”。

外部信息成本则是

ICμext(π)=I(T;X,Y∣R).

这是一个知道公开随机数、却原本不知道双方输入的外部观察者,从消息中学到的输入信息。把 R 作为条件,是为了准确反映观察者已经知道什么,而不是给随机种子本身收费:由于 R 与输入独立,I(T,R;X,Y)=I(T;X,Y∣R)。

只计算 I(T;X,Y) 则可能漏算信息。例如 Alice 发送 T=X⊕R,其中 X,R 是独立公平比特;单看 T 不透露 X,知道公开的 R 后却能完整恢复 X,外部信息为一 bit。私有随机数影响消息的分布,却不因存在于本地就自动计入通信量。

Bob 实际还知道私有带 B,所以他的完整学习量应写成 I(T;X∣Y,R,B)。下文将证明它恰好等于定义中的 I(T;X∣Y,R);Alice 的情形对称。这个等价来自合法协议的结构,并不适用于任意人为指定的随机变量 T。

从一个协议,转到一个任务的最优成本 ​

设 f:X×Y→Z,并明确要求 Bob 输出答案。对固定输入分布 μ 与允许错误率 ρ,定义

ICμ(f,ρ)=infπ:Pr(X,Y)∼μ,π[π(X,Y)≠f(X,Y)]≤ρICμint(π).

概率同时平均输入与协议随机性;它是分布错误率,不要求每个输入上的错误率分别不超过 ρ。取下确界是因为最优成本未必由某个有限协议达到。

若 Dρμ(f) 表示在相同分布错误要求下最小的最坏通信长度,则直接得到

Dρμ(f)≥ICμ(f,ρ).

改变协议要求会改变优化问题。例如要求双方都知道答案、要求每个输入都达到成功率,或把成本改为平均长度,都需要重新定义可选协议与成本。特别是

supμinfπ(⋯)与infπsupμ(⋯)

表示不同的选择顺序,不能在没有相应定理时直接互换。说一个函数“信息复杂度是 I”,应交代分布、错误标准、输出方和内部/外部的口径。

直觉

为什么信息成本给出通信下界 ​

先补齐私有随机性下的关键结构。固定输入 x,y、公开随机串 r 和一个公开前缀 t。沿着该前缀,把 Alice 每次发言与 t 一致所要求的私有带收集为集合 A(x,r,t),把 Bob 的相应要求收集为 B(y,r,t)。由于轮次和终止规则公开,每一步只给当前发送者的随机带增加一个约束,因而

{执行到达前缀 t}={A∈A(x,r,t)}∩{B∈B(y,r,t)}.

空前缀时两个集合都是整个随机带空间;追加 Alice 的一 bit 时只缩小第一个集合,追加 Bob 的一 bit 时只缩小第二个。这也给出了按前缀长度的归纳证明。由独立随机带,前缀的条件概率分解为 a(x,r,t)b(y,r,t),其中两个因子分别是上述集合的概率。这里分解的是给定输入后的协议概率,没有假设原输入分布 μ 是乘积分布。

在正概率条件下,给定 x,y,r,t 后,A 的条件分布就是其原分布限制到 A(x,r,t) 并归一化;分子、分母中的 Bob 因子消去,所以这个分布不再依赖 y。若接下来由 Alice 发言,消息 M 是 (x,r,t,A) 的函数,因此

M⊥Y∣X,R,T<i.

这一步允许 Alice 重复使用同一条私有带,保留任意本地随机记忆;无需假装每轮都重新抽独立随机币。Bob 发言时对称地有 M⊥X∣Y,R,T<i。

完整 transcript 也满足同一分解,所以 B 给定 (X,Y,R,T) 后的分布只依赖 (Y,R,T),即 I(B;X∣Y,R,T)=0。再由随机带的初始独立性,链式法则给出

I(T,B;X∣Y,R)=I(T;X∣Y,R)+I(B;X∣Y,R,T)=I(T;X∣Y,R),I(T,B;X∣Y,R)=I(B;X∣Y,R)+I(T;X∣Y,R,B)=I(T;X∣Y,R,B).

这就证明了前面的完整视图解释,也为后面向 Bob 的视图应用 Fano 不等式准备了依据。

把局部学习量沿协议树相加 ​

对标准二方协议,内部信息不超过外部信息,而外部信息不超过期望通信长度:

ICμint(π)≤ICμext(π)≤Eμ[|T|]≤CC(π).

最后一个量是所有输入与随机选择上的通信长度上界。对每个固定 R=r,完整记录是协议树的叶子,构成前缀无歧义编码;Kraft 不等式的前缀集合版本允许唯一的空记录,也给出 H(T∣R=r)≤E[|T|∣R=r]。对 R 平均,再用 I(T;X,Y∣R)≤H(T∣R),便得到外部信息不超过期望长度。不能把终止时间当作免费、不计成本的额外信道。[2][3]

内部不超过外部这一结论也值得理解其机制。假设当前轮由 Alice 发消息 M,此前记录为 T<i。刚刚证明的条件独立性保证

I(M;Y∣X,R,T<i)=0.

