形式陈述
令 、,并令 为 上的概率分布公理库概率分布Probability distribution · Law可测空间上总质量为一的测度;随机变量的律是由样本概率推出的一类分布。,字符为 。若每个非零 都满足
则称 为 -小偏分布。它要求任意非空坐标子集的奇偶,都近似一枚公平硬币。由于
任一结果的概率离 至多 。这是偏差的归一化约定;有些文献直接把离 的差叫作 。
小偏要求只覆盖线性奇偶测试,不要求骗过全部高效测试。它是无条件可构造的受限伪随机对象,不等于密码学伪随机生成器公理库伪随机生成器Pseudorandom generator · PRG把短均匀种子扩展为计算上不可与均匀串区分的长输出。。[1]
直觉
单独看每一位都均匀,只检查了 个方向。小偏分布检查的是全部 个非零奇偶方向,包括涉及所有坐标的全局关系。
要求这么多线性检查都过关,仍不等于整个分布接近均匀:一种分布可以具有很小的支持集,却把质量安排得让每个奇偶方向都近似平衡。观察者若使用非线性方法识别这个支持集,仍可轻易区分它。
图取 :在 中仅 为根,因此条件字符期望一半为1、一半为0。
例子与边界
所有短边缘均匀仍可能有一个全局漏洞
在所有满足 的串上均匀取样。任意少于 个坐标的联合分布都是均匀的:先指定这些坐标,剩余坐标中至少有一位可以唯一补足总奇偶,其余任取。
但取 ,总有 ,偏差达到一。因此高度独立的局部边缘也不能替代全部线性测试的小偏条件。
一个可实际生成的小偏分布
选有限域公理库有限域Finite field · Galois field底层集合有限的域。 ,其中 。固定一组 基,把每个域元素 写成 位向量 。独立均匀选 和 ,输出 位
其中 是恒为一的常数单项式,包括 时。种子只有 位。
在给定域的表示及上述基后,从 开始逐次乘以 ,生成这些幂至多需要 次域乘法,再做 次 位内积;内积部分共需 位运算。流式输出时,保存 和当前幂共需 位,循环计数另需 位;若保留整个输出,还需 位。构造有限域表示的成本,以及域乘法实现的时间和工作空间,均另行计入。
对任意非零系数串 ,令
这是一个非零多项式,次数至多 。输出的对应奇偶为
固定 。若 ,向量 非零,与均匀 的内积恰好一半为零、一半为一,所以字符期望为零。若 ,内积恒零,字符期望为一。因此
最后一步只用非零域上多项式的根数不超过次数。给定 ,选二的幂 ,即可得到所需小偏,种长为 。式 (2) 在 太小时可能只给一个大于一的无用界,并非所有参数都带来伸长。
四元素域上的验算
取 ,基为 ,输出三位。若 、,则 的第一坐标依次为 ,输出 。
对字符 ,多项式为 。它在四元素域中恰有根 ,所以该奇偶字符期望为 ,达到式 (2) 的上界。这个例子需四个种子位才产生三个输出位,只用来检查代数。
较大参数会真正节省随机性。例如 、目标 ,取 ,种长 位,偏差上界 ,输出则有 位。
推论与应用
用 将 坐标换成 ,本页的 就是Fourier–Walsh 展开公理库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。中指标集 的字符。该正交基展开适用于立方体上的任意实值函数 ,因此
所以小偏分布还能骗过 Fourier 一范数受控的测试;若右侧系数总和很大,结论就很弱。不能从“所有线性测试都通过”直接跳到“所有布尔测试都通过”。
式 (1) 的支持至多有 个点。在 位例中,总变差距离公理库总变差距离Total variation distance · TV distance两个概率分布对最优可测事件所赋概率之差的最大值。甚至至少为 :事件“落在生成器支持集”在输出分布中概率一,在均匀分布中极小。若 为逆多项式,枚举全部 个种子本身就是多项式工作,给出一种高效的非线性区分方法。
因此小偏空间适合需要奇偶或受控 Fourier 测试的去随机化与校验。密码学长串安全则需要面对任意允许的高效区分器,必须使用不同的假设和证明。
参考资料