形式陈述
点敏感度
对 ,记 为只翻转第 位所得输入。布尔函数理路布尔函数Boolean function以有限 Boolean cube 为定义域、输出单个真假值的函数,并区分偏函数、支持变量与限制操作。 在 处的敏感坐标集为
点敏感度为
它只查看Hamming 距离理路Hamming 距离Hamming distance等长字中不同坐标的数量;由逐位比较、三角不等式和 Hamming 球解释检错与唯一纠错半径。恰为 的邻居,并数其中多少条 cube 边跨越了 0/1 输出边界。全局敏感度取最坏输入
还可分成 ;某个输出侧为空时,约定该侧值为零。
对偏函数 ,只有 时该翻转才是合法邻边。把 promise 外的值任意补成 0 或 1 会人为增加或删除敏感坐标,因此 partial sensitivity 必须声明采用的合法域。
与证书、查询的基本关系
固定输入 的任何证书理路证书复杂度Certificate complexity of Boolean functions · Boolean certificate complexity用足以强制某个固定输入函数值的最少已知坐标数,分别度量 0-证书与 1-证书。都必须包含每个敏感坐标 。若证书遗漏 ,则 与 在全部证书坐标上一致,却拥有相反函数值,违背证书定义。于是
再结合确定性决策树路径形成证书,得到
这条链给出查询下界,却不声称查询算法只需检查敏感坐标。算法事前不知道当前输入,也不知道哪些坐标在当前点敏感;OR 的全零输入恰好同时使三个量都达到 。
直觉
把 Boolean cube 按函数值染成两色, 就是在顶点 周围数有多少条坐标边跨过颜色边界。它描述的是决策边界在一个点附近张开多少个方向,而不是边界离该点多远,也不是函数在典型输入上的平均变化。
单坐标视野既使定义清晰,也留下盲区。若任何一位单独翻转都无效,若干位协同翻转却改变输出,敏感度在该点仍为零;块敏感度理路块敏感度Block sensitivity of Boolean functions · Boolean block sensitivity在固定输入处寻找最多个互不相交的坐标块,使整体翻转任一块都会改变函数值。正是把局部探针从一条边扩展到互不相交的坐标块。
例子与边界
OR 上的状态变化
对 ,在 处翻转任意一个坐标都会从 变为 ,所以
若 恰有一个 ,只有翻转那个唯一的 才会把输出变回 ,点敏感度为 。若 至少有两个 ,翻转任一单独坐标后仍至少留一个 ,点敏感度为 。
因此同一函数在三类输入上呈现 三种局部边界形状,而全局值只保留最大者 。只报告全局敏感度会丢掉输入依赖图像;证明若需要 0/1 两侧,应使用 。
不等于一般 Lipschitz 常数
对全布尔函数,若输出使用离散距离 、输入使用 raw Hamming 距离,则每个 Boolean function 都满足
所以任何非常值函数的最优全局 Lipschitz 常数都是 。这个常数只问单条边变化幅度最多多大,而敏感度数同一顶点有多少条边发生变化,两者表达不同信息。
若输入距离改为 normalized Hamming ,非常值函数的相邻跳变会给 Lipschitz 常数至少 ;它仍不会区分一个敏感方向与 个敏感方向。不能因为两个概念都讨论“局部变化”就把数值互换。
敏感度也不是导数:Boolean cube 没有连续小步,翻转幅度固定为一位。把函数延拓到 后的梯度依赖所选延拓,不由原布尔函数唯一决定。
失败边界
敏感坐标必须在同一个基点 上统计。分别为每个坐标挑一个最有利输入再相加,会得到另一种量,并不能证明存在某个输入具有那么多敏感方向。
全局最大值也可能由极少数输入达到。若算法输入来自分布,平均敏感度或 influence 更适合描述典型扰动; 仍是最坏局部组合量,不包含输入概率。
最后,单比特敏感度较小不表示函数可用同样少的查询计算。远距离或成块变化可能隐藏更多复杂性;需要比较其他度量时,应保留 total/partial、点值/全局和 0/1 侧的限定。
推论与应用
敏感度通过 给出最直接的确定性查询下界:在某个输入附近有 个单独翻转就能改值,任何确认该输入输出的证书都必须覆盖这 个坐标。这个推论保留同一基点,不能把不同输入上的敏感方向拼成一个更大的证书障碍。
在研究典型噪声或分布扰动时,average sensitivity 与 influence 往往比最坏 更贴近问题;在研究协同翻转时,则应转向 block sensitivity。选择这些变体不是换一种描述风格,而是在更换局部邻域与聚合量词。
均匀输入下,Fourier 影响公式理路Fourier–Walsh 展开与影响度Fourier-Walsh expansion · Boolean Fourier analysis在均匀布尔立方体上用字符正交基展开函数,把方差和坐标影响写成 Fourier 系数的平方和。把坐标改变输出的概率写成所有含该坐标系数的平方和。KKL 定理理路KKL 影响定理KKL theorem在均匀立方体上,以方差和维数约束最大坐标影响,并用 tribes 展示对数因子的必要尺度。进一步保证非平凡布尔函数至少有一个影响达到方差乘 的量级;它不要求每个输入都敏感。
若同时随机翻转多个坐标,噪声稳定性理路噪声稳定性与噪声敏感性Noise stability · Noise sensitivity用噪声前后输出的相关与翻转概率,区分单个函数的稳定程度和一族函数的噪声敏感极限。通过 加权描述整条扰动曲线。固定均值并要求所有坐标影响趋小时,多数最稳定定理理路多数最稳定定理Majority is stablest theorem在均匀输入、固定均值和所有坐标影响足够小时,以高斯半空间给出噪声稳定性的渐近最优上界。给出高斯半空间的渐近上界。这里的平均量与本页的最坏点敏感度有不同的量词。
参考资料
- Noam Nisan, “CREW PRAMs and Decision Trees,” SIAM Journal on Computing 20(6), 1991, pp. 999–1007.
- Harry Buhrman and Ronald de Wolf, “Complexity Measures and Decision Tree Complexity: A Survey,” Theoretical Computer Science 288(1), 2002, pp. 21–43.
- Ryan O'Donnell, Analysis of Boolean Functions, Cambridge University Press, 2014, Chapters 2 and 8.