内部成本在这一轮只留下 Bob 的学习量 I(M;X∣Y,R,T<i)。外部增量按链式法则等于

I(M;X,Y∣R,T<i)=I(M;Y∣R,T<i)+I(M;X∣Y,R,T<i).

第一项非负,因此本轮外部增量不小于内部增量。对 Bob 发言的轮次对称处理,再用互信息链式分解相加即可。严格地说,可把提前结束的路径补到统一深度:终止后填入由前缀已确定的符号 ⊥,它的新增信息为零;每个未终止前缀按其公开指定的发送者使用上述计算,再对前缀取平均。有限深度保证这是有限求和。这样比较的是每次消息带来的新增信息,而不是错误地假设“条件越多,互信息一定越小”。

关键前提是 T 来自合法的交互协议。对任意随机变量,条件化可能增加互信息,两项条件互信息之和完全可能大于联合互信息;下文的异或输出就是反例。不能把针对 transcript 的定理当作无条件的信息论代数恒等式。

若允许无统一深度上界的协议,需要另行处理截断与极限,并保持公开终止规则。这里的证明不把“期望长度有限”当作一切极限交换自动成立的理由。

例子与边界

AND:同一棵树上的五种数值 ​

令 X,Y 为独立公平比特,要求双方都知道 U=X∧Y。Alice 先发送 X;若为零,双方立即输出零;否则 Bob 再发送 Y,双方输出这个值。这就是协议树与 transcript中的三叶协议,确定性协议也属于允许随机性的协议类。

输入 (X,Y) 概率 完整记录 T 长度 |T| 输出 U
(0,0) 1/4 0 1 0
(0,1) 1/4 0 1 0
(1,0) 1/4 10 2 0
(1,1) 1/4 11 2 1

完整记录的概率分别是 1/2,1/4,1/4。它是输入的确定函数,因此 H(T∣X,Y)=0,外部信息成本等于

I(T;X,Y)=H(T)=−12log⁡12−2⋅14log⁡14=32.

内部成本则要分别站在两位接收者的位置计算。无论走到哪个叶,T 的首位都给出 X,所以 H(X∣Y,T)=0。当 X=0 时,记录恒为 0,公平比特 Y 完全没有被揭示;当 X=1 时,第二位完整揭示 Y。于是

H(Y∣X,T)=12⋅1+12⋅0=12.
接收者及未知输入 通信前条件熵 通信后条件熵 学到的信息
Bob 学习 X,已知 Y H(X∣Y)=1 H(X∣Y,T)=0 1
Alice 学习 Y,已知 X H(Y∣X)=1 H(Y∣X,T)=1/2 1/2

因此 ICμint(π)=1+1/2=3/2。这里第二项的 1/2 是对全部输入平均:Bob 真正发言时发送一整位,但到达他的结点的概率只有一半。

AND 协议的信息成本

最终输出把 0 与 10 两条不同记录合并为同一个零。由于 Pr(U=1)=1/4,输出熵为

H(U)=h2(1/4)=2−34log2⁡3≈0.811278.

甚至把输出代入内部成本公式也会得到不同的数:给定 Y=0,U 恒为零;给定 Y=1,U=X,所以 I(U;X∣Y)=1/2,对称项也是 1/2,两项合计为一。输出既不是完整记录,输出熵也不是这次对话的信息成本。

所选 AND 协议的量 数值(bit) 计算依据
最坏通信 CC(π) 2 最深叶的深度
平均通信 E|T| 3/2 (1/2)⋅1+(1/2)⋅2
外部信息 ICμext(π) 3/2 H(T)
内部信息 ICμint(π) 3/2 1+1/2
输出熵 H(U) ≈0.811278 h2(1/4)

这完整算出了一个协议的成本。它没有证明该协议在所有合法协议中信息成本最小,因而不能直接宣称 AND 的最优信息复杂度就是 3/2。前面的任务定义默认 Bob 输出;此例特意要求双方输出,使三片叶均有双方可知的答案。

三个协议,把内部与外部信息分开 ​

发送一个未知比特。设 X,Y 是独立公平比特,Alice 发送 T=X。Bob 学到完整的一位 X,Alice 没有获得关于 Y 的新信息,所以

ICμint(π)=1+0=1,ICμext(π)=1.

若消息改为 X 后接一千个固定的零,两种信息成本仍为一,通信长度则是一千零一。信息量只关注输入相关的变化,而不是编码的冗余长度。

重复对方已经知道的比特。设 X=Y,共同取一个公平比特,Alice 仍发送 X。Bob 原本就知道它,Alice 也没有得到新信息,因此内部成本为零;外部观察者却从消息中知道了一位输入信息,所以外部成本为一。

这个例子同时说明,零内部信息并不意味着实际协议不发送消息。它还揭示了优化协议的必要性:若任务只是让 Bob 输出 X,在这个输入分布下根本不必通信。多余发送属于所选协议的浪费,不是任务本身的必需成本。

只看输出,会漏掉计算它的过程。令 X,Y 独立公平,目标是让 Bob 输出 X⊕Y。Alice 发送 X 后,Bob 可以本地计算,通信与内部信息均为一。若把最终结果 U=X⊕Y 错当成完整消息记录,则

I(U;X∣Y)+I(U;Y∣X)=2,I(U;X,Y)=1.

