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定义Definition

布尔噪声算子

Boolean noise operator · Bonami-Beckner noise operator

把逐坐标随机扰动写成条件平均,并利用字符特征值 rho 的次数幂解析它的平滑作用。

形式陈述 ​

取实值函数 f:{−1,1}n→R。令 X 均匀分布于 {−1,1}n。给定 X=x,各坐标独立令 Yi=xi 的概率为 (1+ρ)/2、令 Yi=−xi 的概率为 (1−ρ)/2,其中 −1≤ρ≤1。于是 E[XiYi]=ρ。噪声算子定义为

(Tρf)(x)=E[f(Y)∣X=x].

这是一个条件平均。当 0≤ρ≤1 时,也可等价地以概率 ρ 保留原坐标、以概率 1−ρ 重新抽一个独立均匀 bit;重采样不等于必定翻转。

对Fourier–Walsh 展开,有

TρχS=ρ|S|χS,Tρf=∑Sρ|S|f^(S)χS.
直觉

一个字符需要它包含的所有坐标共同提供相关性。每个坐标保留相关程度 ρ,独立相乘后,含 k 个坐标的字符只剩 ρk。高阶模式需要许多坐标协同,因此更快被噪声抹平。

证明直接使用条件独立性:E[∏i∈SYi|X=x]=∏i∈SE[Yi|Xi=xi]=ρ|S|χS(x)。线性延伸即可得到任意函数的公式。

例子与边界

给三人多数加一半相关的噪声 ​

由多数的频谱,

TρMaj3=ρ2(x1+x2+x3)−ρ32x1x2x3.

取 ρ=1/2、x=(1,1,1),结果为 3/4−1/16=11/16。这等于噪声后多数输出为 1 与为 −1 的概率差,故输出为 1 的概率是 (1+11/16)/2=27/32。

直接检查也一致:每位保持 1 的概率为 3/4,至少两票为 1 的概率是 (3/4)3+3(3/4)2(1/4)=27/32。因此 Tρf 通常取实数,不再是一个布尔值函数。

两次噪声如何合成 ​

先加相关 ρ 的噪声,再加相关 η 的噪声,每个字符总共乘 (ρη)|S|,所以

TρTη=Tρη.

T1 是恒等算子,T0f=Ef 是完全遗忘输入,T−1f(x)=f(−x) 则是确定翻转全部坐标。用 ρ=e−t 参数化非负相关时,便有按时间相加的平滑半群。

推论与应用

对凸函数 t↦|t|p 使用条件形式的Jensen 不等式,再对均匀 X 平均,给出 ‖Tρf‖p≤‖f‖p,1≤p<∞;这里 Y 的边缘仍均匀。p=∞ 的收缩直接由平均值不超过最大绝对值给出。超压缩不等式更进一步:噪声足够强时,能用输入的较低阶范数控制输出的较高阶范数。

研究随机扰动是否改变布尔输出时,可计算 ⟨f,Tρf⟩;这就是噪声稳定性。它衡量随机输入输出对的相关,和只看某个指定输入的 Tρf(x) 是两个不同统计量。

参考资料
关系图谱13 个相邻概念 · 2 类关系

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