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平滑 discrepancy

Smooth discrepancy · Smoothed generalized discrepancy

允许目标函数在小概率质量上平滑改变,再以 discrepancy 的 LP 对偶证书给出更稳健的通信下界。

条目类型
方法
平滑 Discrepancy 的稳健抵消

形式陈述 ​

令 partial Boolean function f:X×Y→{0,1,∗},R 为全部组合矩形。它从通信 discrepancy出发并允许平滑目标;Jain–Klauck 的 LP 口径对参数 η≥0 定义 sdiscη(f) 为下列最小值:变量 wR,vR≥0,目标

min∑R∈R(wR+vR),

并对每个定义格施加

1≤∑R∋(x,y)(wR−vR)≤1+η若 f(x,y)=1,1≤∑R∋(x,y)(vR−wR)≤1+η若 f(x,y)=0.

∗ 格无这些正确性约束。由线性规划对偶,每格有非负主权重 μxy 与 slack ϕxy,要求每个矩形内两种符号的净权重绝对值至多 1,目标为 ∑(μ−(1+η)ϕ)。大对偶值意味着即使允许少量 slack,所有矩形仍难以产生稳定相关。

自然表述要求 λ 支撑在 domf 上,g 与 f 的距离只在这些定义格计算。具体地,sdisc~δ(f) 是:选择分布 λ,并允许把 f 在 λ-质量小于 δ 的格上改成 g,再最大化 1/discλ(g)。LP 参数与 δ 间存在常数因子转换;若未固定该转换,不应把两个版本写成数值完全相等。

这一定义实际调用分解范数而非只作类比。下面的完整符号矩阵表述先限于全布尔函数,取 (Af)xy=2f(x,y)−1、α>1;偏函数若使用相应的仅在定义格施约束的范数版本,须另行声明。Jain–Klauck 证明

12sdisc~1/(2(α+1))(f)≤γ2α(Af)≤8sdisc~1/(α+1)(f).

因此把 smooth-discrepancy witness 代入近似分解范数下界,可直接得到 randomized communication 下界;常数 1/2,8 与两个不同平滑半径必须保留。

直觉

普通 discrepancy 要求目标符号矩阵本身在每个矩形中平衡,少量异常格可能制造抵消或毁掉一个好分布。平滑版本允许对这些格付出明确预算后重新选择附近函数,问困难是否在小扰动下仍存在。

LP 中 wR−vR 是用正负矩形权重重建符号目标;slack 允许重建值位于 [1,1+η]。对偶则寻找一张加权见证,使每个矩形的相关性都小。这个凸对偶与近似 γ2 的分解范数路线相接,但两者的归一化不能凭“都叫 generalized discrepancy”而混写。

例子与边界

对二阶 XOR,令四个 singleton 矩形为 Rij={i}×{j}。在 f(i,j)=1 的格取 wRij=1,在 f(i,j)=0 的格取 vRij=1,其余变量为零。每格恰被自己的 singleton 覆盖,约束和为 1,故对任意 η≥0 都是目标值 4 的可复算 primal 可行解。

这首先只是上界证书。对这个小例子,还能显式写出匹配的对偶:四格各取 μij=1,并令 ϕij=0。XOR 的符号棋盘在整个矩阵、任意完整行或列上的和都是零,在 singleton 上为 ±1;这些已经列尽二阶矩阵的非空矩形。因此所有矩形约束均满足,而对偶目标为 4,证明 sdiscη(XOR1)=4 对每个 η≥0 都成立。

这展示了两种证书的相反方向:primal 构造证明“至多这么贵”,dual 构造证明“不能更便宜”。自然定义若允许改变一个均匀质量为 1/4 的格,必须取平滑半径 δ>1/4,因为该版本的距离约束是严格小于;不能把 LP 的 η 直接当成可以翻转的格子比例。

平滑 discrepancy 仍是双侧相关性方法,不等于平滑矩形界的一侧纯度条件。对 partial function,未定义格是否可当作免费修改、是否进入分布支撑,必须由所用版本说明。

推论与应用

LP 对偶把“对所有矩形”的普遍量词压成一个可验证加权矩阵。为看清错误参数,设公共币协议错误至多 ε<1/2,通信至多 c。对每棵树给输出 1 的叶记正号,输出 0 的叶记负号,再按随机币取平均,所得矩形线性组合 h 满足 1−2ε≤(2f−1)h≤1。把全部矩形权重除以 1−2ε,便得到 η=2ε/(1−2ε) 时的 primal 可行解,总权重至多 2c/(1−2ε)。

所以任何该参数下目标为 L 的 dual witness 都给出 c≥log2⁡L+log2⁡(1−2ε)。LP 的允许幅度 η 和协议错误 ε 通过这一缩放相连,不能直接把二者写成相同数字。Jain–Klauck 证明 smooth discrepancy 受 smooth rectangle bound 控制,后者又受 partition bound 控制,形成有严格方向的 LP 层级。

方法强度依赖 η、平滑质量、输出编码和 discrepancy 取倒数的 convention。某页若把 discrepancy 定义成小数值,本页 LP 则以其倒数作为大下界量;比较前必须先统一方向。没有大 dual 值只表示这类证书失败,不表示存在低通信协议。

参考资料
  • Rahul Jain and Hartmut Klauck, “The Partition Bound for Classical Communication Complexity and Query Complexity”, Proceedings of CCC, 2010, pp. 247–258.
  • Hartmut Klauck, “Lower Bounds for Quantum Communication Complexity,” SIAM Journal on Computing 37(1), 2007, pp. 20–46.
  • Alexander A. Sherstov, “The Pattern Matrix Method for Lower Bounds on Quantum Communication,” Proceedings of STOC, 2008, pp. 85–94.
  • Troy Lee and Adi Shraibman, Lower Bounds in Communication Complexity, Foundations and Trends in Theoretical Computer Science, 2009, Chapter 6.
关系图谱10 个相邻概念 · 2 类关系

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