这里 U 只是函数输出,并不是上述协议的完整 transcript。输出含有多少信息,与双方为了产生输出必须交换多少信息,是不同的问题。

内部信息扣除每位参与者原本知道的输入;外部信息只扣除公开随机数。消息记录 T 不包含未公开的私有随机种子。

一个可以完整推出的下界:恢复未知输入 ​

若任务要求 Bob 恢复有限集合 X 中的 X,其中 |X|≥2,并且错误概率至多为 0≤ρ<1/2,Fano 不等式把恢复精度转化为剩余不确定性上界。即使随机带无限,也可先固定 (R,B)=(r,b),对有限观察量 (Y,T) 使用离散 Fano 不等式。记此时的实际错误为 pr,b;对随机带平均,再用Jensen 不等式处理凹函数 h2(p),得到 H(X∣Y,T,R,B)≤h2(p)+plog⁡(|X|−1),其中 p=E[pr,b]≤ρ。该右端在 0≤p≤ρ<1/2 单调增加。结合随机带的初始独立性与前面的私有视图等价式,可得

I(T;X∣Y,R)≥H(X∣Y)−h2(ρ)−ρlog⁡(|X|−1),

其中 h2(ρ)=−ρlog⁡ρ−(1−ρ)log⁡(1−ρ)。公开随机数独立于输入,所以开始时的不确定性是 H(X∣Y),而不是 H(X∣Y,R) 中另一个不同数值。[4]

例如 X 为均匀的 k 位串,Bob 没有相关输入,并要求完全恢复,则 ρ=0,内部信息至少为 k,通信也至少为 k。若 Bob 的 Y 已经确定了 X,则初始条件熵为零,这一恢复任务无需揭示新信息。

这条论证对“恢复整个输入”很有效,却不能把一般函数 f(X,Y) 都当成恢复 X。计算一个低熵答案也可能需要很高的信息成本;必须证明协议过程中某些输入信息不可避免地被学到,而不是只计算答案的熵。

推论与应用

独立副本为何适合用信息量分析 ​

考虑 n 对独立输入 (Xi,Yi)∼μ,双方可以交错地处理所有副本。消息不一定属于某一个坐标,逐位计算通信成本因而很难;互信息却有链式分解,可以把有关整组输入的信息展开为条件信息之和。

严谨的直接和论证再配合坐标嵌入:选择一个坐标作为真实输入,把其他坐标按适当的条件分布模拟,从多副本协议构造单副本协议。这里每对内部的 Xi,Yi 可以相关,独立的是不同输入对。不能把链式分解中的条件直接删去,也不能假定 Alice 能独自生成 Bob 的相关输入。[2]

在固定有限输入分布、正的每坐标允许错误率及匹配的输出约定下,这种下界与多副本协议压缩合起来,得到

ICμ(f,ρ)=大量独立副本的极限平均通信成本.

精确定义、错误率留余量与最坏长度截断见 摊销通信复杂度。这是一条关于批量极限的操作解释,不等于“单次最优通信必然等于信息量”。分布通信中,单次成本和内部信息复杂度之间可以存在很大的分离。[3]

下界与压缩的两种用法 ​

设计信息下界时,通常先选一个使任务困难、同时便于分析的输入分布;再从正确性推出某种必须减少的不确定性,利用互信息或统计距离把它定量化;最后通过“信息不超过通信”得到下界。DISJ 的完整信息论证明从 AND 的私有输出、消息因子分解和 Hellinger 距离推出显式正常数,再用条件熵直和与逐坐标本地嵌入得到线性界。其成本是条件外部信息,正确性要求覆盖全部输入;不能把它直接代入上面的分布错误、内部信息摊销定理。

设计压缩协议时,方向相反:先说明原协议在接收方已有信息之外究竟揭示了多少,再研究双方如何用更短通信协同重现消息分布。普通熵编码不能直接解决任意交互压缩,因为编码所需的条件分布可能分别掌握在两方手中。

参考资料

[1] Anup Rao and Amir Yehudayoff, Communication Complexity: and Applications, Cambridge University Press, 2020,信息复杂度相关章节。

[2] Mark Braverman and Anup Rao, “Information Equals Amortized Communication”, IEEE Transactions on Information Theory 60(10), 6058–6069, 2014。作者预印本,所查 21 页稿第 3.2 节、印刷页 6–9,特别是 Lemmas 3.13–3.14 的信息成本与逐 bit 论证;批量解释见其直接和与摊销部分。

[3] Anup Rao and Makrand Sinha, “Simplified Separation of Information and Communication”, 2015。15 页作者稿,第 1 页定义与第 3.6 节、印刷页 7 的 Propositions 15–16。该处关于条件输入独立性的命题有乘积分布与确定性假设;本文一般相关输入、私有带的结论由上面的前缀事件分解单独证明。

[4] Thomas M. Cover and Joy A. Thomas, Elements of Information Theory, 2nd ed., Wiley, 2006,条件互信息、数据处理与 Fano 不等式。

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