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定理Theorem

低影响多项式的不变性原理

Invariance principle for low-influence polynomials

对低次数、低坐标影响的多线性多项式,逐坐标替换均匀 bit 与 Gaussian 输入并控制平滑测试误差。

形式陈述 ​

令

Q(z)=∑S⊆[n],|S|≤daS∏i∈Szi,d∈N, d≥1,∑S≠∅aS2≤1.

这是多线性多项式,形式与Fourier 展开相同。定义多项式坐标影响 Infi(Q)=∑S∋iaS2,假设最大影响至多 τ。令 Xi 独立均匀取 ±1,Gi 独立服从标准正态分布。

对任何四次连续可微、‖φ(4)‖∞≤M 的测试函数,一个可由下面替换证明得到的保守界是

|Eφ(Q(X))−Eφ(Q(G))|≤M6d9d−1τ.

有界四阶导数使测试函数至多按四次多项式增长;多线性多项式在这些输入下具有有限四阶矩,所以两侧期望有限。固定次数和测试函数后,τ→0 使误差趋零。它并不要求输入变量本身的分布相近。

直觉

若没有哪个坐标独自决定多项式值,那么替换一位输入只造成很小改变。bit 与 Gaussian 的前几阶矩相同,平滑测试的低阶 Taylor 项相互抵消;将每次的小余项累积起来,仍得到可控误差。

替换证明的每一步 ​

依次把 X1,…,Xn 换成 G1,…,Gn。处理坐标 i 时,多线性保证可写 Q=A+ziB,其中 A,B 与 zi 独立,B 的次数至多 d−1。

围绕 A 对 φ(A+ziB) 使用三阶Taylor 展开及四阶余项界。两种输入的零至三阶矩均相同:均值零、方差一、三阶矩零。两边的 Taylor 余项总共至多

M24(EXi4+EGi4)EB4=M6EB4.

超压缩页的混合输入四阶矩界适用于这里的独立 bit/Gaussian 坐标,给 EB4≤9d−1(EB2)2=9d−1Infi(Q)2。求和并用 ∑iInfi(Q)≤d、每项至多 τ,即得到所述界。

例子与边界

归一化和是最简单的例子 ​

取 Qn(z)=n−1/2∑izi。次数 d=1,方差为一,每个影响为 1/n。Gaussian 输入下 Qn(G) 恰是标准正态;上述平滑测试误差至多 M/(6n)。

例如 φ(t)=t4,M=24。直接算得 EQn(X)4=3−2/n、EQn(G)4=3,实际差为 2/n,确实小于界 4/n。这个例子展示了定理控制的是输出统计,而非逐样本数值相等。

两个不可省略的条件 ​

若 Q(z)=z1,最大影响为一,bit 输出只有两个点,Gaussian 输出连续,不会因加入更多无关坐标而变得接近。若使用非多线性表达式 Q(z)=z12,bit 输出恒为一,Gaussian 输出为随机平方;即便形式上次数很低,也不属于当前定理。

指标函数 φ=1{t≤a} 不满足平滑条件。要推出分布函数接近,需要平滑逼近并控制阈值附近的反集中概率;不能把上式直接代入一个不连续测试。

推论与应用

多数最稳定定理先用噪声削弱高阶项,再将低影响的剩余多项式移到 Gaussian 空间,应用高斯几何极值结论,最后转回布尔立方体。次数、影响和平滑化误差必须一起分配,不能只喊“像中心极限定理”就略过它们。

参考资料
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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